Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы изучения и использования геотермальной энергии II
1.1. Использование геотермальной энергии за рубежом 11
1.2. Отечественный опыт использования геотермальной энергии 14
1.3. Анализ состояния и перспектив разработки геотермальных месторождений Восточно-Предкавказского артезианского бассейна 18
ГЛАВА 2. Совершенствование способов добычи геотермальной энергии 25
2.1. Совместно-раздельная добыча пресных низкопотенциальных и термальных минерализованных вод одной скважиной 26
2.2. Исследование гидродинамического и теплового режимов в скважинах по совместно-раздельной добыче 41
2.3. Разработка оптимальных конструкций геотермальных скважин для снижения потерь тепла при добыче теплоносителя 55
2.4. Определение теплофизических характеристик геотермальных скважин по результатам гидротермических исследований 74
2.5. Перспективы и эффективность использования горизонтальных технологий бурения в геотермальной энергетике 79
ГЛАВА 3. Повышение эффективности использования геотермальной энергии 92
3.1. Тешганасосные системы низкопотенциального геотермального теплоснабжения 94
3.2. Системы теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах 123
3.3. Технологические системы добычи и использования среднепотен-циальных термальных вод с внутрискважинными теплообменниками... 133
3.4. Теплопередача в внутрискважинных теплообменниках 143
3.5. Совместное использование термальных и поверхностных вод в орошаемом земледелии , 153
ГЛАВА 4. Электроэнергетическое использование геотермальной энергии 165
4.1. Термодинамический анализ и выбор низкокипящих теплоносителей для двухконтурных ГеоЭС 167
4.2. Разработка технологических схем двухконтурных ГеоЭС 171
4.3. Оптимизация параметров двухконтурных ГеоЭС 179
4.3.1. Оптимизация термодинамического цикла, реализуемого во вторичном контуре ГеоЭС 180
4.3.2. Оптимизация технологических параметров первичного контура ГеоЭС 191
4.4. Исследование теплообмена и структуры двухфазного потока в
внутрискважинном теплообменнике двухконтурной ГеоЭС 201
4.5. Комбинированные геотермально-парогазовые энергоустановки 213
ГЛАВА 5. Методы комплексной утилизации высоко параметрических термоминеральных ресурсов 220
5.1. Извлечение и использование газа, растворенного в термальных водах 221
5.2. Перспективы использования вихревых труб при утилизации растворенного газа 228
5.3. Утилизация избыточной потенциальной энергии геотермальных скважин 239
5.4. Перспективы использования пароэжекторных установок при утилизации геотермальной энергии 242
5.5. Перспективы комплексного освоения высокопараметрических гидротермоминеральных ресурсов 248
Заключение 252
Список литературы
- Отечественный опыт использования геотермальной энергии
- Исследование гидродинамического и теплового режимов в скважинах по совместно-раздельной добыче
- Системы теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах
- Разработка технологических схем двухконтурных ГеоЭС
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основой современной энергетической политики стал поиск мер, направленных на повышение эффективности использования энергии, энергосбережение, сокращение или ослабление воздействия энергетических объектов на окружающую среду. Такая стратегия характерна для нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Одним из перспективных видом возобновляемой энергии является геотермальная энергия, где накоплен значительный опыт ее практического использования. Несмотря на накопленный опыт доля геотермальной энергии в топливно-энергетическом балансе России незначительна. Установленная мощность ГеоЭС составляет 73 МВТ, а мощность энергоустановок прямого использования тепла — 307 МВт. Скромные масштабы современной геотермальной энергетики явно не соответствуют богатой ресурсной базе.
Для обеспечения заметного вклада геотермальной энергии в топливно-энергетический баланс страны необходимо решить большой комплекс технологических, теплофизических, геомеханических, гидрохимических, гидрогеологических и других проблем, связанных с созданием и эксплуатацией рентабельных геотермальных энергетических систем. Со временем геотермальные энерготехнологические системы и комплексы должны играть существенную роль в развитии народного хозяйства.
Экономика геотермальной энергетики будет зависеть, прежде всего, от снижения стоимости и увеличения темпов проходки геотермальных скважин и от развития способов увеличения их производительности. Необходимо разработать эффективные технологии извлечения из недр геотермальной энергии и рациональные схемы ее использования.
Создание надежных методов гидродинамических, термодинамических и оптимизационных расчетов геотермальных систем является одним из важнейших звеньев в цепи взаимосвязанных проблем освоения тепловой энергии недр.
Целью работы является решение важной народно-хозяйственной и научной проблемы - повышение термодинамической эффективности освоения геотермальной энергии и разработка новых эффективных технологических систем ее добычи и преобразования и методов их расчета.
В соответствии с целевым направлением работы задачами исследования явились:
анализ современного состояния освоения геотермальной энергии и выявление факторов сдерживающих ее дальнейшее развитие;
разработка способов повышения энергоотдачи путем совместной эксплуатации термальных и слаботермальных вод одной скважиной;
изучение влияния конструктивных и гидродинамических параметров геотермальной скважины на ее термодинамические характеристики для разработки рекомендаций по оптимизации добычи тепловой энергии;
изучение эффективности использования горизонтальных технологий бурения в геотермальной энергетике и оптимизация конструктивных и эксплуатационных параметров горизонтальных скважин;
изучение современного состояния использования низкопотенциальной геотермальной энергии и разработка технологических систем ее эффективного освоения;
разработка технологических систем добычи и использования средне-потенциальной геотермальной энергии и метода их теплового расчета;
анализ состояния применения термальных вод в сельском хозяйстве и разработка способа и рекомендаций по эффективному совместному использованию термальных и поверхностных вод в орошаемом земледелии;
термодинамический анализ и выбор наиболее оптимальных низкоки-пящих теплоносителей для двухконтурных ГеоЭС;
разработка эффективных технологических схем и оптимизация конструктивно-эксплуатационных параметров двухконтурных ГеоЭС;
разработка эффективных способов использования струйных трансформаторов тепла при комплексной утилизации геотермальной энергии;
разработка методов комплексной утилизации высокопараметрических термоминеральных ресурсов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
обоснована целесообразность добычи одной скважиной термальных минерализованных и слаботермальных пресных вод, разработаны конструкция совмещенной скважины и технологические схемы систем по совместно-раздельной добыче, предложены методы гидродинамического и теплового расчетов таких систем;
предложены методы снижения тепловых потерь в стволе эксплуатационной скважины и методика определения ее теплофизических характеристик, разработана конструкция скважины с дополнительной теплоизолированной колонной и проведены исследования по оптимизации ее конструктивных параметров;
обоснована высокая эффективность строительства горизонтальных скважин при освоении геотермальной энергии и разработана методика определения оптимальных параметров таких скважин;
разработаны технологические схемы теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) с низкопотенциальными термальными водами в качестве первичного источника теплоты, проведены исследования по оптимизации обратного термодинамического цикла и увеличению коэффициента преобразования энергии (КПЭ), составлена математическая модель теплопередачи в грунтовом теплообменнике ТСТ и получены соотношения для определения температуры промежуточного теплоносителя и радиуса теплового влияния теплообменника;
предложены технологические схемы геотермальных циркуляционных систем (ГЦС) для добычи среднепотенциальных термальных вод с внутрисква-жинными теплообменниками и разработаны конструкции таких теплообменников, исследованы процессы теплопередачи в теплообменниках и приведены
7 расчетные соотношения для определения температурных напоров со стороны
греющего и нагреваемого теплоносителей по высоте теплообменников;
разработаны технология совместного использования термальных минерализованных и поверхностных вод для орошения и математическая модель для определения оптимальных параметров (температуры и минерализации) поливных вод, способствующих увеличению урожайности сельскохозяйственных культур;
предложены технологические схемы двухконтурных ГеоЭС, позволяющие повысить эффективность использования геотермальной энергии и проведены исследования по оптимизации термодинамического цикла, реализуемого во вторичном контуре ГеоЭС и параметров первичного контура (ГЦС) из которых следует, что существует оптимальная температура испарения низкоки-пящего рабочего агента, соответствующая максимуму мощности, вырабатываемой турбиной и оптимальный дебит ГЦС, соответствующий максимуму полезной мощности ГеоЭС;
установлено, что наиболее перспективными являются ГеоЭС на сверхкритических параметрах низ ко кипящего рабочего агента;
проведены исследования по изучению теплообмена и структуры двухфазного потока низкокипящего рабочего агента в внутрискважинном теплообменнике двухконтурной ГеоЭС, установлено, что теплообменник эффективен только для нагрева теплоносителя до температуры насыщения;
разработаны технологические схемы комбинированных геотермально-парогазовой и геотерм ал ьно-парогенераторной энергоустановок и показана их высокая эффективность при создании сверхкритических циклов;
разработаны ряд технологических схем комплексной утилизации высокопараметрических термоминеральных ресурсов и показана высокая эффективность использования в технологических схемах струйных трансформаторов тепла (вихревых труб, струйных компрессоров).
8 Основные положения, выносимые на защиту.
Конструктивные параметры и технологические схемы систем по совместно-раздельной добыче, методы их гидродинамического и теплового расчетов.
Методы снижению тепловых потерь в стволе эксплуатируемой геотермальной скважины и методика определения ее теплофизических характеристик.
Технологические схемы ТСТ с низкопотенциальными термальными водами и грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах, расчетные соотношения для определения параметров промежуточного теплоносителя и радиуса теплового влияния скважины-теплообменника.
Технологические схемы ГЦС с внутрискважинными теплообменниками, конструкции теплообменников и расчетные соотношения для определения их тепловых режимов.
Технология совместного использования термальных и поверхностных вод для получения поливных вод оптимальных параметров.
Результаты исследований по оптимизации термодинамического цикла, реализуемого во вторичном контуре ГеоЭС и параметров первичного контура, исследования по ГеоЭС на сверхкритических параметрах низкокипящего агента, технологические схемы двухконтурных и комбинированных ГеоЭС.
Способы комплексной утилизации геотермальной энергии с использованием пароэжекторных установок для получения холода и вихревых труб для технологической подготовки сопутствующих газов.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные технологические схемы систем добычи, использования и преобразования геотермальной энергии, способы повышения их энергетической эффективности и методы расчета при их практической реализации позволят повысить рентабельность и конкурентоспособность геотермальной отрасли по сравнению с традиционными энергетическими отраслями.
Реализация результатов работы. Разработки по совместно-разделной добыче, ТСТ с низкопотенциальными термальными водами, комплексной утилизации со струйными трансформаторами тепла, двухконтурньш и комбинированным ГеоЭС приняты АО «Геотермнефтегаз» для внедрения при дальнейшем освоении геотермальной энергии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных итоговых научных сессиях ДНЦ РАН (г.Махачкала), Международном симпозиуме социалистических стран «Геотермические исследования и использование термальных вод в народном хозяйстве» (г.Сухуми, 1985), Всесоюзном научном семинаре «Использование подземных вод на орошение» (г.Баку, 1986), I Всесоюзной конференции «Проблемы социальной экологии» (г.Львов, 1986), 9 теплофизической конференции СНГ (г. Махачкала, 1992), Международной конференции по сверхкритической экстракции (г. Махачкала, 1995), Международной конференции «Математические модели в геотермомеханике и технологии нефтегазодобычи» (г. Махачкала, 1995), Международном семинаре «Возобновляемые источники энергии: проблемы и перспективы» (г.Махачкала, 1997), Международной конференции «Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане» (г. Махачкала, 1999), Научно-практической конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кавказа и прилегающей акватории Каспия» ( г. Махачкала, 2001).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 5 патентов Российской Федерации на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 218 наименований. Общий объем работы 276 страниц машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков и 36 таблиц.
Работа выполнялась в рамках плановых научных тем Института проблем геотермии Дагестанского научного центра РАН «Геотермальные ресурсы
10 Восточного Предкавказья и разработка методов их комплексного освоения»,
«Использование геотермальной энергии для производства электроэнергии и тепла» и «Разработка эффективных технологий использования и преобразования геотермальной энергии».
За высказанные замечания и советы при оформлении работы автор выражает искреннюю благодарность профессору Магомедову К.М.
Отечественный опыт использования геотермальной энергии
Изучению, освоению и практическому использованию термальных вод посвящены работы Алишаева М.Г., Алиева P.M., Ахмедова Р.Б., Бондаренко С.С., Богуславского Э.И., Гайдарова Г.М., Дворова И.М., Дядькина Ю.Д., Кононова В.И., Курбанова М.К., Лабунцова Д.А., Маврицкого Б.Ф., Магомедова К.М., Макаренко Ф.А., Поварова О.А,, Сухарева Г.М., Фролова Н.М., Черемен-ского Г.А., Шпака А.А., Шпильрайна Э.Э и других авторов [6, 7, 8, 23, 28, 29, 46, 47, 51, 63, 64,70, 72, 73, 93, 94, 105, 107, 111, 118, 119, 121, 124, 144, 145, 189, 194,196, 197,199].
Геотермальная энергетика в СССР стала развиваться с середины шестидесятых годов, когда впервые были созданы Северокавказская разведочная экспедиция по бурению и реконструкции нефтегазовых скважин на термальные воды (1964 г.), а затем соответствующие промысловые управления по использованию глубинного тепла Земли в различных районах Кавказа и на Камчатке. С 1970 по 1990 годы добыча термальной воды была увеличена в 9 раз, а природного пара в 3,2 раза. В 1990 г. было добыто 53 млн. м3 термальной воды и 413 тыс. т природного пара.
В настоящее время геотермальное производство имеется в двух республиках бывшего Союза: России и Грузии. В России геотермальное производство сконцентрировано на Северном Кавказе и на Камчатке. Внутри Северокавказского региона выделяются Дагестан и Краснодарский край, где ежегодно до-бывается по 8 - 10 млн. м термальной воды температурой 50-110 С. До 1990 года геотермальная вода добывалась и в Чеченской республике ( 8 млн. м в год).
В Дагестане вода добывается на девяти водозаборах, работающих в основном в прерывистом режиме, только в отопительный период по двухконтур-ной системе. Наиболее интенсивно эксплуатируются Махачкала-Тернаирское, Кизлярское и Избербашское месторождения термальных вод. Всего в Дагестане геотермальным теплоснабжением пользуются 80 тыс. человек [137].
На Кизлярском месторождении термальная вода ( 98 -103 С) из восьми добычных скважин поступает в резервуары термораспределительной станции, где происходит отделение неконденсирующихся газов, далее вода поступает на теплообменники, где отдает свой тепловой потенциал низкопотенциальной ( 46 С) воде апшеронского горизонта, поднимающейся с глубины 1000 м. Нагретая вода апшеронского горизонта подается в отопительные приборы, а отработанная минерализованная вода чокракского водоносного горизонта идет на сброс в канал Кизляр-Каспий и на закачку обратно в пласт. Из добываемой в отопительный период 2 млн. м3 воды обратно по двум нагнетательным сква-жинам закачивается 860 тыс. м .
Годовая добыча теплоэнергетических вод по месторождению Махачка-ла-Тернаир составляет 1,3 млн. м . По Махачкалинскому водозабору годовой объем добычи составляет 371 тыс. м3 [156].Основная часть добытой воды используется на горячее водоснабжение населения жилых массивов и промышленных предприятий, незначительная часть на розлив лечебной столовой воды и на бальнеологические процедуры.
Тернаирский водозабор функционирует только в отопительный период, вода используется на отопление жилых и промышленных объектов. Отработанная вода с температурой 60 С сбрасывается в канал К-4-1. Начаты работы по закачке отработанных вод в эксплуатируемые горизонты.
Избербашский водозабор разрабатывается в непрерывном режиме, теплоэнергетическая вода идет на горячее водоснабжение и отопление, незначи 16 тельная часть идет на розлив. Качество термальных вод месторождения соответствует питьевым лечебно-столовым, минерализация меняется в пределах 2,1 — 5,2 г/л, температура на устье 40-61 С. Годовая добыча воды составляет более 1, 4 млн. м3.
На Ханкальском геотермальном месторождении вблизи Грозного с октября 1981 г. были начаты работы по обратной закачке отработанных вод в продуктивные горизонты. Термоводозабор, эксплуатируемый в режиме ГЦС, использовался для отопления ТПК совхоза «Тепличный». Ежесуточно закачивалась до 5000 м3 отработанной воды, что привело к увеличению дебитов добычных скважин почти вдвое [2].
Чтобы обеспечить высокую экономическую эффективность термальных вод необходимо максимально использовать тепловой потенциал, чего можно достигнуть при комплексном использовании этих вод. Примером комплексного использования термальных вод служит Мостовское месторождение в Краснодарском крае. На глубине 1,7 км залегают горизонты самоизливающихся вод температурой 75 С и минерализацией до 1,5 г/л. Термальная вода от куста скважин подается в ТПК площадью 18 га. После ТПК вода температурой 40 — 45 С направляется в животноводческий комплекс. В осенне-зимний период она обогревает животноводческие помещения, подогревает питьевую воду для животных, служит для приготовления кормов, мойки животных. Отработанная термальная вода с температурой 25 - 30 С направляется в отстойники, из которых она перекачивается в рыборазводные пруды, а в весенне-летнее время - на поля орошения, главным образом на полив овощей в открытом грунте, что почти на одну треть повышает их урожайность [64]. В центре поселка Мостовский построен центральный тепловой пункт, который предназначен для снабжения горячей водой объектов жилищно-коммунального сектора [32]. Отапливаются 200 тыс. м жилых, административно-хозяйственных и культурно-бытовых зданий. Из теплофикационных сетей вода направляется в душевые и банно-прачечное хозяйство.
Исследование гидродинамического и теплового режимов в скважинах по совместно-раздельной добыче
При проектировании геотехнологической системы по совместно-раздельной добыче необходимо оптимизировать технологические параметры системы с привязкой к конкретному геотермальному месторождению, то есть необходимо определить диаметры скважин , расстояние между скважинами и дебит ГЦС, при которых стоимость добываемой энергии достигнет минимального значения [12]. Для ГЦС на Кизлярском месторождении, добывающем воду из чокракского водоносного горизонта, оптимальные значения технологических параметров составляют: диаметры скважин - 0,146 м; расстояние между скважинами - 1500 м; дебит - 40 кг/с. Полученные значения близко соответствуют, рекомендуемым для укрупненной оценки параметрам [70].
Рассмотрим ГЦС из двух скважин-теплообменников с оптимальными технологическими параметрами и изменяющихся диаметрах наружных колонн от 0,219 до 0,508 м, по которым эксплуатируется верхний пласт.
В таблице 2.2 приведены значения дебитов воды, поднимающейся в межтрубном кольцевом пространстве скважины с верхнего пласта, рассчитанные по формуле (2.6).
Диаметр колонны, добывающей воду с верхнего пласта, зависит от потребного количества пресной воды и требований, предъявляемых потребителем к температуре воды.
Из данных табл. 2.2 видно, что дальнейшее увеличение диаметра с 0,282 до 0,486 м не приводит к существенному возрастанию дебита с верхнего пласта, что свидетельствует о малой эффективности устройства наружной колонны большого диаметра. При этом, в зависимости от средневзвешенной температуры воды в межтрубном кольцевом пространстве скважины, увеличение дебита с верхнего пласта за счет эффекта термолифта составляет от 15 до 20 % .
Просчитаны различные варианты распределения температур Ті и Т2 по стволу добычной и Тз и Т4 по стволу добычно-нагнетательной скважин. Наружные диаметры обсадных колонн в контуре ГЦС, где циркулирует термальная минерализованная вода нижнего горизонта, приняты равными 0,146 м, а внутренние диаметры наружных колонн, по которым добывается слаботермальная вода верхнего горизонта, равны 0,282 м. Температура нейтрального слоя Т0 = 15 С, геотермический градиент месторождения Г = 0,033 С/м.
Регулируя, устьевыми задвижками, расходы воды с нижнего и верхнего пластов, можно получить на выходе необходимую для потребителя температуру добываемой воды.
В таблице 2.3 приведены значения температур по стволам скважин для трех ( 1 / 2 / 3 ) режимов эксплуатации геотехнологической системы: 1 - G, = G2 = G3 = G4 = 40 кг/с; 2 - Gi = G3 = 40 кг/с, G2 = G4 = 20 кг/с; З - G] = G3 = 40 кг/с, G2 = 10 кг/с, G4 = 30 кг/ с.
Из табличных данных видно, что близкое выравнивание температур Tj и Т2 в добычной скважине, в зависимости от соотношения дебитов вод, добываемых с верхнего и нижнего пластов, происходит через 200 - 400 метров по высоте совмещенной части скважины. При дальнейшем подъеме происходит некоторое снижение температуры воды поднимающейся в межтрубном кольцевом пространстве за счет увеличения потерь теплоты в горный мае сив.Температурные потери возрастают при снижении дебита с верхнего пласта и при увеличении диаметра наружной колонны за счет роста поверхности теп лообмена с горной породой.
Уменьшение потерь теплоты можно достичь теплоизоляцией наружной колонны труб. Для этого скважина обсаживается дополнительной колонной труб большего диаметра до отметки на 20-30 метров выше кровли верхнего пласта и межтрубное пространство теплоизолируют. Теплоизоляционным материалом может служить насыпной керамзит или гранулированная минеральная вата.
Системы теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах
В предгорных и горных районах Дагестана, где проживает значительное количество населения, остро стоит проблема теплоснабжения. В настоящее время теплоснабжение домов осуществляется от индивидуальных печных установок. В качестве топлива используются дрова, кизяк и каменный уголь, завозимый в республику из дальних регионов.
В этих условиях актуальным является изучение возможности использования теплонасосных технологий для теплоснабжения и горячего водоснабжения сельских потребителей. Учитывая, что в горных районах подземные воды залегают на значительных глубинах, в качестве довольно универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта земли.
Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 15-20 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экономически чистый источник тепла достаточно широко используется в США, Дании, Германии, Швейцарии, Швеции, Норвегии [214]. Накоплен некоторый опыт использования тепла грунта и в России. В ОАО «Инсолар-Инвест» в рамках Государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» разработана автоматизированная теплой асосная установка А ТНУ-10, выпускаемая ЗАО «Экомаш» [37 ].
Для широкого внедрения в практику АТНУ-10 необходимо разработать оптимальную конструкцию вертикального грунтового теплообменника, исследовать вопросы взаимного влияния теплового насоса и грунтового теплообменника и оптимизировать режимы эксплуатации всей установки.
На рис.3.10 приведена принципиальная схема вертикального грунтового теплообменника, представляющая собой два коаксиальных цилиндра. С целью предотвращения обратного оттока тепла, наружная поверхность внутренней подъемной трубы теплоизолирована. Промежуточный теплоноситель (вода, рассоль, антифриз) опускается по межтрубному кольцевому пространству теплообменника и отбирает тепло от окружающей горной породы, далее в нагретом состоянии поднимается по внутренней теплоизолированной колонне.
Конструкция вертикального грунтового теплообменника. 1- наружная колонна труб; 2- лифтовая колонна труб; 3- теплоизоляция. Процесс теплопередачи в вертикальном грунтовом теплообменнике описывается уравнением: dT, dZ GC, .(Tp+rZ,) (3.13) граничное условие 1 = 0) = 1-,, где Ті - температура промежуточного теплоносителя, С; Z - вертикальная координата, м; к - линейный коэффициент теплопередачи от горной породы к промежуточному теплоносителю, Вт/м- С; G - массовый расход промежуточного теплоносителя, кг/с; Ср — теплоемкость промежуточного теплоносителя, Дж/кг-С; Т0 - температура нейтрального слоя, С; Г - геотермический градиент, С/м; Тн - температура промежуточного теплоносителя на входе в теплообменник.
Наиболее сложно определяемым параметром в формуле (4.14) является линейный коэффициент теплопередачи, для определения которого предварительно необходимо знать радиус зоны нарушения термического режима в горной породе вокруг скважины.
Циркуляция промежуточного теплоносителя в вертикальном грунтовом теплообменнике влияет на тепловое поле вокруг скважины вследствие разности температур между породами, встреченными скважиной, и промежуточным теплоносителем. Диаметр зоны нарушения термического режима зависит от диаметра скважины, интенсивности и длительности работы грунтового теплообменника, температуры и теплофизических свойств пород и промежуточного теплоносителя.
Теоретически при циркуляции промежуточного теплоносителя температура пород должна изменяться на бесконечно большом расстоянии. Однако практически в пласте всегда можно выделить границу, за пределами которой пласт сохраняет свою естественную температуру [108]. В опубликованной литературе даются ряд отличающихся друг от друга формул для определения границы зоны нарушения термического режима [108,139,150].
Обозначим через R эффективный радиус круга, внутри которого температура пород вокруг скважины отклонена от естественного распределения. Задача определения R решается с помощью уравнения теплопроводности. В нашем случае, когда радиус возмущения R много меньше длины скважины можно рассмотреть радиальную задачу. Вводя функцию 0 которая есть отклонение температуры пород от естественного распределения получим задачу:
Разработка технологических схем двухконтурных ГеоЭС
Орошаемому земледелию, которое базируется в основном на использовании поверхностных вод, в нашей стране уделяется значительное внимание. В свое время были построены крупные ирригационные системы и водохранилища с затратой огромных средств. Между тем, во многих районах, где ощущается дефицит поверхностных вод, для орошения привлекаются подземные воды [44, 62, 141]. Развитие орошаемого земледелия с привлечением подземных вод часто оказывается более выгодным, чем повышение водообеспеченности путем строительства водохранилищ [96].
О необходимости широкого привлечения термальных вод на нужды орошения указывается в ряде работ [50,105,140], К тому же, как у нас в стране, так и за рубежом накоплен некоторый опыт использования термальных вод в орошаемом земледелии [44,74,140,188]. Ранний полив такими водами различных сельскохозяйственных культур резко ускоряет их рост и созревание, приводит к значительному увеличению урожайности. Исследованиями, проведенными российскими и зарубежными учеными, установлено, что при температуре почвы 20- 28 С рост и развитие растений обеспечиваются на протяжении всего периода вегетации. Коренное улучшение температурного режима почв при обогреве положительно сказывается на росте и развитии растений. В условиях обогрева всходы появлялись на 4-6 суток раньше, чем без него, растения развивались быстрее, формировали мощный листовой аппарат, увеличивалась их высота, ускорялось созревание урожая. Многолетние исследования показали, что обогрев почвы на фоне оптимальных водно-воздушного и питательного режимов позволяет резко повысить продуктивность почв. Урожайность кукурузы на зеленую массу возрастает на 46-64 %, капусты — на 67 %, томатов — на 53 %, огурцов — на 98 %, раннего картофеля - на 54 % при получении более ранней продукции и лучшего качества [91]. Внутрипочвенное орошение теплой сбросной водой Курской АЭС привело к следующим результатам. Урожайность культур при обогреве увеличилась по сравнению с урожайностью культур на контрольном участке: томаты - на 50 %, капуста - на 70 %, салат — на 20 %, огурцы - на 140 %, морковь - на 45 % [188].
Регулирование температуры почвы достигается путем орошения водой различной температуры. Исследования подтверждают существование вполне определенной и однозначной зависимости роста урожайности сельскохозяйственных культур от температуры воды, используемой для орошения [74,75]. Эта зависимость находится в соответствии с основными представлениями агро- и биофизики о прорастании и развитии сельскохозяйственных культур. Из этих представлений неизбежно вытекает вывод о характере функции такой зависимости, которая должна иметь экстремальное значение в виде максимума.
Неизбежность такого максимума объясняется наличием некоторых критических пределов значения температуры (высокого и низкого) при которых величина урожайности будет равна нулю, что в соответствии с теоремой Ролля, должно обеспечивать существование точек максимума или минимума монотонной функции на отрезке между упомянутыми пределами. Очевидно, что если зависимость урожайности N некоторой культуры от температуры Т поливной воды будет представлена функцией N = f (Т), значение оптимальной температуры Топт, при которой значение N достигнет максимума, находится как корень уравнения
Величина Nmax , очевидно, будет равна Nmax = N (Т0Пт)« В таком случае практическое решение задачи о повышении урожайности на основе использования термальных вод включает в себя получение поливной воды с температурой Топт путем непосредственного смещения этой воды с водой поверхностного водоисточника. При этом объемы и температуры вод можно определить из калориметрического закона где V , Tx - объем и температура поверхностной холодной воды; VT , Тт -объем и температура термальной воды; VCM , ТШ1Т - объем и температура поливной воды, полученной в результате смешения.
Под оптимальной температурой поливной воды следует понимать такую температуру, которая обеспечивает необходимый тепловой режим в корнеоби-таемом слое почвы, способствующей получению максимального урожая.
Из соотношения (3.33) могут быть получены формулы для расчета объема поливной воды на основе имеющихся объемов термальных вод (эксплуатационных запасов), и, наоборот, объемов термальных вод, необходимых для получения требуемого количества поливной воды с оптимальной температурой.
Увеличение общего годового урожая в результате использования термальных вод обусловлено как возрастанием урожайности конкретной культуры путем обеспечения оптимальной температуры поливной воды, в соответствии с закономерностью N(T) , так и возможностьто расширения площади полива при увеличении объемов поливной воды. В случае отсутствия возможности расширения площади полива за счет использования термальных вод может быть сэкономлена пресная вода в объеме, равном VT. Таким образом, в некоторых кон 156 кретных практических случаях может иметь место только первый из перечисленных факторов - возрастание урожайности.
Кратность увеличения урожая за счет применения термальных вод может быть рассчитана по формуле где є - отношение средних сезонных урожаев с использованием (UT) и без использования (Ux) термальных вод; N(Tor!T), N(TX) - урожайность с единицы площади соответственно при оптимальной и при обычной температуре поливной воды. Выражение, входящее в первую скобку, представляет собой увеличение площади полива за счет использования термальных вод. Если возможность увеличения площади полива практически отсутствует, то значение этого выражения равно единице.
Использование скважин, добывающих термальную воду на теплоэнергетические нужды, также и в орошаемом земледелии в весенне-летне-осенний периоды, когда тепловая нагрузка на объекты потребления снижается, позволит кроме увеличения урожайности повысить технико-экономические показатели геотермального производства.
