Введение к работе
Актуальность проблемы. Современная энергетика, являющаяся важнейшим сектором экономики, базируется на традиционных видах топлива (уголь, нефть, природный газ), на долю которых приходится более 80% производства энергии. Энергетика, основанная на ископаемых видах топлива, не может гарантировать устойчивое развитие экономики на длительную перспективу из-за роста цен на топливо и их нестабильности и является одной из основных причин, отрицательно влияющих на окружающую среду.
Основой современной энергетической политики стали меры, направленные на повышение эффективности использования энергии, энергосбережение, а также сокращение или ослабление воздействия энергетических объектов на окружающую среду. Такая стратегия характерна для возобновляемых источников энергии. Одним из перспективных видов возобновляемой энергии является геотермальная энергия, и уже сейчас накоплен значительный опыт ее практического использования.
Для повышения эффективности использования геотермальной энергии необходимо решить комплекс проблем, связанных с созданием и эксплуатацией рентабельных геотермальных энергетических систем.
Экономика геотермальной энергетики будет зависеть, прежде всего, от снижения стоимости и увеличения темпов проходки геотермальных скважин, от развития способов увеличения их производительности, оптимизации конструкционно-технологических и режимных параметров соответствующих геотермальных систем. В этих условиях актуальной является проблема разработки эффективных технологий извлечения из недр геотермальной энергии и рациональных схем ее использования.
Существенный вклад в развитие отечественной геотермии внесли такие ученые, как М.Г. Алишаев, Р.М. Алиев, А.Б.Алхасов, Р.Б. Ахмедов, С.С. Бондаренко, Э.И. Богуславский, Г.М. Гайдаров, И.М. Дворов, Ю.Д. Дядькин, В.И. Кононов, М.К. Курбанов, Д.А. Лабунцов, Б.Ф. Маврицкий, К.М. Магомедов, Ф.А. Макаренко, О.А. Поваров, Г.М. Сухарев, Н.М. Фролов, Г.А. Череменский, А.А. Шпак, Э.Э. Шпильрайн и многие другие.
Обзор состояния освоения геотермальных ресурсов показывает, что вопросы повышения эффективности их добычи и использования на основе методов математического моделирования недостаточно изучены.
Процессы, происходящие в геотермальных системах (одиночная скважина, геотермальная циркуляционная система (ГЦС), многозабойная скважина), столь разнообразны и подвержены влиянию многих факторов, что их учет, а тем более управление ими при их эксплуатации становится весьма сложной проблемой. Это объясняется как сложностью взаимодействия системы скважина-пласт, так и сложностью технологических процессов эксплуатации соответствующих систем. Подробное математическое описание и изучение этих процессов из-за влияния множества постоянных, переменных и случайных факторов и отсутствия необходимой начальной информации не всегда представляется возможным. Поэтому необходимо привлекать к рассмотрению и изучению процессов эксплуатации и управления различными геотермальными системами современные методы анализа сложных систем, основанные на оптимизации. В последнее время для этих целей широко используются принципы моделирования.
Применение таких методов позволяет повысить качество функционирования рассматриваемых систем, улучшить их технико-экономические показатели. Применительно к геотермальным системам, для которых проблема повышения конкурентоспособности геотермальной энергии является актуальной, использование таких методов весьма перспективно.
Создание надежных методов и моделей оптимизации геотермальных систем является одним из важнейших звеньев в цепи взаимосвязанных проблем освоения тепловой энергии недр.
Целью работы является разработка математических моделей различных геотермальных систем и их применение для повышения эффективности добычи и использования геотермальных ресурсов на основе оптимизации конструкционно-эксплуатационных параметров и режимов их эксплуатации.
Основными задачами работы являются:
- анализ современного состояния освоения геотермальной энергии и выявление факторов, сдерживающих ее дальнейшее развитие;
- исследование теплофизических и технологических процессов в геотермальных коллекторах и системах;
- разработка математических моделей эксплуатации различных геотермальных систем для анализа и исследования процессов, протекающих в них;
- постановка и исследование оптимизационных задач и задач оптимального управления на основе разработанных моделей;
- разработка алгоритмов и методик расчета оптимальных параметров и режимов эксплуатации различных геотермальных систем;
- анализ и исследование эффективности использования горизонтальных технологий бурения в геотермальной энергетике и оптимизация конструктивных и эксплуатационных параметров различных геотермальных систем с горизонтальными скважинами;
- разработка многокритериальных моделей принятия решений в геотермальных системах и их анализ;
- исследование и анализ эффективности эксплуатации различных геотермальных систем в оптимальных режимах.
Объектом исследования являются геотермальные энергетические системы и процессы, протекающие в них.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы: термодинамического и энергетического анализа, системного анализа, математического моделирования, математического программирования, теории оптимального управления, теории оптимизации, теории принятия решений, исследования операций.
Достоверность и обоснованность диссертационных исследований определяются корректным применением методов исследований, подтверждаются результатами вычислительных экспериментов, проверкой результатов, полученных на основе разработанных моделей с данными эксплуатации конкретных месторождений термальных вод, успешным внедрением разработанных алгоритмов по расчету конструкционно-эксплуатационных параметров различных геотермальных систем в оптимальном режиме эксплуатации, что отражено в актах внедрения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана методология комплексного исследования систем добычи и использования геотермальной энергии на основе математического моделирования, позволяющая анализировать различные проблемы повышения эффективности, возникающие при их эксплуатации.
2. Разработаны принципиально новые математические модели различных геотермальных систем: ГЦС, комбинированной системы геотермального теплоснабжения с пиковым отопителем, геотермального месторождения.
3. Получены:
- функция оптимального управления изменением давления насосов в геотермальной циркуляционной системе;
- формула для расчета оптимально-отапливаемой площади помещения на основе комбинированной системы геотермального теплоснабжения с пиковым отопителем;
- функция оптимального управления изменением мощности пикового отопителя в комбинированной системе геотермального теплоснабжения;
- функция оптимального управления изменением количества добычных и нагнетательных скважин при разработке геотермального месторождения.
4. Сформулированы и математически доказаны теоремы о существовании оптимальных решений в соответствующих задачах оптимального управления для ГЦС и комбинированной системы геотермального теплоснабжения с пиковым отопителем.
5. Разработаны и предложены алгоритмы построения функций оптимального управления технологическими параметрами геотермальных систем в различных условиях для соответствующих моделей.
6. Построены модели геотермальных систем с горизонтальными скважинами:
- одиночной скважины;
- ГЦС;
- ГЦС, на базе которой построена геотермальная электростанция (ГеоЭС);
- многозабойной скважины;
Получены математические выражения для расчета оптимальных конструкционно-эксплуатационных параметров соответствующих геотермальных систем с горизонтальными скважинами.
Получена приближенная формула расчета дебита многозабойной геотермальной скважины с горизонтальными стволами.
7. Построены модели принятия решений в условиях многокритериальности для различных геотермальных систем:
- ГЦС;
- круговой батареи с одной нагнетательной и n – добычными скважинами;
- многозабойной скважины.
8. Построена математическая модель оптимизации поведения производителя геотермального тепла на рынке одного товара. Получена функция оптимального управления спросом.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методологические основы и принципы комплексного исследования систем добычи и использования геотермальной энергии на основе методов математического моделирования с использованием теории оптимального управления.
2. Математические модели геотермальных систем: ГЦС, комбинированной системы геотермального теплоснабжения с пиковым отопителем, геотермального месторождения, для решения задач оптимального управления режимами их эксплуатации.
3. Математические модели геотермальных систем с горизонтальными скважинами: одиночной скважины, ГЦС, многозабойной скважины.
4. Модели принятия решений в условиях многокритериальности для различных геотермальных систем: ГЦС, круговой батареи с одной нагнетательной и n – добычными скважинами, многозабойной скважины.
5. Математическая модель оптимизации поведения производителя геотермального тепла на рынке одного товара при условии получения максимума дохода.
6. Алгоритмы построения оптимальных режимов эксплуатации и методики расчетов оптимальных конструкционно-эксплуатационных параметров различных геотермальных систем.
Практическая ценность работы:
- полученные автором результаты в развитии концепции комплексного исследования систем добычи и использования геотермальных ресурсов подтверждают необходимость применения интегрированных подходов и методов, основанных на оптимизации и теории оптимального управления.
- разработанные модели, методы, алгоритмы и рекомендации для принятия оптимальных решений по управлению эксплуатацией различных геотермальных систем добычи и использования геотермальной энергии, позволяют повысить их эффективность, улучшить рентабельность и конкурентоспособность геотермальной отрасли по сравнению с традиционными энергетическими отраслями;
- полученные расчетные соотношения для оптимальных параметров и алгоритмы определения оптимальных режимов их эксплуатации могут быть использованы при эксплуатации действующих и при проектировании разработки новых месторождений термальных вод, для выбора оптимальных схем освоения геотермальной энергии;
- результаты исследований представляют интерес для вузов, в учебные программы которых входят дисциплины, связанные с математическим моделированием, теорией оптимального управления, теорией оптимизации, теорией принятия решений, тепломассообменом, гидродинамикой, с использованием возобновляемых источников энергии.
Реализация результатов работы.
Результаты работы по оптимизации геотермальной циркуляционной системы, системы геотермального теплоснабжения, комбинированной системы геотермального теплоснабжения с пиковым отопителем, алгоритмы по расчету оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров различных геотермальных систем, оптимальных режимов их эксплуатации приняты ОАО ТЭК «Геотермнефтегаз» для внедрения и используются на геотермальных месторождениях при дальнейшем освоении геотермальной энергии.
Учебные варианты разработанных математических моделей, алгоритмов расчета оптимальных параметров, задач оптимального управления и принятия решений используются в учебном процессе при преподавании дисциплин «Геотермальная энергетика», «Возобновляемые источники энергии», «Теория оптимального управления», «Математическое моделирование», «Математические методы и модели в экономике», «Теория принятия решений» в Дагестанском государственном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных итоговых научных сессиях ДНЦ РАН (г. Махачкала), 12-й Всесоюзной конференции «Системы программного обеспечения решения экономических задач» (г. Нарва Йыэссуу, 1992), Международной конференции «Математические модели в геотермомеханике и технологии нефтегазодобычи» (г. Махачкала, 1995), Международном семинаре «Возобновляемые источники энергии: проблемы и перспективы» (г. Махачкала, 1997), 3-й Межгосударственной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, экономике и образовании», VII международной научно-практической конференции «Экономико-организационные проблемы проектирования и применения информационных систем» (г. Ростов-на-Дону, 2003), Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», (г. Махачкала, 2005), IV Общероссийской конференции «Новейшие технологические решения» (г. Москва, 2006), X и XI международных научно-практических конференциях «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. С-Петербург, 2006, 2007 гг.), научно-практической конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы ЮФО», (г. Махачкала, 2006), научной конференции «Проблемы физики полупроводников и теплофизики», (г. Баку, 2007), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ- 2007», (г. Астрахань, 2007), XXXIV Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2007), V Международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления, экономики, права и инновационных процессов в образовании» (г. Таганрог, 2007), Шестой международной теплофизической школе «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством» (Тамбов, 2007), Международном семинаре «Возобновляемые источники энергии: материалы и технологии» (Махачкала, 2007).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 60 публикациях, в том числе в 1 монографии, 1 препринте, в 11 статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, в 11 статьях в научных сборниках, в 36 статьях в материалах международных, всероссийских и региональных конференций и семинаров.
Личный вклад. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично, как в индивидуальных исследованиях, так и при участии в работах, выполняемых в рамках научных тем Института проблем геотермии ДНЦ РАН.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 226 наименований, и приложений. Общий объем работы - 265 страниц машинописного текста. Работа содержит 45 рисунков и 39 таблиц.
Работа выполнялась в рамках плановых научных тем Института проблем геотермии ДНЦ РАН «Геотермальные ресурсы Восточного Предкавказья и разработка методов их комплексного освоения», «Использование геотермальной энергии для производства электроэнергии и тепла», «Разработка эффективных технологий использования и преобразования геотермальной энергии».
