Технология освоения геотермальных ресурсов
Идея извлечения тепла горячего породного массива водой принадлежит К.Э. Циолковскому (1898 г.). В.А. Обручев ввел термин «геотермальная циркуляционная система» (ГЦС). В его научно-фантастическойповести «Тепловая шахта» искусственным коллектором служили 10-метровые «теплообменные колодцы», пройденные по концам 12-ти квершлагов из глубокого вертикального ствола в горячем гранитном массиве. Парот вскипающей в колодцах воды по трубам поступал в подземную электростанцию, отработанный конденсат возвращался под медные крышкиколодцев.
Лос-Аламосской национальной лабораторией (ЛАНЛ) в США на полигоне Фентон Хилл в штате Нью Мексиков 1977 г. была создана первая вмире геотермальная система с гидроразрывом и даже продемонстрированфонтан пара из практически непроницаемого массива горячих гранодиоритов (Гранодиори́т — магматическая плутоническая горная порода кислого состава, нормального ряда щёлочности из семейства гранодиоритов. Является промежуточной по составу между гранитом и диоритом.). Демонстрационная ГЦС с вертикальными трещинами гидроразрыва высотой 2,5 км создана в 1984-1985 гг. в Великобритании в горячемгранитном массиве Корнуолла по проекту Камборнской Горной школы.В эти годы опытные геотермальные гидроразрывы осуществлены в рядедругих стран.
С 1983 г. на Фентон Хилл была начата реализация второй фазы проекта ЛАНЛ с углублением скважины до 4 км с температурой массива до265 °С. При давлении воды ~ 48 МПа и совместном расходе от 8 насосныхагрегатов, достигавшем 111 л/с, за 61 час непрерывного нагнетания с общим объемом 21 300 м3 образовалась субвертикальная зона трещин высотой 1150 м, средней шириной 800 м. За первые месяцы циркуляционныхэкспериментов максимальный темп достигал 14,8 кг/спри напоре насоса3,5 МПа и тепловой мощности около 10 МВт. За период экспериментов наФентон Хилл извлеченная геотермальная энергия в 8 раз превосходит, втопливном эквиваленте, энергозатраты на циркуляцию.
|
|
|
Японский институт электроэнергетики опубликовал проект ГеоТЭС мощностью 55 МВт от крупной ГЦС тепловой мощностью 100 ГВт,включающей 3 скважины, которые на глубине 2 км разворачиваются вгоризонтальное положение при температуре гранита 250 °С. На этой глубине через каждые 25 м скважины пересекают 40 вертикальных трещингидроразрыва высотой по 2 км. Общий расход циркулирующей в системе воды 2430 т/час или 675 кг/с, т.е. около 17 кг/с по каждой трещине. Расчетная стоимость электроэнергии примерно в 1,5-2 раза дешевле, чемот газовой ТЭЦ или АЭС. В Японии за последние годы созданы для длительных испытаний две демонстрационных ГЦС в Хиджиори и Огачи.
Ведется строительство Европейской опытной ГЦС, финансируемоеЕЭС. Проект осуществляется совместно специалистами Германии, Франции и Великобритании в Саулт-СаутсФоритс недалеко от Страсбурга. Под2-километровой толщей осадочных пород в гранитах Рейнского грабена наглубине около 3,7 км осуществлен гидроразрыв горячих гранитов (160-170°С). Образована зона трещин 2 км2 (1300 х 1500 м). В циркуляционныхопытах получен максимальный, в сравнении с другими экспериментами,расход воды в замкнутом контуре - до 25 кг/с.
|
|
|
В России в 1991 г. СПГГИ совместно с НПО “Недра” (Ярославль) и ГИПРОНикелем осуществлен гидроразрыв гранитов с температурой более200 °С в скважине глубиной около 4 км в Тырныаузе.
Основные направления и сферы использования геотермальных ресурсов. Начало использования геотермальных теплоносителей относитсяк глубокой древности. В каменном веке стоянки древних людей во многихслучаях располагались вблизи геотермальных источников. Их использование для варки пищи и лечебных целей в бронзовом веке подтверждаетсяархеологическими документами. Древние этруски в VII в. до н. э. умелидобывать борную кислоту для выделки кож из парогидротерм Тосканы,используя их энергию для выпаривания минерализованной жидкости.Этот опыт описал Тит Лукреций (1 в.) в трактате «О природе вещей».ФранческоЛардерел сумел возродить в Тоскане этрусское искусстводобычи борной кислоты и для развития созданной компании пробурил в1827 г. первую в мире геотермальную скважину. Современные скважиныглубиной около 1 км, вскрывавшие геотермальный коллектор, открылипочти свободный выход сухого пара с температурой 185 °С.
|
|
|
В 1904 г. от природного пара в том же районе, получившем названиеЛардерелло, зажглись пять электрических светильников. В 1913 г. на основе поршневой машины на природном паре создана энергоустановка мощностью 250 кВт.В 1916 мощность первой промышленной геотермальнойэлектростанции (ГеоГЭС) возросла до 12 МВт. В 1953 г. итальянские ГеоТЭС с общей мощностью 290 МВт выработали 2,5 млрд квтч, то есть 6%всей полученной в стране электроэнергии. В настоящее время общая мощность ГеоТЭС Италии превышает 1 ГВт (1 млн кВт).Промышленная ГеоТЭСЛардерелло стала вырабатывать самую дешевую в мире электроэнергию - в 4-5 раз дешевле, чем на топливных энергоустановках.
Вслед за Италией в 1919 г. в Японии были начаты опыты по созданиюГеоТЭС на месторождении Беппу. B настоящее время мощность японскихГеоТЭС также приближается к 1 Г Вт.
|
|
|
В 1960 г. введена в эксплуатацию первая энергоустановка на крупнейшем в мире месторождении сухого пара Гейзеры в 160 км от Сан-Франциско. Быстро наращивая геотермальную энергетику на базе этого и другихместорождений, США уверенно лидировали при общей мощности Гео-ТЭС более 3 млн. кВт.
На сегодня в России созданы геотермальные энергоблоки мощностью500-25000 кВт, использующие низкие и высокотемпературные геотермальные теплоносители.
1. Бинарные геотермальные электростанции (рабочий флюид с температурой 90-120 ° С).
· С 1967 г. работает первая в мире ПаратунскаяБГеоЭС мощностью 800 кВт.
2. Геотермальные электростанции прямого цикла (рабочий флюид120-160°С):
· с 1966 г. ПаужетскаяГеоЭС мощностью 14 мВт;
· с 1992 г. ГеоЭС «Омега» на острове Кунашир мощностью 500 кВт;
· с 2002 г. эксплуатируется МутновскиеГеоЭС мощностью 50 мВт;
· в 2006 г. пущена на острове Итуруп Океанская ГеоЭС мощностью 3,4 мВт
3. Комбинированные геотермальные электростанции (рабочий флюид 100-160° С)
· Разработан проект IV блока Верхнее-МутновскойГеоЭС.
Для организации геотермального теплоснабжения достаточно иметьтемпературу геотермальных источников от 40 до 60° С, что имеет местона 80% территории России.
Привлекательными для создания электрогенерирующих мощностейсегодня являются Камчатский край, Чукотка, Курильские острова, Северный Кавказ, Калининградская область и Прибайкалье, где имеются высокотемпературные геотермальные месторождения (t>120°С).
Новый этап развития отечественной геотермальной энергетики предполагает, наряду со строительством серийных отработанных энергоблоков прямого цикла, освоение технологий использования низкопотенциальныхгеоресурсов для выработки электроэнергии и тепла, применениекоторых позволит повысить эффективность уже действующих энергоблоков и включить в энергобаланс ранее недоступные низкотемпературныеисточники.
Россия была первой в мире страной, создавшей в 1967 г. БинарнуюПаратунскую электростанцию, производящую электричество из горячейгеотермальной воды. Успешный опыт был подхвачен за рубежом и к настоящему времени уже произведено несколько тысяч геотермальных БЭСразличной мощности. Во многих регионах России, (Северный Кавказ, Калининградская область, Прибайкалье и др.), имеются в большом количестве низкотемпературные геотермальные месторождения, потенциала которых достаточно для полного их энергообеспечения.
Возрождение российских бинарных энерготехнологий и организациясерийного производства БЭС должны стать основой для широкомасштабного использования в различных регионах страны геотермальных ресурсов и других источников тепла.
В России на теплоснабжение расходуется более 45% всех потребляемых энергоресурсов. В то же время до 50-60% органических энергоресурсов, используемых на теплоснабжение, можно заменить экологическичистым и более дешевым теплом Земли.
Несмотря на значительные успехи в развитии геотермальной энергетики ее вклад в общий энергетический баланс мира пока еще не превышает долей процента. Темпы развития и результативность освоениягеотермальной энергии наиболее высоки в развитых странах. Здесь вкладгеотермальных ресурсов в энергетический баланс отдельных стран весьмазначим.
Технологические схемы добычи тепловой энергии недр:
Фонтанная технология в настоящее время доминирует при разработкегеотермальных месторождений, представленных природными проницаемыми коллекторами, содержащими флюиды (воду, рассолы, пароводяныесмеси, пар) с давлением, как правило, выше гидростатического.Фонтанная технология при всей своей простоте имеет два крупныхнедостатка: недостаточный дебит теплоносителя и сброс отработанногозагрязненного теплоносителя, охлажденного после передачи энергии потребителю.
Циркуляционная технология представлена геотермальными циркуляционными системами (ГЦС) трех типов:
· с естественными проницаемыми коллекторами,
· с преобразуемыми трещинными зонами,
· с искусственно создаваемыми коллекторами в слабопроницаемых скальных породах.
ГЦС на базе естественных коллекторов состоят из системы добычныхи нагнетательных скважин, вскрывающих пористый или трещиноватыйпласт; теплообменника, систем водогазоочистки, водоподготовки, наземной нагнетательной насосной установки, коммуникационных теплотрасс,погружного насоса и возможных других элементов (баков-аккумуляторов, системы гидроподпитки и т.п.).
Весь технологический комплекс системы геотермального теплоснабжения (СГТ) может состоять из нескольких подсистем:
- станциигеотермального теплоснабжения, включающей:
· модули - замкнутые подземно-поверхностные контуры на базе двух или более скважин;
· догревающие котельные (топливные или электрические);
· термотрансформаторы (тепловые насосы) и др.;
- магистральные теплотрассы к потребителю;
- тепловых сетей потребителя;
- систем отопления и горячего водоснабжения жилых массивов, сельскохозяйственных и промышленных объектов и др.
По нагнетательным скважинам геотермальный теплоноситель подается в пласт с естественной проницаемостью. Принудительно фильтруясьпо пласту, он нагревается за счет теплообмена с горными породами и поступает в добычные (водоподъемные) скважины. Под действием избыточного пластового давления, явления термолифта (разницы гидростатических давлений в нагнетательных и добычных скважинах) или депрессии,создаваемой откачивающим погружным насосом, геотермальный теплоноситель по добычным скважинам выводится на поверхность.
Выданный теплоноситель направляется по теплотрассе в теплообменник, где нагревает сетевую воду, поступающую к потребителю. Привысокой химической чистоте геотермального теплоносителя, что бываетчрезвычайно редко, он может подаваться сразу потребителю.Отработанный (охлажденный) геотермальный теплоноситель черезустройства водоочистки и водоподготовки нагнетается снова в пласт.Циркуляционная технология разработки геотермальных месторождений (27-70 °С) с природными коллекторами с начала 60-х годовуспешно применяется во Франции. Такие системы работают в 10 городахстраны и обеспечивали теплом 45 тысяч квартир. Продолжается строительство СГТ еще в ряде городов. Промышленное распространение онаимеет в Германии, Украине, Дании, Швейцарии, США, Польше, России(Чечня, Дагестан) и других странах.
Основные препятствия широкого применения этой технологии связаны с высокими требованиями к геолого-геотермическим характеристикам естественного коллектора, определяющими экономическую целесообразность геотермального теплоснабжения: (глубина, температура, мощность и проницаемость); низкими температурами пород продуктивных горизонтов, требующими догрева теплоносителя или его термотрансформации.
Системы с теплообменом в скважинах и каналах (приповерхностные, малоглубинные).Использование низкотемпературной геотермальной энергии малыхглубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньшечем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология ипостроены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодновводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем, и США планирует довести их ежегодное производство до 600 тысяч. Успешно внедряетсяэта технология и в других странах мира: Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии.
Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (оточень дешевых до многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов,образовательных учреждений и т.д.
Суть рассматриваемых технологий (рис. 21.1) заключается в созданииподземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения.При этом используютсятемпературы пород в интервале от 5-7 °С до 12-14 °С. Эти системы используют не только геотермальную энергию, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную.
B технологическом отношении тепловые насосы делятся на системыс замкнутым и открытым циклом (петлей). Системы с открытой петлейиспользуют тепло подземной или поверхностной воды, циркулирующеечерез теплообменники теплового насоса. В системах с закрытой петлейсоздается циркуляция автономного теплоносителя. Системы с замкнутымциклом наиболее широко развиты в США. Они делятся на два типа: системы, у которых в подземном контуре циркулирует вода (или антифриз),и системы, где хладагент теплового насоса непосредственно пропускаютчерез подземный контур.
Первый тип систем состоит из подземного контура с незамерзающимфлюидом, циркуляционного и теплового насосов. Подземные контурыобычно располагаются в неглубоких (1-2 м) траншеях или скважинахглубиной 50-100 м. Контур изготавливается из пластиковых (полибутиленовых) или металлических труб. Удельная длина труб 15-125 м/кBT.
Для систем второго типа вместо пластиковых труб используют медные, в которых хладагент циркулирует, проходя непосредственно черезкомпрессор теплового насоса. Во всех случаях используют теплоносительс температурой замерзания ниже -20 °C или рабочий хладагент тепловогонасоса.
Среди последних разработок упоминаются специальные системы типа«Геопакет» - в землю помещается емкость с флюидоми сооружаются коаксиальные скважинные системы, состоящие из двух колонн труб, расположенных одна в другой. Указанные приемы направлены на уменьшениедлины подземного контура и (или) улучшение условий теплообмена.
Стратегия замены традиционных источников энергии теплотой недрдолжна включать следующие основные этапы:
1) геолого-геотермическое районирование недр страны и перспективных по этим условиям регионов (более детально);
2) экономике-математическое моделирование СГТ для определенияоптимальных параметров и показателей добычи и использованиягеотермальной энергии в различных природных, энергетических и экономическихусловиях с оптимизацией по современным рыночным критериям;
3) геолого-экономическая, технолого-энергетическая и социально-экологическая оценка геотермальных ресурсов страны и перспективныхрегионов с выбором первоочередных территорий, районов, городов и поселков;
4) оценка ресурсообеспеченности регионов тепловой энергией недр иоконтуривание запасов геотермальных месторождений;
5) разработка инвестиционных проектов, бизнес-планов и технологических регламентов СГТ;
6) проектирование и строительство конкурентных СГТ;
7) эксплуатация и отработка технологических режимов СГТ,отвечающих конъюнктуре рынка.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 313; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!