Введение к работе
з .
Актуальность работы. Актуальность работы заключается в необходимости поиска альтернативных источников энергии и минерального сырья из-за ограниченности запасов традиционных источников. Геотермальные ресурсы имеют несколько составляющих: их можно рассматривать одновременно как источник электрической и тепловой энергии и как источник минеральных соединений.
Комплексное использование геотермальных ресурсов увеличит рентабельность уже действующих теплоэнергетических линий и привлечет к эксплуатации новые геотермальные месторождения. Извлечение химических соединений необходимо также для очистки пара перед подачей на турбину для уменьшения заноса проточной части, для борьбы с коррозией и образованием твердых отложений на поверхности теплотехнического оборудования. Примеры использования только "энергетической" составляющей преобладают в современной практике над примерами комплексного использования геотермальных ресурсов. Недостаточное развитие технологии, промышленных испытаний аппаратов и теоретического исследования процессов извлечения химических соединений сдерживает развитие самой геотермальной энергетики.
Перспективным для решения этой задачи представляется применение ци-клонно-вихревых устройств, способных отделять концентрированный конденсат от парогазового потока. Моделирование тепломассопереноса в циклонном аппарате и геотермальной скважине позволит выбирать параметры рациональной эксплуатации.
Исследование и эксплуатация геотермальных систем- сложная, многоплановая научно-техническая проблема. Ее решение требует применения комплекса методов: геологических, геохимических, геофизических, теплофизических и т.д. С помощью математического моделирования тепломассопереноса в геотермальной системе можно установить диапазон значений давления флюида, проницаемости пород и выбрать на этой основе рациональную схему эксплуатации в условиях, когда применение других методов исследования затратно или невозможно.
Кроме того, термодинамические параметры и химический состав геотермального флюида имеют особенности на каждом месторождении, в разных скважинах одного месторождения и в одной и той же скважине в разные моменты времени. В настоящее время отсутствуют развитые универсальные ме-
тоды прогноза давления, температуры и химического состава геотермального флюида при всех возможных условиях эксплуатации геотермальной системы.
Исследования выполнялись в рамках темы по плану научно-исследовательской работы НИГТЦ ДВО РАН, соответствующему постановлениям Президиума ДВО РАН:
"Геотермальные энергосберегающие геотехнологии: разработка теоретических основ и геотехнологии использования ультракислых рудоносных геотермальных растворов высокотемпературных (Т>400С) магматогенных геотермальных систем в геоэнергетике и гидрометаллургии" (5.1.17, 5.1.6, 2.1.4, № гос. регистрации 01.99.00 10609).
Цель работы. Разработка методики расчета термодинамических параметров и химического состава геотермального теплоносителя на пути от флюидо-проводящей зоны до теплотехнического оборудования для выработки рациональных приемов комплексного использования.
Идея работы состоит в том, что для совершенствования технологии комплексной эксплуатации геотермальных ресурсов нужна модель, адекватно отражающая физико-химические процессы Как в природной системе, так и в скважине и теплотехническом оборудовании.
Методы исследований. Цель, поставленная в работе, достигнута с использованием следующих методов исследований: сбор по каналам связи Internet и анализ информации по современным проблемам в области изучения и комплексного использования геотермальных ресурсов; аналитические расчеты в задаче фильтрации и при исследовании структуры закрученного потока; численное моделирование на персональном компьютере струйного движения газа в канале добывающей скважины и движения одиночной капли в закрученном потоке циклонного аппарата; физико-химическое моделирование равновесного состава геотермального флюида; обработка результатов испытаний геотермальных скважин Мутновского месторождения.
Основные научные положення, выносимые на защиту:
-
Методика расчета давления, аксиальной и радиальной компонент скорости закрученного потока циклонно-вихревых устройств, основанная на аппроксимации профиля тангенциальной скорости распределением экспоненциального типа и использовании модели полой закрученной турбулентной струи.
-
Основные полученные аналитические зависимости: 1. Связь между давлением, расходом газового флюида, проницаемостью материала флюидопрово-дящей зоны и глубиной залегания кровли магматической камеры в геотермальной системе вулкана Мутновский; 2. Формулы распределения аксиальной и ра-
диальной компонент скорости и давления закрученного потока; 3. Аналитический вид формул для предельного минимального размера dmjn и порогового размера дробления dc капель в циклонно-вихревых устройствах.
-
Установленные особенности движения и массообмена капли в закрученном потоке, которые позволяют выбирать рациональные параметры циклонно-вихревых устройств при извлечении химических соединений (H2SO4, НС1, HF): а), изменение концентрации веществ в капле конденсата в большей степени зависит от времени движения в аппарате, чем от скорости обтекания газовым потоком; б), диапазон размеров капель, в которых следует ожидать значительные относительные концентрации поглощенных при движении в камере веществ, находится в пределах о* = (l-3)-dmin.
-
Метод прогноза химического состава, использованный для оценки величины газосодержания, концентраций основных газов и затрат на обработку при добыче и транспорте геотермального флюида в производственной деятельности ОАО "Камчатскэнерго" (ОЭС ДВ Востокэнерго, РАО ЕЭС России).
Достоверность научных положений, вытекающих из них выводов и рекомендаций обеспечивается:
исходными посылами работы, основой которых являются физические законы фильтрации, термодинамики, тепломассообмена, гидродинамики и механики;
сопоставимостью с данными комплексных исследований флюидопрово-дящей зоны под кратером Куджу-Ивоява (о.Куюши, Япония);
сопоставимостью результатов экспериментальных зондовых измерений скорости и давления в закрученном газовом потоке циклонно-вихревых устройств с предлагаемыми теоретическими аппроксимациями этих характеристик;
- соответствием результатов численного моделирования параметров
движения дисперсной фазы (координат и скоростей) экспериментальным дан
ным по движению крупных угольных частиц, полученным методом фотостро
боскопии;
-сопоставимостью результатов моделирования химического состава двухфазного пароводяного теплоносителя с результатами испытания геотермальных скважин 4Э, 016, 26 Мутновского месторождения.
Научная новизна:
- построена физическая модель тепломассопереноса в высокотемператур
ной магматогенной геотермальной системе с учетом конвекции и пузырения в
расплаве, фильтрации газа и теплообмена; получена связь между параметрами
флюидопроводящей зоны (ФПЗ) и газового флюида; оценены проницаемость материала ФПЗ и давление газа на входе во флюидопроводник;
на основе оценки потенциальной производительности скважины получила разработку проблема извлечения геотермальной энергии; -
развит метод прогноза химического состава геотермального теплоносителя в двухфазной области;
исследованы и сопоставлены модели структуры закрученного потока в циклонно-вихревых устройствах в широком диапазоне режимно-конструктивных параметров и выявлены их преимущества; установлен правильный аналитический вид функций распределения давления, аксиальной и радиальной компонент скорости в закрученном потоке;
выполнена алгоритмическая и программная реализация модели движения и массообмена дисперсной жидкой фазы в циклоне, учитывающей следующие особенности: а) неоднородная структура потока; б) деформация и дробление капель; в) изменение размера капель в пересыщенной среде;
получены аналитические формулы для предельного минимального размера dmin и порогового размера дробления de капель в закрученном потоке циклонного конденсатора.
Практическая ценность:
результаты расчетов по массопереносу в высокотемпературной магмато-генной геотермальной системе под кратером Активная Воронка (АВ) в. Мут-новский позволяют оценивать давление и проницаемость в подобных системах, имеющих флюидопроводящую зону и камеру с дегазирующим расплавом;
результаты моделирования тепломассопереноса в геотермальной скважине и в ФПЗ применимы при решении проблемы извлечения тепловой энергии и минеральных соединений из высокотемпературных геотермальных систем;
метод прогноза величины газосодержания, концентраций газов и химического состава водной фазы гидротермального теплоносителя применим в производственных условиях ГеоТЭС;
результаты исследования структуры закрученного потока могут быть использованы при проектировании циклонно-вихревых аппаратов;
- на основе аналитических аппроксимаций предельного минимального
размера dmin и порогового размера дробления dc даны рекомендации по выбору
рациональных параметров циклонного конденсатора, включенного в схему
комплексной эксплуатации геотермального флюида.
Реализация работы. Результаты моделирования химического состава многокомпонентного геотермального флюида использованы организацией
ОАО "Камчатскэнерго"( ОЭС ДВ Востокэнерго, РАО ЕЭС России) для прогноза газосодержания при разделении двухфазного теплоносителя в сепараторе и определения эффективных мер по обработке сепарата (подкисление, подщела-чивание) для снижения риска появления твердых отложений в скважинах обратной закачки Верхне-Мутновской ГеоЭС.
Личный вклад соискателя заключается в следующем:
построена качественная модель тепломассопереноса в геотермальной системе под кратером АВ; рассчитаны параметры процессов свободной конвекции и пузырения в расплаве;
получена связь между давлением флюида в ФПЗ, глубиной залегания очага, проницаемостью материала ФПЗ и удельным массовым расходом флюида, на основе чего выявлен диапазон вероятных значений давления и проницаемости;
проведена схематизация фильтрации флюида в призабойном пространстве скважины, дренирующей флюидопроводящую зону магматогенной системы, определены значения коэффициента фильтрационного сопротивления и оценена производительность скважины; реализована на ПЭВМ модель нестационарного потока флюида в геотермальной скважине и выявлены факторы, влияющие на температуру добываемого флюида;
обработаны результаты гидрогазохимического опробывания геотермальных скважин 016, 26,4Э Мутновского месторождения;
на основе профиля тангенциальной скорости и модели полой турбулентной струи аналитическим расчетом установлен вид распределения давления, аксиальной и радиальной компонент скорости в закрученном потоке; проведено сопоставление теоретических профилей тангенциальной скорости и давления на точность соответствия экспериментальным данным;
построена и реализована на ПЭВМ модель движения и тепломассообмена одиночной жидкой капли в закрученном потоке циклона; установлены особенности поведения капли в неоднородном закрученном потоке и вид формул, аппроксимирующих предельный минимальный размер и пороговый размер дробления; даны рекомендации по выбору рациональных режимно-конструктивных параметров циклонного конденсатора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной конференции Института Вулканической Геологии и Геохимии ДВО РАН в марте 1999 г., на научно-практической конференции "Геология и полезные ископаемые" в апреле 1999г. (г. Петропавловск-Камчатский), на расширенном заседании отдела геотермии и геохимии Института Вулканологии ДВО РАН
(25.11.99), на Ученом Совете Научно-исследовательского Геотехнологического Центра (НИГТЦ) ДВО РАН (22.12.97, 21.12.99), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Камчатского Государственного Технического Университета в 1996,. 1997, 1998, 1999 гг. (Кафедра Физики и Кафедра Экологии и Природопользования).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано шесть статей и 2 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы около 200 страниц, с 27 рисунками и библиографией из 140 наименований.