ГИДРОГЕОЭНЕРГОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
HYDRAULIC GEOPOWER STATION (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения одновременно и тепла в горячей воде и электроэнергии, образующихся иначе, чем в результате сжигания топлива. Оно может быть использовано для производства электрической и тепловой энергии и организации энергоснабжения потребителей в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы заявляемой гидрогеоэнергостанции, в том числе для децентрализованного энергоснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций потребителей. Гидрогеоэнергостанция позволяет снабжать вырабатываемыми с ее использованием электрической и тепловой энергией в горячей воде без подвода для этого энергии извне. Она может работать с использованием низкотемпературных поверхностных или подземных вод, как правило, расположенных в верхних интервалах земных недр, либо при их сочетании.
Известна скважинная гидроэлектростанция (Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.). Скважинная гидроэлектростанция включает источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, водовод образован горной выработкой, например буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, водоводы снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками, а электрогенератор сообщен кабелем, установленным в буровой скважине, с дневной поверхностью у устья скважины.
В изобретении устранены характерные для гидроэлектростанции с плотинной схемой недостатки. Они заключаются в том, что требуемый напор воды достигается без высокозатратного сооружения плотины и связанных с этим отрицательных последствий экономического, хозяйственного, социального, эколого-климатического характера. Кроме того, изобретение позволяет расширить условия его применения - беспроблемную эксплуатацию в условиях резко континентального климата в морозный и паводковый периоды, а также работу не только с использованием поверхностных источников вод, но и подземных, либо при их сочетании. Перечисленные последствия имеют существенное значение и финансовый эквивалент.
Гидравлическая мощность потока скважинной гидроэлектростанции создается в буровой скважине, пробуренной до поглощающего интервала, в результате формирующегося при этом перетока воды из вышерасположенного источника в поглощающий интервал. Высота потока в скважине и, как следствие, его напор может составлять большую величину - от метров до километров, а напор - от десятых долей МПа до десятков МПа. Без сооружения плотины известное техническое решение (по прототипу) позволяет получить высокое значение напора потока в скважинной гидроэлектростанции и при одинаковых расходах воды (в сравнении с низконапорными, плотинными) - высокие гидравлические и вырабатываемые электрические мощности (без сооружения плотины).
Источниками потока воды в буровой скважине могут быть соединенные с ней либо поверхностные (река, озеро, море, болото, водохранилище, продукты таяния ледников, накопители технической воды и др.), либо перебуренные скважиной и соединенные с ней подземные водоносные зоны, или их сочетания. Формирование рабочего потока воды скважинной гидроэлектростанции в земных недрах, имеющих круглогодичную положительную температуру, позволяет эксплуатировать скважинную гидроэлектростанцию и вырабатывать электрическую энергию круглогодично в условиях резко континентального климата.
Но известная скважинная гидроэлектростанция имеет недостатки.
Один недостаток заключается в том, что скважинная гидроэлектростанция не позволяет одновременно с электрической вырабатывать и тепловую энергию.
Другой недостаток заключается в том, что исходя из описания и формулы изобретения прототипа не следует, что гидротурбина, турбогенератор и электрокабель его электросвязи с дневной поверхностью выполнены приспособленными для работы в скважинных условиях на больших глубинах, в частности на глубинах до 5000 м.
Известна тепловодоснабжающая скважина (патент на изобретение РФ №22912255 «Тепловодоснабжающая скважина» по заявке №2005100306/03, поданной 11.01.2005 г. М.кл. Е03В 3/00; F24H 4/02), содержащая источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, установленный в водоводе теплогенератор и тепловодопотребитель, в горной местности со склоном горы пробурена направленная или наклонная скважина, служащая водоводом, таким образом, что ее забоем пересечен склон горы и он сопряжен с дневной поверхностью, при этом за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, за зону стока принято пересечение скважины со склоном горы - дневной поверхностью либо пересечение скважины с нижерасположенной штольней, в качестве теплогенератора принят вихревой теплогенератор, который установлен под динамический уровень и напор воды, достаточные для его работы, а тепловодопотебитель подключен в зоне стока скважины через ее обвязку.
Она позволяет вырабатывать тепловую энергию в буровой скважине. Недостаток ее заключается в том, что она не позволяет одновременно с выработкой тепловой энергии вырабатывать и электрическую энергию, а условия ее применения ограничены только гористой местностью.
За прототип заявляемого изобретения «Гидрогеоэнергостанции» по первому пункту формулы изобретения принят «Гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции» (решение Роспатента от 21.12.2007 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2006128649/06(031117), поданной 07.08.2006 г. М.кл. F03B 13/06; F03B 13/10), как наиболее близкое устройство предлагаемому. Устройство включает: источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, являющейся зоной поглощения, установленную в водоводе, являющемся скважиной, гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, в котором гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, турбобур и электробур агрегатированы путем соединения их корпусов посредством переводника и якоря-шпинделя электрорбура с ротором турбобура, электробур расположен выше турбобура, корпус электробура соединен с нижним концом колонны труб для электробурения, верхний конец которых закреплен на устье скважины, например, посредством роторного стола и лебедки или с помощью домкрата, в которых установлены отрезки электрокабелей и их контактные соединения, представляющие собой электрическую линию связи электробура с электропреобразователем, в переводнике выполнены отверстия, сообщающие скважину с гидравлическим входом турбобура и гидравлическим каналом якоря-шпинделя электробура, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или перебуренная скважиной подземная водоносная зона или зоны и сообщенные с ней, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, гидроагрегат установлен под динамический уровень, напор которого достаточен для выработки электрической энергии.
В скважинном гидроагрегате обеспечивается соответствие требуемым жестким скважинным условиям его работы, это - его малые габариты (диаметр), работа электрогенератора в воде (жидкости) при высоких ее давлениях, в том числе содержащей абразивные включения, осуществление передачи выработанной гидроагрегатом электрической энергии от гидроагрегата (часто с забоя) на дневную поверхность по специальному, закрепленному в бурильной колонне труб скважинному кабелю, выполняющему, в том числе, роль грузонесущей линии, минимум затрат на реализацию работоспособного устройства и приспособленного к процессу бурения - монтаж и эксплуатация которых осуществляются только через устье скважины и с применением оборудования и инструмента, используемых при бурении. Однако использование его не позволяет одновременно с выработкой электроэнергии вырабатывать и тепловую энергию с возможностью теплогидроаккумулирования ее в подземном интервале.
Недостаток гидрогеоэнергостанции, принятой за прототип по первому пункту изобретения, заключается в том, что она не позволяет одновременно вырабатывать и электрическую и тепловую энергию в горячей воде, теплогидроаккумулировать, хранить ее в подземном интервале с возможностью последующего транспортирования к теплопотребителю (на дневную поверхность).
Принятая за прототип гидрогеоэнергостанция по первому пункту формулы изобретения предусматривает для нагрева воды в скважине (в составе скважинного гидроагрегата) использование электронагревательного элемента, подключенного к электрогенератору скважинного гидроагрегата. Она проста по конструктивному исполнению, однако энергоэффективность выработки ею тепловой энергии не лучшая, что требует (при прочих равных условиях, имеется ввиду выработка аналогичной тепловой мощности) больших затрат первичной (гидравлической) мощности скважинного гидроэнергопотока.
Поэтому предлагается второй, более сложный в конструктивном исполнении, но более энергоэффективный, вариант гидрогеоэнергостанции.
Известна гидроэнергостанция (патент на изобретение РФ №2290531 «Гидроэнергостанция» по заявке №2004133262/06, поданной 15.11.2004 г. М.кл. F03B 13/00; F25B 29/00), содержащая источник воды и сформированное посредством плотины водохранилище, сообщающееся по меньшей мере с одним водоводом, в нижней части которого установлена гидравлическая машина, например гидротурбина, соединенная с электрогенератором, выход которого соединен с электропотребителем, она снабжена по меньшей мере одним вихревым теплогенератором, сообщенным своим входом с водохранилищем дополнительным водоводом, а выходом соединенным посредством трубопровода с теплопотребителем, при этом водоводы снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками и расходомерами для обеспечения равенства расхода источника воды сумме расходов воды через водоводы, подключенные к гидротурбине и теплогенератору.
В качестве теплогенератора в ней предусматривается использование вихревого теплогенератора, который с более высокой энергоэффективностью вырабатывает тепловую энергию в сравнении с электротеплопреобразовательным элементом. Недостатком известной гидроэнергостанции является то, что в ней для установки вихревого теплогенератора используется отдельный водовод (наряду или параллельно с водоводом для установки гидротубины электрогенератора), что усложняет конструкцию станции.
За прототип заявляемого изобретения «Гидрогеоэнергостанции» по второму пункту формулы изобретения также принят «Гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции» (решение Роспатента от 21.12.2007 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2006128649/06(031117), поданной 07.08.2006 г. М.кл. F03B 13/06; F03B 13/10), как наиболее близкое устройство предлагаемому. Устройство включает: источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, являющейся зоной поглощения, установленную в водоводе, являющемся скважиной, гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, в котором гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, турбобур и электробур агрегатированы путем соединения их корпусов посредством переводника и якоря-шпинделя электрорбура с ротором турбобура, электробур расположен выше турбобура, корпус электробура соединен с нижним концом колонны труб для электробурения, верхний конец которых закреплен на устье скважины, например, посредством роторного стола и лебедки или с помощью домкрата, в которых установлены отрезки электрокабелей и их контактные соединения, представляющие собой электрическую линию связи электробура с электропреобразователем, в переводнике выполнены отверстия, сообщающие скважину с гидравлическим входом турбобура и гидравлическим каналом якоря-шпинделя электробура, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или перебуренная скважиной подземная водоносная зона или зоны и сообщенные с ней, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, гидроагрегат установлен под динамический уровень, напор которого достаточен для выработки электрической энергии.
Недостаток устройства, принятого за прототип по второму пункту заявляемого изобретения, заключается в том, что она не позволяет одновременно вырабатывать и электрическую и более эффективно тепловую энергию в горячей воде, теплогидроаккумулировать, хранить ее в подземном интервале с возможностью последующего транспортирования к теплопотребителю (на дневную поверхность).
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании гидрогеоэнергостанции, которая позволяла бы: а) осуществлять одновременную выработку и тепловой, и электрической энергии; б) теплогидроаккумулировать тепловую энергию в горячей воде, а также хранить ее в подземном коллекторе; в) осуществлять транспортирование горячей воды из подземного коллектора к ее теплопотребителю на дневной поверхности; г) осуществлять работу (п.п. а-г) как в гористой местности, так и в других условиях рельефа поверхности.
Согласно изобретению по первому варианту гидрогеоэнергостанции, включающей источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, являющейся зоной поглощения, установленную в водоводе, являющемся скважиной, гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, в котором гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, турбобур и электробур агрегатированы путем соединения их корпусов посредством переводника и якоря-шпинделя электрорбура с ротором турбобура, электробур расположен выше турбобура, корпус электробура соединен с нижним концом колонны труб для электробурения, верхний конец которых закреплен на устье скважины, например, посредством роторного стола и лебедки или с помощью домкрата, в которых установлены отрезки электрокабелей и их контактные соединения, представляющие собой электрическую линию связи электробура с электропреобразователем, в переводнике выполнены отверстия, сообщающие скважину с гидравлическим входом турбобура и гидравлическим каналом якоря-шпинделя электробура, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или перебуренная скважиной подземная водоносная зона или зоны и сообщенные с ней, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, гидроагрегат установлен под динамический уровень, напор которого достаточен для выработки электрической энергии, при этом гидрогеоэнергостанция снабжена проточным для скважинного водотока скважинным электронагревателем, соединенным с гидроагрегатом с его нижней стороны, а его электронагревательный элемент соединен с выходом турбобура, зоной стока является поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, например, сформированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, и она дополнительно включает добычную скважину, которой перебурен сфомированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, сообщенный с ней.
Реализация признаков первого варианта гидрогеоэнергостанции за счет напора воды в скважине, воздействующего на гидроагрегат в скважине, его электрогенератор, нагруженный частично на скважинный электронагреватель, позволяет:
1. Одновременно вырабатывать и электрическую и тепловую энергию в горячей воде. За счет напора воды в скважине гидравлическая мощность потока гидротурбиной преобразуется в механическую мощность, действующую на ее валу. С ротором гидротурбины соединен якорь электрогенератора и механическая энергия гидротурбины преобразуется в электрическую энергию. Посредством электрокабелей часть выработанной электроэнергии поступает на дневную поверхность - к электропотребителю, а другая часть - на электронагревательный элемент, расположенный в скважине ниже гидроагрегата и соединенный с ним. Проходящая и контактирующая с его нагретой поверхностью вода нагревается и далее движется в зону стока - подземный коллектор.
2. Теплогидроаккумулировать горячую воду в подземном коллекторе, соединенном со скважиной в нижней ее части. В нем она может храниться.
3. Транспортировать (в любое время) горячую воду из подземного коллектора к ее потребителю, расположенному на дневной поверхности. Для этого заявляемая гидрогеоэнергостанция снабжена добычной скважиной.
В случае когда устье добычной скважины расположено выше положения подземного коллектора, заполненного горячей водой, добычная скважина является водоподъемной и должна быть оборудована водоподъемным устройством. Когда устье добычной скважины расположено ниже положения подземного горячеводного коллектора (горные условия), добычная скважина является свободно поточной и не требует оборудования ее водоподъемной (насосной) установкой.
4. Осуществлять ее работу в различных условиях рельефа земной поверхности - как в гористой местности, так и в других условиях. Объясняется это тем, что для осуществления подземного теплогидроаккумулирования и хранения тепловой энергии в горячей воде, нет разницы каков рельеф земной поверхности над подземным коллектором.
5. Вырабатывать одновременно и тепловую и электрическую энергию с использованием одного водовода (одной скважины), что упрощает ее конструкцию.
Согласно изобретению по второму варианту гидрогеоэнергостанции, включающей источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, являющейся зоной поглощения, установленную в водоводе, являющемся скважиной, гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, в котором гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, турбобур и электробур агрегатированы путем соединения их корпусов посредством переводника и якоря-шпинделя электрорбура с ротором турбобура, электробур расположен выше турбобура, корпус электробура соединен с нижним концом колонны труб для электробурения, верхний конец которых закреплен на устье скважины, например, посредством роторного стола и лебедки или с помощью домкрата, в которых установлены отрезки электрокабелей и их контактные соединения, представляющие собой электрическую линию связи электробура с электропреобразователем, в переводнике выполнены отверстия, сообщающие скважину с гидравлическим входом турбобура и гидравлическим каналом якоря-шпинделя электробура, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или перебуренная скважиной подземная водоносная зона или зоны и сообщенные с ней, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, гидроагрегат установлен под динамический уровень, напор которого достаточен для выработки электрической и тепловой энергии, при этом гидрогеоэнергостанция снабжена скважинным вихревым теплонагревателем дискового типа, соединенным с гидроагрегатом с его нижней стороны, зоной стока является поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, например, сформированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, и она дополнительно включает добычную скважину, которой перебурен сфомированный путем трещинообразования гидроразрывом коллектор сообщенный с ней.
Реализация признаков второго варианта гидрогеоэнергостанции позволяет за счет напора воды в скважине воздействовать на гидротурбину, один конец ротора которой соединен с якорем электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, а другой его конец соединен с активатором вихревого теплогенератора дискового типа, вырабатывающего тепловую энергию в горячей воде. При этом возможности гидрогеоэнергостанции, практически, аналогичны возможностям ее первого варианта, указанным выше в п.п.1-5, за исключением п.1.
Отличие заключается в том, что в ней энергоэффективность выработки тепловой энергии вихревым теплогенератором выше в сравнении с электротеплопреобразователем электронагревателя в гидрогеоэнергостанции по первому варианту. Использование вихревого теплогенератора для выработки тепловой энергии на предлагаемой гидрогеоэнергостанции позволяет осуществлять это с большей энергоэффективностью, что подтверждается достигнутыми известными решениями. Это позволяет получать одинаковую тепловую мощность при меньших затратах для этого первичной гидравлической мощности.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению.
Заявленная гидрогеоэнергостанция (варианты) иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 изображена гидрогеоэнергостанция по первому варианту, на фиг.2 - гидрогеоэнергостанция по второму варианту.
н
в
На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: 1 - источник воды; 2 - турбобур (гидротурбина); 3 - ротор гидротурбины; 4 - уплотняющие элементы; 5 - электробур (электрогенератор); 6 - контактно-распределительный блок; 7 - скважинный проточный электронагреватель (СПЭ-Н); 8 - электронагревательный элемент СПЭ-Н; 9 - электрокабель от электрогенератора к СПЭ-Н; 10 - вихревой теплогенератор дискового типа; 11 - активатор вихревого теплогенератора дискового типа; 12 - скважина; 13 - перфорированный отрезок трубы в интервале пересечения скважины с поглощающим интервалом 14; 14 - поглощающий интервал скважины (зона стока); 15 - колонна труб для электробурения; 16 - перфорированная часть обсадной трубы - устройство регулирования расхода воды; 17 - перфорированный, с возможностью его поворота с отверстиями 18 патрубок - устройства регулирования расхода воды; 18 - отверстия в патрубке 17; 19 - жесткое соединение колонны труб 15 с обсадной трубой; 20 - добычная скважина; 21 - перфорированный отрезок трубы в скважине 20; 22 - водоподъемные трубы; 23 - насос с электродвигателем; 24 - оголовок; 25 - задвижка; 26 - манометр; 27 - станция управления; 28 - линия электроснабжения; 29 - электрокабель от колонны труб для электробурения; 30 - электропреобразователь; Н - напор водяного «столба»; Н - глубина положения поглощающего интервала (аккумулирующего горячую воду коллектора).
Ввиду плотности графического материала на фиг.1 и 2 не указаны имеющиеся фактически контрольно-измерительные приборы (КИП), установленные, в частности, расходомеры-счетчики количества, термометры, манометры - на устьях скважин и в скважинах; уровнемеры - в скважинах; расходомеры-счетчики количества, термометры, манометры - на выходе добычной скважины к тепловодопотребителям.
В гидрогеоэнергостанции по первому варианту (фиг.1) скважина 12 сообщена с источником воды 1, представляющим собой ручей природного происхождения (она может быть сообщена и с подземным источником воды - подземной водоносной зоной либо и с поверхностным источником, и с подземным). Устьевая часть скважины обсажена обсадной колонной труб, перфорированная часть 16 которой предназначена для регулирования расхода воды, поступающей из источника воды 1 в скважину. Снаружи перфорированной части обсадной трубы 16 установлен с возможностью поворачиваться на ней перфорированный патрубок 17 так, что отверстия 18 его перфорации могут совпадать с отверстиями перфорированной части обсадной трубы 16, а при другом угле поворота патрубка 17 - не совпадать.
Этим двум положениям патрубка соответствует либо «открытое», либо «закрытое» положения для движения жидкости из источника 1 в скважину.
В скважине, на ее устье посредством жесткого соединения 19 с обсадной трубой установлена колонна труб для электробурения 15 с соединительной муфтой на нижнем конце. К муфте подсоединен электробур 5 (работает в генераторном режиме). В колонне труб для электробурения 15 встроен электрокабель так, что при соединении отдельных труб (в колонну) соединяются и отрезки кабелей в них. В контактно-распределительном блоке 6 выполнена коммутация выхода электрогенератора с кабелем к СПЭ-Н 9 и с электрокабелем в колоннах труб 15 к электропреобразователю 30. К электробуру с нижней его стороны подсоединена гидротурбина с ротором 3, в качестве которой использован турбобур 2. В соединении корпусов электробура и турбобура (между ними) выполнены отверстия, посредством которых заколонный (кольцевой) объем скважины сообщается с гидравлическим каналом (его входом) турбобура. Кольцевой канал между стенками скважины и корпусом турбобура уплотнен посредством уплотнительного элемента (резинового кольца) 4. Колонна труб 15, жестко закрепленная на устье скважины, является опорным элементом и воспринимает реактивный момент, возникающий при работе гидротурбины, соединенной с электробуром (электрогенератором). К турбобуру 2 с его нижней стороны подсоединен скважинный проточный электронагреватель СПЭ-Н 7 с электронагревательным элементом 8, нагреваемая поверхность которого контактирует с «проходящей» через него водой. Скважиной 12 перебурен поглощающий интервал 14, а интервал пересечения скважины с ним обсажен отрезком перфорированной трубы 13. В рассматриваемом примере поглощающий интервал является зоной, представленной фильтрующими породами, в частности, водоносной (с не движущейся в ней водой) зоны с возможностью замещения в ней воды.
Через отверстия в отрезке перфорированной трубы 13 горячая вода поступает в поглощающий интервал 14, заполняя его. В заявляемой гидрогеоэнергостанции пробурена и освоена добычная скважина 20. Для подъема горячей воды она оборудована водоподъемными трубами 22. В нижней части водоподъемной колонны труб установлен перфорированный отрезок трубы 21 и погружной насос 23 с электродвигателем, к которому подведена электроэнергия от линии электроснабжения 28. К оголовку 24 добычной скважины посредством задвижки 25 присоединен теплопотребитель.
ст
д
н
Статический уровень в скважине составляет Н=310 м. Динамический уровень при сообщении скважины с источником воды находится на устье скважины и составляет Н=0 м. Таким образом, динамический напор (суммарный), воздействующий на гидротурбину и вихревой теплогенератор (потребляемый ими) дискового типа, составляет Н=310 м.
Расход воды через устьевое регулирующее устройство поступающей из источника воды 1 в скважину составляет 1000 л/мин. Глубина положения кровли проницаемой теплоаккумулирующей подземной зоны составляет L=430 м. Наибольшая мощность этой зоны составляет 36 м.
г
н
г
3H
н
3
3
Максимальная гидравлическая мощность N, развиваемая гидроэнергетическим потоком в скважине при напоре равном Н=310 м и расходе воды равном Q=1 м/мин, составляет около N=50 кВт, а вырабатываемое тепло при этом составляет 71000 ккал/ч. Электрическая мощность погружного насоса в добычной скважине составляет N=50 кВт, а его производительность Q=0,7 м/мин.
В гидрогеоэнергостанции по второму варианту (фиг.2) скважина 12 сообщена с источником воды 1, представляющим собой ручей природного происхождения (она может быть сообщена и с подземным источником воды - подземной водоносной зоной либо и с поверхностным источником, и с подземным). Устьевая часть скважины обсажена обсадной колонной труб, перфорированная часть 16 которой предназначена для регулирования расхода воды, поступающей из источника воды 1 в скважину. Снаружи перфорированной части обсадной трубы 16 установлен с возможностью поворачиваться на ней перфорированный патрубок 17 так, что отверстия 18 его перфорации могут совпадать с отверстиями перфорированной части обсадной трубы 16, а при другом угле поворота патрубка 17 - не совпадать. Этим двум положениям патрубка соответствует либо «открытое», либо «закрытое» положения для движения жидкости из источника 1 в скважину.
В скважине, на ее устье посредством жесткого соединения 19 с обсадной трубой установлена колонна труб для электробурения 15 с соединительной муфтой на нижнем конце. К муфте подсоединен электробур 3 (работает в генераторном режиме). В колонне труб для электробурения 15 вмонтирован электрокабель так, что при соединении отдельных труб (в колонну) соединяются и отрезки кабелей в них. В контактно-распределительном блоке 6 выполнена коммутация выхода электрогенератора с кабелем в колонне труб 15 к электропреобразователю 30. К электробуру с нижней его стороны подсоединена гидротурбина с ротором 3, в качестве которой использован турбобур 2. В соединении корпусов электробура и турбобура (между ними) выполнены отверстия, посредством которых заколонный (кольцевой) объем скважины сообщается с гидравлическим каналом (его входом) турбобура. Кольцевой канал между стенками скважины и корпусом турбобура уплотнен посредством уплотнительного элемента (резинового кольца) 4. К турбобуру с его нижней стороны присоединен вихревой теплогенератор дискового типа 10. Колонна труб 15, жестко закрепленная на устье скважины, является опорным элементом и воспринимает реактивный момент, возникающий при работе гидротурбины и вихревого теплогенератора дискового типа.
Отверстия в соединении электробура с турбобуром являются сообщениями заколонного объема скважины с входом гидравлического канала гидротурбины. При указанной сборке колонны труб 15, гидротурбины, вихревого теплогенератора дискового типа 10 и открытом положении патрубка 17, как регулирующего устройства, вода из источника 1 по перфорационным отверстиям 18, отверстиям в перфорированной части обсадной трубы 16, по кольцевому каналу скважины движется вниз - в поглощающий интервал скважины 14. При этом она движется через отверстия в соединении электробура с турбобуром, поступает на вход гидротурбины, с выхода которой поступает на вход вихревого теплогенератора 10, выходные каналы которого направлены в сторону поглощающего интервала скважины 14.
Скважиной перебурен поглощающий интервал 14 (поглощающая зона). В рассматриваемом примере поглощающей зоной является зона, представленная фильтрующими породами, в частности водоносная (с не движущейся в ней водой) зона с возможностью замещения в ней воды.
Скважина в нижней своей части обсажена перфорированной трубой. Через отверстия в ней горячая вода поступает в поглощающий интервал 14, заполняя его. В заявляемой гидрогеоэнергостанции пробурена и освоена добычная скважина 20. Для подъема горячей воды она оборудована водоподъемными трубами 22. В нижней части водоподъемной колонны труб установлен перфорированный отрезок трубы 21 и погружной насос 23 с электродвигателем, к которому подведена электроэнергия от линии электроснабжения 28. К оголовку 24 добычной скважины посредством задвижки 25 присоединен теплопотребитель.
ст
д
н
Статический уровень в скважине составляет Н=310 м. Динамический уровень при сообщении скважины с источником воды находится на устье скважины и составляет Н=0 м. Таким образом, динамический напор (суммарный), воздействующий на гидротурбину и вихревой теплогенератор (потребляемый ими) дискового типа, составляет H=310 м.
Расход воды через устьевое регулирующее устройство поступающей из источника воды 1 в скважину составляет 1000 л/мин. Глубина положения кровли проницаемой теплоаккумулирующей подземной зоны составляет L=430 м. Наибольшая мощность этой зоны составляет 36 м.
г
н
г
3
Максимальная гидравлическая мощность N, развиваемая гидроэнергетическим потоком в скважине при напоре равном Н=310 м и расходе воды равном Q=1 м/мин, составляет около N=50 кВт, а вырабатываемое тепло при этом составляет 71000 ккал/ч.
эн
н
3
Электрическая мощность погружного насоса в добычной скважине составляет N=50 кВт, а его производительность Q=0,7 м/мин.
Работает гидрогеоэнергетическая скважина по второму варианту (фиг.2) следующим образом.
Работа в заготовительно-теплоаккумулирующем режиме. Добычная скважина 20 находится в отключенном (неработающем) состоянии, при этом от станции управления 27 отключен погружной электродвигатель насоса 23. Теплопотребитель отключен вентилем 25 от водоподъемной трубы 22.
н
3
Заготовка и теплоаккумулирование горячей воды в поглощающем интервале 14 осуществляется, как правило, в летнее время в паводковый период. При этом вода из источника воды 1 при открытом положении отверстий патрубка 17 поступает в скважину 12, наполняя ее и приводя в динамическое состояние, при котором динамический уровень в скважине повышается. В динамическом состоянии часть воды ниже динамического уровня движется к зоне поглощения, заполняя ее горячей водой. По мере заполнения скважины динамический уровень устанавливается на отметке, совпадающей с устьем скважины. При таком его положении напор на гидротурбину и вихревой теплогенератор составляет Н=310 м, и гидротеплоэлектроагрегат развивает мощность в 50 кВт. Проходя через вихревой теплогенератор дискового типа вода нагревается, при этом с выхода вихревого теплогенератора 10 по скважине в поглощающий интервал 14 поступает горячая вода с температурой 95°С и в нем накапливается, поскольку интервал поглощения является непроточным. Контрольно-измерительными приборами, установленными в скважине и на ее устье (не показаны), осуществляется контроль и регистрация параметров нагреваемой и закачиваемой в поглощающий интервал воды, в частности: ее температуры, расхода и количества, давления. Эти параметры контролируются и регистрируются с использованием датчиков аналогичных параметров, установленных и в добычной скважине. В период заготовки горячей воды заполнение поглощающего интервала осуществляется в обоснованном объеме, в том числе с учетом объема системы отопления, которая будет функционировать в отопительный период. Для рассматриваемого примера гидрогеоэнергостанции этот объем составляет 20000 м. После того, как указанный объем горячей воды закачен в поглощающий интервал, процесс работы гидрогеоэнергостанции в заготовительно-теплоаккумулирующем режиме заканчивается.
В течении всего периода работы гидрогеоэнергостанции в заготовительно-теплоаккумулирующем режиме ею вырабатывается и электрическая энергия. Осуществляется это посредством того, что вращение ротора 3 гидротурбины передается соединенному с ним якорю-шпинделю электробура 5, работающего в генераторном режиме. Выработанная электробуром электрическая энергия по электрокабелю, установленному в бурильных трубах для электробурения 15, передается на электропреобразователь 30 на дневной поверхности, в котором преобразуется до требуемого качества. С него она направляется к электропотребителям.
Состояние преобразованного в горячую воду и закаченного для теплоаккумулирования и его хранения в подземной водоносной зоне теплоносителя в горячей воде контролируется по показаниям измерительных приборов: температуры, объема, уровня и др.
Работа в теплоэлектроснабжающем режиме. В этом режиме подключаются к работе добычная скважина 20 путем подключения ее к станции управления 27 линии электроснабжения 28 погружного насоса 23. Открывают вентиль 25 и горячая вода по водоподъемным трубам 22 из поглощающего интервала 14 подается теплопотребителю. «Отдавшая» тепло горячая вода от теплопотребителя (обратная) направляется вновь в скважину на следующий цикл ее движения по системе теплоснабжения. При этом из питательной емкости в систему циркуляции на вход скважины через регулирующее устройство (патрубок 17) добавляется требуемое количество воды для обеспечения циркулирующего в системе объема.
Вырабатываемая при этом электроэнергия от электропреобразователя 30 (требуемого качества) по линии электроснабжения 28 направляется к электропотребителю.
Работа гидрогеоэнергетической скважины по первому варианту (фиг.1) в заготовительно-теплоаккумулирующем и в теплоэлектроснабжающем режиме аналогична работе гидрогеоэнергетической скважины по второму варианту за исключением работы схемы электротеплопреобразования, которая описана ниже.
н
Работа схемы элекротеплопреобразования по первому варианту изобретения. При динамическом состоянии скважины напор на гидротурбину Н=310 м, и гидротеплоэлектроагрегат развивает мощность в 50 кВт. Вырабатываемая электрогенератором (электробуром, работающем в режиме электрогенератора) электрическая энергия поступает на контактно-распределительный блок 6, а от него - на скважинный проточный электронагреватель СПЭ-Н 7, а посредством кабеля в трубах 15 - на электропреобразователь 30 на дневной поверхности. Проходя через скважинный проточный электронагреватель 7, вода нагревается, при этом с выхода скважинного проточного электронагревателя СПЭ-Н 7 по скважине в поглощающий интервал 14 поступает горячая вода с температурой 95°С и в ней накапливается (аккумулируется), поскольку интервал поглощения является непроточным. Контрольно-измерительными приборами, установленными в скважине и на ее устье (не показаны) осуществляется контроль и регистрация параметров нагреваемой и закачиваемой в поглощающую зону воды, в частности: ее температуры, расхода и количества, давления. Эти параметры контролируются и регистрируются с использованием датчиков аналогичных параметров, установленных и в добычной скважине.
Заявляемая гидрогеоэнергостанция позволяет достичь поставленный перед изобретением технический результат.
Следует отметить, что вырабатываемые и реализуемые с использованием заявляемой гидрогеоэнергостанции энергоносители имеют невысокую себестоимость, электроэнергия - близка себестоимости электроэнергии, вырабатывемой на ГЭС, а горячая вода по себестоимости ее производства близка к геотермальной энергии, которая в 5-30 раз ниже стоимости энергии, вырабатываемой котельными на традиционных видах топлива (Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л., Щелоков Я.М. Энергосбережение. Справочное пособие, г.Екатеринбург, РИА «Энерго-ПРЕСС», ЭПК УТГУ-УПИ, 1999 г., стр.3 8-39), но прогнозируется еще меньшей, ввиду меньших затрат на сооружение менее глубоких скважин.
Работа заявляемой гидрогеоэнергостанции наиболее эффективна в местностях децентрализованного энергообеспечения, где имеются необходимые для ее работы условия.
Ее применение позволит снизить затраты на осуществление «северного завоза» органического топлива.
Ввиду того что заявляемая гидрогеоэнергостанция базируется на экологически чистой технологии производства тепловой энергии, а ее внешний вид не создает впечатления промышленно-индустриального объекта с традиционными дымовыми трубами, она с успехом может быть использована в районах размещения рекреационных объектов (отдыха и лечения), ландшафтного туризма, а также в особо охраняемых природных зонах - заповедниках и заказниках.
Кроме того, размещение тепло- и электроисточника - скважины и добычной скважины заявляемой гидрогеоэнергостанции в земных недрах «делает» ее более скрытной и неуязвимой, в сравнении с другими энергоисточниками.
Относительно скрытности. В настоящее время обнаружение энергообъектов легко осуществляется с использованием инфракрасных, в том числе оптических систем. Теплоэнергоисточник предлагаемой гидрогеоэнергостанции такими системами не может быть обнаружен, так как ее тепловое излучение экранируется слоем горных пород, расположенных выше теплогидроаккумулирующей зоны, скважины и добычной скважины.
Относительно неуязвимости. Расположенные над теплоэлектроисточником - гидрогеоэнергостанцией масса горных пород велика и разрывы снарядов на земной поверхности (при попытках ее уязвимости) не сказываются на ее работоспособном состоянии. Этим объясняется большая живучесть предлагаемой гидрогеоэнергостанции, а также возможность двойного применения ее в гражданских технологиях и в военных целях, в том числе в военные периоды.