Термодинамика геотермального теплоснабжения

Использование альтернативных источников энергии в народном хозяйстве – одно из актуальных задач современной энергетики. Геотермальное теплоснабжение – одно из направлений альтернативной энергетики. Термодинамика геотермального теплоснабжения изучена недостаточно хорошо. По степени водоотдачи геотермальные скважины разделяются на высокодебитные (0.02 м³/с и более), среднедебитные (0.005–0.02 м³/с) и малодебитные (менее 0.005 м³/с).

Температура отдельных геотермальных вод колеблется в довольно широких пределах. Поэтому температура как критерий для подразделения подземных вод по их качественным показателям нашла отражение во многих зарубежных и отечественных классификациях. В связи с разносторонним подходом к оценке геотермальных вод по их качественным показателям и значительной условностью при выборе температурного диапазона единой классификации пока нет.

Геотермальные воды по степени минерализации подразделяются [3] на пресные (до 1г/л), слабосолоноватые (1–3г/л), солоноватые (3–5 г/л), сильносолоноватые (5- 10 г/л), слабосоленые (10- 20 г/л) соленые (20- 35 г/л), сильносоленые (35- 50 г/л), слабые рассолы (50- 75 г/л), рассолы (75- 100 г/л) и крепкие рассолы (более100 г/л). Для нужд теплоэнергетики могут быть использованы и высокоминерализованные воды, однако в каждом конкретном случае необходимо находить оптимальные технико-экономические решения.

Подразделение геотермальных вод по химическому признаку основано на классификации Сулина. При этом выделяются четыре типа вод: гидрокарбонатно- натриевый, сульфатно-натриевый, хлормагниевый, хлоркальциевый.

По газовому составу геотермальные воды подразделяются на агрессивные (углекислые и сероводородные) и нейтральные (азотные и метановые).

Химический и газовый состав геотермальных вод, а также минерализация наряду с энергетическим потенциалом должны учитываться при выборе схемы или системы теплоснабжения. На начальной стадии проектирования следует решить следующие вопросы:

1. Может ли геотермальная вода с данным химическим и газовым составом, минерализацией непосредственно подаваться в системы отопления горячего и технического водоснабжения?
2. Может ли данная геотермальная вода подвергаться догреву?
3. Какие устройства могут быть использованы для преобразования энергетического потенциала геотермальных вод?
4. Каковы необходимые методы водоподготовки?

По тепловому потенциалу геотермальные воды можно разбить на следующие группы: Перегретые более (100 ⁰ С), Высокотермальные (60–100 ⁰ С), Термальные (40–60 ⁰ С), Слаботермальные (до 40 ⁰ С).

Улучшение технико-экономических показателей теплоэнергетического использования геотермальных вод требует применения различных технических приспособлений и агрегатов, использующих органическое топливо, электроэнергию, химические вещества как в сфере их использования, так и утилизации. К таким агрегатам относятся, например, котельные, теплообменники, артезианские и сетевые насосы, электрокотлы, тепловые насосы, холодильные машины. Поэтому, чтобы оценить получаемую и используемую энергию геотермальных вод, целесообразно воспользоваться общим термодинамическим методом анализа — эксергетическим методом, позволяющим оценить работоспособность энергии в соответствии со вторым началом термодинамики.

Составим эксергетический график Грассмана и энергетический график Сенки для отопления [1] (рис 1). Предположим, что температура пластовой воды на сбросе 65 ⁰ С, температура воды у потребителя 60⁰ С и температура воды при сбросе 30 ⁰ С. Контрольная поверхность I показывает потери в стволе скважины, II- в тепловой сети, III — потери со сбросом, IV — потери при теплообмене в отопительном отделе.

Анализ графиков показывает, что значительные потери эксергии имеют место и в стволе скважины, и в тепловой сети. Энергетический баланс дает заниженное значение потерь.

Потери эксергии в стволе зависят от разности температур воды в пласте t_пл, как правило, от геотермической ступени Г конкретного района и глубины скважины Н и определяется по формуле

Где — глубина залегания слоя с постоянной температурой пород на глубине нейтрального слоя; — температура горных пород на глубине .

При достаточно больших дебитах скважин (около 0,04- 0,07 м³/с) и глубинах , равных 1500- 2500 м,

Рис. 2. Изменение температуры в устьях скважин при различных дебитах: 1- скважина 2- скважина 3- скважина 4- скважина 5- скважина

Разность незначительна (1–2⁰С) и ряд авторов при оценке энергетического потенциала скважин этой величиной пренебрегают. При малых и средних дебитах геотермальных скважин температура воды на устье скважины в значительной мере зависит от фактического дебита и срока ее эксплуатации.

Проведенные в лаборатории геотермии Даг ЭНИН измерения температуры геотермальной воды в устьях скважин (рис 2) в зависимости от [2] эксплуатационного дебита показывают, что при уменьшении дебита значение уменьшается и разность температур велика. Так, при уменьшении дебита скважины от 0,012 до 0,006 м³/с разность температур составила 20 ⁰ С. Точная оценка значения возможна в случае строгого решения сопряженной задачи нестационарного теплообмена потока геотермальной воды в скважине с окружающим ее горным массивом.

Литература:

1. Гаджиев А. Г., Курбанов М. К., Султанов Ю. И. и др Проблемы геотермальной энергетики Дагестана. М.: Недра,1980.
2. Гаджиев А. Г. Возооновляемая энергия — важный источник топливно-энергетических ресурсов. — Плановое хозяйство, 1981, № 9.
3. Дворов И. М. Глубинное тепло Земли. М.: Наука, 1972.