Тепловой режим земной коры

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Тепловой режим земной коры

Под геотермикой (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – те-пло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факто-ров.

В ядре планеты максимальная температура достигает 4000 °С. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды.

Средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м2 при температурном градиенте менее 30 °С/км. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с аналогичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источ-никами и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м2. Однако имеются районы с повышенными градиентами температуры, где потоки со-ставляют примерно 10…20 Вт/м2, что позволяет реализовать геотермальные станции тепловой мощностью 100 МВт/км2 и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет.

На любой глубине температура горных пород (T) приближенно может быть определена по формуле:

(8.1)

где tв– средняя температура воздуха данной местности; H – глубина, для которой определяется температура; h – глубина слоя постоянных годовых температур; с – геотермическая ступень.

Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1°С.

Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повы-шается на 1 °С, называется геотермической ступенью.

Теплопередача от полужидкой мантии поддерживает температурную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнительно тонкой коры около 1000 °С при среднем градиенте температур около 30 °С/км.

Принято выделять три класса геотермальных районов.

Геотермальный. Температурный градиент – более 80 °С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континентальных плит. Первый такой район был задействован для производства электроэнергии в 1904 г. вблизи Лардерелло (Тоскана, Италия). Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.

Полутермальный. Температурный градиент – примерно от 40 до 80 °С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород. Хорошо известный пример такого района находится вблизи Па-рижа и используется для обогрева зданий.

Нормальный. Температурный градиент – менее 40 °С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки в среднем составляют примерно 0,06 Вт/м2. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер.

Жидкая вода существует только до глубин 10…15 км, ниже при температуре около 700 °С вода находится исклю-чительно в газообразном состоянии. На глубине 50…60 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазовости, т. е. водяной газ при-обретает такую же плотность, что и жидкая вода.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обу-словливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные.

Мангышлак-Устюрсткой системе: 17 скважин до глубины 3250 м, максимальная температура 150 ^оС, максимальный градиент 35,8 ^оС/км.

Тургаю и Северному Приаралью: 5 скважин до глубины 2900 м, максимальная температура 100 ^оС, максимальный градиент 27,8 ^оС/км.

Иртышской впадине: 6 скважин до глубины 2000 м, максимальная температура 60 ^оС, максимальный градиент 58 ^оС/км.

Илийской впадине: 20 скважин до глубины 3800 м, максимальная температура 165 ^оС, максимальный градиент 32 ^оС/км.

Сырдарьинской впадине: 13 скважин до глубины 2100 м, максимальная температура 83 ^оС, максимальный градиент 40 ^оС/км.

Чу-Сарысуйской впадине: 6 скважин до глубины 1400 м, максимальная температура 63 ^оС, максимальный градиент 28 ^оС/км.

Использование геотермальноготеплавсистемахтеплоснабжения

Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производст-венных зданий необходима температура воды не ниже 50…60 °С.

В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий.

Наиболее успешно реализованные проекты имеют скважины, пробуренные непосредственно в естественные подземные коллекторы геотермальных районов (рисунок 8.5). Подобные методы используются для извлечения энергии из водоносных слоев в высокотермальных районах, где природного напора достаточно, чтобы обойтись без насосных систем.

Последние разработки направлены на извлечение тепла из сухих горных пород, так как они могут обеспечить большую производитель-ность, чем водные источники. Группа специалистов разработала методы дробления скал гидроразрывом с помощью холодной воды, нагнетаемой под давлением в скважину (рисунок 8.6). После предварительного дробле-ния пород вода нагнетается через питающую скважину, фильтруется через скальные породы на глубине около 5 км при температуре 250 °С, теплая вода возвращается на поверхность через приемную скважину. Две такие скважины могут обеспечить энергией установку мощностью порядка гигаватта.

Рис. 8.5. Схема размещения гидротермальных станций в гипертермальном районе: 1 – естественный гейзер; 2 – энергетическая станция; 3 – глубокая скважина (5 км); 4 – пароводяной источник; 5 – мантия; 6 – горячие скальные породы

Рис. 8.6. Схема извлечения тепла из сухих горных пород

Современные технологии использования в энергетических целях тепла подземных источников предусматривают производство тепловой энергии на геотермальных тепловых станциях (ГТС).

Геотермальные тепловые станции предназначены для обеспечения централизованного теплоснабжения потребителей, расположенных вблизи геотермальных месторождений. Принцип построение ГТС достаточно прост и основные проблемы связаны с высоким содержанием солей в термальных водах, что требует выполнения теплообменников из высоко коррозионно-стойких материалов.

Характеристики ряда станций приведены в таблице 8.1.

Оборудование для ГТС выпускается серийно, в том числе и на российских предприятиях

Таблица 8.1 Технические характеристики геотермальных тепловых станций

Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой

Термальная вода имеет температуру выше 80 °С, но сильно мине-рализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников. Принципиальное решение такой схемы показано на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками:

1 – скважина; 2 – теплообменник системы отопления; 3 – теплообменник горячего водоснабжения 1-й ступени; 4 – то же 2-й ступени; 5 – система отопления

Здесь термальная вода из скважин разделяется на две параллель-ные ветви: одна направляется в теплообменник отопления и затем в теплообменник 1-й ступени подогрева воды для горячего водоснабжения; вторая – в теплообменник 2-й ступени. Чтобы избежать зарастания тру-бопровода, термальную воду используют с промежуточным теплооб-менником. Высокоминерализованную воду из скважины подают в ре-зервуар со змеевиками, по которым поступает пресная речная вода. На-гретая пресная вода идет к потребителю, а выпадающие из термальных вод соли осаждаются в резервуаре и на наружных поверхностях змееви-ка. Недостатком схемы с теплообменником является сокращение сраба-тываемого потенциала термальной воды (на конечную разность темпе-ратур в теплообменнике).

Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализованной термальной водой.

Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым по-тенциалом (температура ниже 80 °С). Здесь требуется повышение по-тенциала термальной воды.

Осуществить это можно разными методами, приведем основные из них:

а)подачатермальнойводыпараллельнонаотоплениеигорячеево-доснабжениеипиковыйдогревотопительнойводы(рис.8.8).

По этой схеме термальная вода из скважин поступает в систему горячего водоснабжения и параллельно в пиковую котельную. Здесь она догревается до температуры, соответствующей метеорологическим ус-ловиям, и подается в системы отопления.

Рис. 8.8. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее

водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление:

1 – скважина; 2 – пиковый догреватель; 3 – система отопления; 4 – бак-аккумулятор

Данная схема особенно целесообразна для районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин.

б)бессливнаясистемагеотермальноготеплоснабжения(рис.8.9).

Эта схема представляет более сложный вариант предыдущей схемы.

Здесь термальная вода, поступающая из скважин, нагревается до температуры 160…200 °С, что обусловливается климатическими усло-виями и позволяет достичь равенства воды в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.

Рис. 8.9. Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплотеплоснабжения:

0 – скважина; 1 – дегазатор; 2 – химводоочистка; 3 – водоподогреватель; 4 – смеситель; 5 – система отопления; 6 – система горячего водоснабжения;7 – бак-аккумулятор; 8 – котельная

Из скважины 0 термальная вода поступает в котельную 8, затем, пройдя через дегазатор 7 и химводоочистку 2, подается в нагреватель 5. Перегретая вода направляется в жилые дома. Абонентский ввод каждо-го дома оборудован смесителем 4, в котором сетевая вода смешивается с отработанной водой из системы отопления. Смесь требуемой темпера-туры последовательно проходит систему отопления 5, а затем полно-стью расходуется в системе горячего водоснабжения 6. Предусмотрена возможность сброса отработанной воды из системы отопления в кана-лизацию, а также установка бака-аккумулятора 7 для одного или группы зданий.

С повышением температуры наружного воздуха расход воды на вводе остается постоянным, часть воды поступает в систему горячего водоснабжения, минуя систему отопления по специальной перемычке. При этом с помощью терморегулятора поддерживается одинаковая тем-пература воды в системе горячего водоснабжения в течение всего ото-пительного сезона.

в)применениетепловыхнасосов(рис.8.10).

Схема предусматривает утилизацию тепла низкотемпературных термальных источников при помощи теплового насоса. На рис. 8.10 по-казана типовая схема теплоснабжения с компрессионным тепловым на-сосом.

Рис. 8.10. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса:

1 – скважина; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор;

5 – регулирующий вентиль

Горячая вода из скважин 1 подается к испарителю теплового насо-са 2, где происходит передача ее тепла быстро испаряющемуся рабоче-му веществу. Образующиеся пары сжимаются компрессором 3 и на-правляются в конденсатор 4, где конденсируются при более высоком давлении, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления. Охлажденная вода сбрасывается в канализацию. Эффективность схемы повышается при работе теплового насоса летом в режиме холодильной машины. В целях более полного срабатывания тепла термальной воды была предложена более сложная модификация этой схемы с тепловыми насосами.

г)совмещенноеприменениетепловыхнасосовипиковогодогрева(рис.8.11).

Схема г – комплексная система теплоснабжения с трансформаци-ей тепла сбросной воды в сочетании с пиковым ее подогревом и качест-венным регулированием (рис. 8.11).

Отработанная вода с температурой t0после системы отопления 6 разветвляется на три потока. Одна часть Q3 поступает в конденсаторы теплового насоса 8 и смеситель 7. Вторая часть ее направляется в испа-рители теплового насоса 9, где она охлаждается до температуры tX и сбрасывается. Третья часть направляется в смеситель 12, из которого вода с температурой tRв количестве QRпоступает в бак-аккумулятор 11 и систему горячего водоснабжения 10.

Рис. 8.11. Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов: 1 – скважина; 2 – водоочистка; 3 – насосная станция;4 – транзитный теплопровод; 5 – пиковый догреватель; 6 – система отопления; 7 и 12 – смесители; 8 – конденсаторы; 9 – испарители;10 – система горячего водоснабжения; 11 – бак-аккумулятор

С целью повышения отопительного коэффициента и обеспечения более гибкого регулирования теплонасосные агрегаты включаются в систему теплоснабжения по последовательно-противоточной схеме так, чтобы нагрев воды в конденсаторе 8 и охлаждение сбрасываемой воды в испарителях 9 осуществлялось в несколько ступеней.

Двухконтурной системы геотермального теплоснабжения с использова-нием фенолсодержащей минерализованной термальной воды с темпера-турой 80 °C. Применялся пластинчатый теплообменник с пластинами из угле-родистой стали, защищенными от воздействия агрессивной термальной воды полимерным покрытием, разработанным в ЭНИНе.

Геотермальные установки со струйными насосами

Геотермальные установки с использованием пароводяной смеси, поступающей непосредственно из геотермальной скважины, или пара после сепараторов ГеоТЭС и струйных насосов-инжекторов предназна-чены для горячего водо- и теплоснабжения и для реинжекции сливных вод в пласт через скважины закачки. Они могут существенно (в 2…3 раза) снижать минерализацию солей в воде благодаря смешению с холодной и слабоминерализованной водой из поверхностных источ-ников.

Струйный насос (инжектор-конденсатор) работает как насос, под-нимающий воду из источника и подающий ее потребителю; он нагрева-ет ее и может менять ее минерализацию. В камере смешения струйного аппарата, являющейся эффективным теплообменником смешивающего типа, происходит ее интенсивный нагрев. Струйный насос содержит па-ровое и жидкостное сопла, камеру смешения и диффузор. Он не требует ухода, достаточно дешев и несложен в изготовлении и обслуживании. В нем отсутствуют трущиеся и вращающиеся детали, что гарантирует длительный срок службы.