Совершенствование схем альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения
На правах рукописи
БОДРОВА ЕЛИЗАВЕТА ВИКТОРОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Специальность 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха,
газоснабжение и освещение»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Фокин Владимир Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Амерханов Роберт Александрович,
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
аграрный университет»
кандидат технических наук, доцент,
Кудрявцев Леонид Витальевич,
ФГБОУ ВПО «Волгоградский
государственный архитектурно-
строительный университет».
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Астраханский
государственный технический университет»
Защита состоится «23» марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
400074, ул. Академическая 1, ауд. Б – 203.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «16» февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Пшеничкина В. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Нетрадиционные источники энергии на протяжении всей истории человечества постоянно были в центре внимания, но особенную актуальность приобрели в XXI веке. С ростом жизненного уровня населения потребление энергии для удовлетворения нужд теплоснабжения во всех отраслях народного хозяйства: промышленности, сельском хозяйстве и строительстве, – значительно увеличивается.
Современные системы теплоснабжения, отопления, горячего водоснабжения работают на традиционных видах топлива (природный газ, мазут, уголь), на долю которых приходится более 80 % производства энергии. В настоящий момент основным видом топлива для теплоснабжения является природный газ. Однако стоимость газа и его подключения сопоставима со стоимостью современного оборудования систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии – солнечных коллекторов, тепловых насосов, ветроэнергетических и геотермальных установок.
С ростом потребления традиционных топливных ресурсов осложняется их добыча и, соответственно, возрастает ее стоимость, кроме того, ухудшается экологическая ситуация в мире, поэтому в настоящее время научно-технический прогресс направлен на изыскание новых источников тепловой энергии. Прежде всего, это возобновляемые источники, такие как геотермальная и ветровая энергия.
В ноябре 2009 года принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», определяющий направление политики и содержание программ в области энергосбережения и повышения энергоэффективности за счет альтернативных источников энергии. Новейшие энергетические технологии с использованием геотермальных ресурсов и ветроэнергетических установок (ВЭУ) отличаются экологической чистотой и энергоэффективностью. Активно развиваются геотермальные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, на которые приходится примерно 57 % общей мощности геотермальных тепловых систем.
Мероприятия по энергосбережению на территории Волгоградской области возможно осуществлять путем внедрения гидротермальных и геотермальных источников энергии и ветроэнергетических установок.
Неоспоримым достоинством альтернативной энергетики является уменьшение зависимости энергопотребителей от централизованных энергосетей и энергетических монополий. Кроме того, люди во всем мире заинтересованы в развитии альтернативных источников энергетики для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу.
Цель работы – разработка энергоэффективных схем альтернативного использования геотермальных источников и ветроэнергетических установок для систем теплоснабжения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– анализ влияния теплообмена скважины от основных параметров: структуры, плотности, температуры, теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости), глубины скважины;
– анализ теплофизического потенциала недр региона Волгоградской области и получение унифицированной схемы распределения глубинной температуры недр и геотермальных скважин Волгоградской области;
– оценка геотермического потенциала отдельных месторождений Волгоградской области для реальных пластовых условий недр с вариантами утилизации нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для систем теплоснабжения;
– анализ энергетического потенциала геотермальных скважин, плотности и вязкости флюида для пластовой воды в зависимости от давления, температуры и глубины скважины;
– получение обобщенной математической зависимости, позволяющей определить температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации скважины;
– разработка усовершенствованных схем альтернативного использования геотермальных источников для систем теплоснабжения;
– разработка оптимальной конструкции ветроэнергетической установки (ВЭУ) для тепловых насосов систем теплоснабжения;
– разработка методик расчета теплового насоса с использованием геотермальных источников и тепловой нагрузки геотермальной скважины для систем теплоснабжения;
– анализ технико-экономического обоснования применения усовершенствованной схемы альтернативного комплексного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для работы системы горячего водоснабжения.
Основная идея работы состоит в совершенствовании схем альтернативного использования геотермальных источников для систем теплоснабжения.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и натурные исследования, моделирование изучаемых процессов, обработка экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПЭВМ и сертифицированных компьютерных программ.
Достоверность и обоснованность научных разработок и полученных в работе результатов основана на применении общепризнанных законов физики, математики и использовании общепринятых методов эксперимента. Достоверность обеспечивается удовлетворительным совпадением расчетов с данными, полученными при экспериментах на опытных установках, стендах в лабораторных и производственных условиях, а также широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.
Научная новизна результатов работы
- Исследовано влияние теплообмена скважины от основных параметров: структуры, плотности, температуры, теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости) массива горных пород, глубины скважины.
– Проведен анализ энергетического потенциала геотермальных источников, плотности и вязкости флюида в зависимости от давления, температуры и глубины скважины.
– Впервые получена обобщенная математическая зависимость, позволяющая определить динамическую температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации геотермального источника для эффективной работы системы теплоснабжения.
– Проведены лабораторные исследования и получена экспериментальная характеристика ветроэнергетической установки для тепловых насосов систем теплоснабжения.
– Разработаны методики расчета тепловой нагрузки геотермальной скважины и теплового насоса с использованием геотермальных источников энергии для систем теплоснабжения.
– Разработан численный алгоритм и его компьютерная реализация для технико-экономической оценки альтернативного комплексного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для работы системы горячего водоснабжения.
Практическое значение работы заключается в совершенствовании схем альтернативного комплексного использования геотермальных источников и ветроэнергетических установок для работы систем теплоснабжения.
Разработана энергоэффективная схема альтернативного комплексного использования геотермального источника (артезианских скважин) и ветроэнергетической установки для систем теплоснабжения (Геотермальное устройство : пат. 112365 Рос. Федерация. № 2011133572/06 ; заявл. 10.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 2 с.).
Разработана усовершенствованная схема альтернативного комплексного использования геотермального источника (обводнившихся скважин) и ветроэнергетической установки для систем теплоснабжения (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06; заявл. 06.10.11).
Разработанная конструкция ВЭУ позволяет использовать ее для работы тепловых насосов систем теплоснабжения (Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа : пат. 109232 Рос. Федерация. № 2011106306/06 ; заявл. 18.02.11; опубл. 10.10.11, Бюл. № 28. 2 с.).
Разработанные усовершенствованные схемы альтернативных источников энергии для систем теплоснабжения имеют перспективы для строительства систем теплоснабжения ЖКХ и АПК.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на следующих предприятиях:
– ООО «Газпром трансгаз Волгоград» и ООО «БК Стройсервис» – в системах теплоснабжения;
– МУП «Волгоградское коммунальное хозяйство», в качестве методик по использованию ветроэнергетических установок и тепловых насосов для систем теплоснабжения.
Теоретические и экспериментальные основы работы используются: в учебном процессе кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ) при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий. Издана монография «Геотермальные устройства для систем теплоснабжения».
На защиту выносятся:
– математическая зависимость, позволяющая определить температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации геотермального источника;
– усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников (артезианских скважин) для систем теплоснабжения (Геотермальное устройство : пат. 112365 Рос. Федерация. № 2011133572/06 ; заявл. 10.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 2 с. Решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11);
– усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников (обводнившихся скважин) для систем теплоснабжения (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11);
– автономная ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа для систем теплоснабжения (Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа : пат. 109232 Рос. Федерация. № 2011106306/06 ; заявл. 18.02.11; опубл. 10.10.11, Бюл. № 28. 2 с.);
– методики расчета теплового насоса с использованием геотермального источника энергии и тепловой нагрузки геотермальной скважины для систем теплоснабжения;
– численный алгоритм для технико-экономического обоснования применения усовершенствованных схем комплексного альтернативного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для системы горячего водоснабжения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались:
– На ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ, Волгоград, 2009…2011 гг.
– Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России»», ВолгГАСУ, Волгоград, 2009 г.
– IV Российская научно-техническая конференция с международным участием «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование», Волгоград – Михайловка, 2011 г.
– IX Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», ВолгГАСУ, г. Кошалин. – Волгоград, 2011 г.
– Сборник научных трудов «Проблемы теплоэнергетики», Саратов, 2011 г.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента на полезную модель РФ, 1 монография и публикации в материалах региональных и международных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы. Общий объём – 144 стр. Работа содержит 27 таблиц, 19 рисунков, список литературы из 165 наименований, приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, сформулированы ее актуальность, цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе дан обзор литературы по альтернативным источникам энергии для систем теплоснабжения, геотермальному и ветроэнергетическому потенциалу. Проанализирован потенциал недр различных регионов Земли и на территории Волгоградской области. В результате анализа выявлено, что практически в широких масштабах географических территорий Земли имеются запасы теплоты недр с температурой от 30 до 200 °С. Анализ информации территории России позволяет подтвердить, что основные ресурсы, в частности низкопотенциальной тепловой энергии недр, имеют значительный энергетический потенциал.
Систематизированы альтернативные возобновляемые источники энергии: солнечная энергетика, гидроэнергетика, ветроэнергетика, приливно-волновая и геотермальная энергетика. Выявлены основные приоритетные направления использования геотермальной теплоты: энергетика, строительство, промышленность, теплофикация, бальнеология и сельское хозяйство.
Приведены принципиальные схемы геотермального теплоснабжения с описанием принципа работы и указанием их достоинств и недостатков. Достоинства одноконтурных схем: простота устройства и эксплуатации, возможность регулирования параметров теплоносителя. Главным недостатком является то, что геотермальные воды должны обладать высоким качеством. Этот недостаток решается в двухконтурных системах теплоснабжения с применением теплообменников.
Дана научно-техническая характеристика геотермального потенциала недр Нижнего Поволжья. По результатам предварительной оценки геотермального потенциала наиболее перспективными являются Котовская и Коробковская зоны в Волгоградской области. В связи с этим, интерес к эффективному использованию геотермальной энергии для теплоснабжения и энергосбережения имеет значение для Волгоградской области.
Во второй главе исследованы теплообмен и теплофизические параметры геотермальных источников энергии для систем теплоснабжения. Показано влияние теплофизических свойств горных пород на теплообмен геотермальных скважин. Скважина и окружающий ее массив горных пород – это единая теплообменная система, поэтому незначительные изменения температуры в стволе скважины вызывают аналогичные колебания в прискважинной зоне пород. Возникающий при этом радиальный тепловой поток формирует неоднородное тепловое поле, знание которого необходимо для определения области теплового влияния скважины.
Теплообмен скважины с окружающим массивом горных пород существенно влияет на температуру теплоносителя, флюида (воды), а тепловое поле в стволе скважины влияет на вязкость, что является одним из основных факторов, определяющих интенсивность теплообменных процессов. Основные параметры, определяющие характер теплообмена на геотермальных месторождениях, это теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость слагающих их горных пород.
На энергетический потенциал геотермальных скважин влияют физические свойства флюидов: плотность и вязкость пластовой воды в зависимости от давления, температуры и глубины скважины. Этаж (глубина) скважин различных месторождений велик и на температуру флюида будут влиять теплофизические свойства грунта, окружающего скважину, а также физические свойства флюидов, насыщающих залежь скважины. На параметры флюидов более всего влияют температура пласта и давление. Обычно влияние температуры более значительно, так как рост температуры уменьшает плотность флюидов, а рост давления, наоборот, ее увеличивает.
Исследования температурного режима в скважинах показывает, что зависимость между температурой вертикального потока пластовой жидкости и количеством теплоты описывается законом Фурье. В технической теплофизике и теплотехнических приложениях наиболее часто дифференциальное уравнение встречается в одномерной форме:
. (1)
Дифференциальные уравнения (1) удобно использовать в тех случаях, когда тело имеет форму (или близко к форме) цилиндра конечных размеров, бесконечного цилиндра – скважины (тело, длина которого весьма велика по сравнению с диаметром).
В работе показано влияние глубины геотермальных скважин на статическую температуру и давление пластовой жидкости, а также влияние глубины и дебита скважины на динамическую температуру.
Геотермический градиент различных месторождений составляет от 2,3 до 3 °С на каждые 100 метров углубления.
На рис. 1 приведен унифицированный график распределения глубинной температуры недр Волгоградской области.
Рис. 1 – Унифицированный график распределения глубинной температуры недр Волгоградской области:
1 – глубинная природная статическая температура по термоградиенту в недрах: St1; 2 – аппроксимированная динамическая температура геотермальной пластовой жидкости (ПЛЖ) при различных дебитах теплоносителя из скважин: Dt2 (qПЛЖ = 100 м3/сутки), Dt3 (qПЛЖ = 200 м3/сутки), Dt4 (qПЛЖ = 300 м3/сутки); 3 – прогнозная динамическая глубинная температура за счет потерь теплоты в пласты действующих геотермальных скважин: 
, 
, 
; 4 – глубинный градиент температуры недр в пределах Котовского месторождения: 
.
Статическая температура пластовой воды – истинная температура пластовой залежи на определенной глубине недр Земли – характеризует температуру пласта флюида, когда отсутствует отбор или дебит из скважины. Статическая или пластовая температура флюидов зависит от этажа (глубины) скважины и для различных месторождений колеблется в определенных пределах.
Статическая пластовая температура tст (°С) флюидов и воды имеет примерно линейный характер и в пределах от 500 до 6000 м по глубине скважин имеет математическую зависимость:
(2)
где tст – статическая пластовая температура флюида (воды), °С; Н – глубина скважин, м.
Пластовое давление глубинных скважин Волгоградской области имеет приблизительно линейный характер:
(3)
где Р – пластовое давление, кгс/см2 ; Н – глубина скважины, м.
При движении флюида по трубам скважины от забоя до устья температура его снижается за счет передачи теплоты в окружающую скважину среду.
Температура флюида на устье tуст (°С) в общем случае может быть определена по формуле:
(4)
где tпл – температура пласта, замеренная датчиком или статическая температура, определяемая по формуле (2), °С; tск – потери температуры флюида в скважине, °С.
Потери температуры tск в скважине зависят от многих факторов: структуры окружающей скважину среды, теплофизических свойств пород, конструкции и дебита скважины, а также времени эксплуатации скважины.
В общем случае динамическая температура флюида на устье tуст (°С) добывающей скважины зависит от ряда условий:
(5)
где tпл – температура пласта, °С; Нск – глубина скважины, м; Gск – суточный дебит флюида, т/сут; В – продолжительность эксплуатации скважин, год; 
– температурный градиент скважины, °С/м.
Температурный градиент 
определяется по формуле:
(6)
где tпл – температура пласта залежи или статическая температура, °С; 15 – температура грунта на глубине 25 м, °С; Н – глубина скважины, м.
Используя методы математического анализа, моделирования, теории подобия и критериальные уравнения впервые получена математическая зависимость, позволяющая с погрешностью до 10 % и надежностью 0,91 определять динамическую температуру флюида на устье действующей добывающей скважины.
(7)
где 15 – температура грунта на глубине 25 м, °С; 
– температурный градиент, °С/м; Н – глубина скважины, м; G – суточный дебит флюида, т/сут; В – продолжительность эксплуатации скважин, год; с, n, m – безразмерные коэффициенты, зависящие от дебита и глубины скважин.
Безразмерные коэффициенты с, n, m определяется по таблицам 1, 2.
Таблица 1 – Значение коэффициента с и m
| Дебит, т/сут | 50 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 |
| Коэффициент с | 1330 | 1835 | 2200 | 2330 | 2300 | 2170 | 2025 | 1865 |
| Коэффициент m | 0,5 | 1,0 | 1,1 | 1,1 | 1,0 | 1,0 | 0,9 | 0,8 |
Таблица 2 – Значение коэффициента n
| Глубина скважины, Н, м | 2000 | 2500 | 3000 | 4000 | 4500 | 5000 |
| Коэффициент n | (0,82) | (0,79) | (0,76) | (0,7) | (0,67) | (0,64) |
В третьей главе разработаны энергоэффективные схемы альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения.
Преимущества таких научно-технических способов использования геотермальных тепловых источников заключается не только в сокращении централизованных затрат энергии с высокими тарифами для жизнеобеспечения, но и в автономности локальных объектов для систем теплоснабжения без нарушения экологии окружающей среды.
Согласно научной информации по результатам многолетних исследований геотермического режима недр Нижнего Поволжья некоторые локальные зоны Волгоградского региона обладают достаточным тепловым потенциалом. Наиболее перспективные локальные зоны для утилизации геотермальной энергии по геологическим данным расположены в Котовском, Камышинском, Ольховском и некоторых других районах.
Усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения приведена на рис. 2 и может быть использована для теплоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства, теплиц и сельскохозяйственных ферм на базе выбывших из эксплуатации обводнившихся скважин (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11).
Рис. 2 – Схема альтернативного использования
геотермальных источников в системах теплоснабжения:
1 погружной насос; 2 сепаратор; 3, 5, 7, 24 трубопроводы;
4 нефтехранилище; 6 дожимной насос; 8 газгольдер; 9 дизель-генератор; 10 водогрейный котел; 11 подающая магистраль теплосети;
12 потребители тепловой энергии; 13 регулятор расхода газа;
14 датчик температуры; 15 линия рециркуляции; 16 рециркуляционный насос;
17 паровой котел; 18 установка химводоочистки; 19 автоклав;
20 сушилка; 21 установка тепловлажностной обработки; 22, 25 теплообменник; 23 сетевой насос; 26 автономная ветроэнергоустановка.
Усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения, приведенная на рис. 3, использует в качестве источника исходной воды – воду артезианских скважин и установку химической водоподготовки, осуществляемую электромагнитным способом и предназначенную для удаления из воды солей жесткости Ca и Mg, что позволяет исключить накипеобразование на стенках водогрейного котла и снизить коррозию на трубопроводах и другом технологическом оборудовании (Пат. Геотермальное устройство № 112365 РФ).
Рис. 3 – Схема альтернативного использования геотермальных источников
в системах теплоснабжения:
1 погружной насос; 2, 7, 13, 14, 18, 24 трубопроводы; 3 артезианская скважина; 4 железобетонный резервуар; 5 тепловой насос; 6 промежуточный резервуар; 8 сетевой насос; 9 устройство химической водоочистки (ХВО); 10 бак-аккумулятор; 11 водоразборный кран; 12 змеевик; 15 подпиточный насос; 16 водяной котел системы теплоснабжения с газовой горелкой; 17 рециркуляционный насос; 19 подающий трубопровод теплосети; 20 регулятор температуры в системе теплоснабжения; 21 радиаторы системы отопления; 22 калориферы системы вентиляции; 23 другие потребители систем теплоснабжения; 25 погружной насос; 26 поглощающая скважина; 27 ветроэнергетическая установка; CD рециркуляционный контур.
Разработанные усовершенствованные схемы альтернативного использования геотермальных источников позволяют применять их в системах теплоснабжения, а также повысить долговечность и надежность геотермального устройства за счет использования тепловых насосов и ВЭУ.
Для электроснабжения насосов, показанных на рис. 2, 3, предполагается использование ветроэнергетических установок. В работе разработана ВЭУ (Пат. Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа № 109232 РФ) и проведено экспериментальное исследование на лабораторной модели ВЭУ (рис. 4). На рис. 5 приведены результаты экспериментальных исследований на модели ВЭУ: зависимость числа оборотов вращения лопастей ВЭУ от угла атаки. Скорость ветра 3,1 м/с обеспечивалась центробежным вентилятором.
| Рис. 4 – Фото экспериментальной ветроэнергетической установки | Рис. 5 – Зависимость числа оборотов вращения лопастей ВЭУ от угла атаки |
При работе систем теплоснабжения с использованием альтернативной геотермальной энергии (рис. 3) важное значение имеет тепловой насос, который позволяет значительно увеличивать эксергетический коэффициент полезного действия системы теплоснабжения. Теплонасосные установки (ТНУ) используют естественную возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию воды и грунта и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива.
Количество переданной потребителю полезной теплоты Qк (кВт) или теплопроизводительность ТНУ, зависит от расхода теплоносителя Gк, кг/с, средней массовой изобарной теплоемкости ск, кДж/(кгК) и перепада температур tв, °C. Коэффициент преобразования энергии µтн, характеризующий отношение отданной потребителю теплоты Qк к потребляемой компрессором электрической энергии Nк, кВт, определяется по формуле:
µтн = Qк/Nк. (9)
Наиболее перспективным направлением получения электрической энергии, необходимой для работы компрессора ТНУ, является использование альтернативных источников энергии, а именно посредством преобразования в ВЭУ энергии воздушного потока в электрическую энергию.
В четвертой главе проведена дифференциальная оценка энергетического потенциала геотермальных скважин систем теплоснабжения. При оценке энергетического потенциала геотермальных скважин необходимо учитывать энергетический потенциал самой скважины, а также потери теплоты от транспортировки теплоносителя по трубопроводу и потери теплоты в теплообменнике и сепараторе.
Если вместо геотермальной скважины использовать теплогенератор работающий на органическом топливе, то при мощности теплогенератора 1МВт, бр = 90 % и использовании природного газа с теплотворностью 
= 35000 кДж/м3, расчетный расход топлива составит ВР = 0,032 м3/с или ВР = 114,3 м3/ч, или ВР = 2743 м3/сутки, или ВР = 82286 м3/месяц. Годовая экономия природного газа составит ВР = 1001195 м3/год.
Кроме того, в работе рассчитаны показатели экономической эффективности применения альтернативных источников энергии в системах горячего водоснабжения для традиционной схемы (с использованием водогрейного котла) и усовершенствованной схемы альтернативного использования геотермального источника для системы с установкой теплового насоса, энергоснабжение которого осуществляется от линии электропередач или от ветроэнергетической установки.
Определение экономической эффективности осуществляется с целью принятия решения о целесообразности реализации энергосберегающего мероприятия (ЭСМ) и технико-экономического сравнения и выбора наилучшего из нескольких возможных ЭСМ.
Оценка и сравнение различных ЭСМ и решение о финансировании ЭСМ принимается на основании расчета чистого дисконтированного дохода NPV, динамического срока окупаемости DPP, внутренней нормы доходности IRR (та норма дисконта, при которой будущая стоимость денежного потока от инвестиций равна настоящей стоимости инвестируемых средств, т.е. при которой интегральный эффект проекта становится равным нулю) и индекса прибыльности PI.
Расчет показателей экономической эффективности сведен в таблицу 3.
Таблица 3 – Расчет показателей экономической эффективности
| Год, t | Инвестиции I0, тыс.руб. | Экономия В, тыс.руб. | Дисконтированная экономия, тыс.руб. | NPV при ТН, тыс.руб. | NPV при ТН и ВЭУ, тыс.руб. | |||
| ТН | ТН и ВЭУ | ТН | ТН и ВЭУ | ТН | ТН и ВЭУ | |||
| 0 | 1289,4 | 4689,4 | 0 | 0 | 0,0 | 0,0 | -1289,4 | -4689,4 |
| 5 | - | - | -221,1 | 1585,4 | -66,9 | 479,9 | -1860,6 | -594,9 |
| 10 | - | - | -221,1 | 1585,4 | -20,3 | 145,2 | -2033,4 | 644,4 |
| 15 | - | - | -221,1 | 1585,4 | -6,1 | 43,9 | -2085,8 | 1019,6 |
| 20 | - | - | -221,1 | 1585,4 | -1,9 | 13,3 | -2101,6 | 1133,1 |
| 25 | - | - | -221,1 | 1585,4 | -0,6 | 4,0 | -2106,4 | 1167,5 |
| Итого: | -817,0 | 5856,9 | -50975,2 | 3177,9 | ||||
На рис. 6 приведен график зависимости NPV от времени t при внедрении оборудования: теплового насоса и теплового насоса в комплексе с ВЭУ.
На основе рассчитанных показателей экономической эффективности от внедрения теплового насоса для преобразования низкопотенциальной теплоты артезианской воды в высокопотенциальную теплоту, энергоснабжение которого осуществляется от ветроэнергетической установки, можно сделать следующие выводы.
Рис. 6 – График зависимости NPV при внедрении оборудования от времени эксплуатации t
1. Динамический срок окупаемости DРР = 6,7 лет, то есть период времени, по окончании которого чистый объем поступлений (доходов) перекрывает объем инвестиций (с учетом первоначального капитала) в проект необходимый для возмещения затрат относительно невелик, а проект является прибыльным.
2. Индекс рентабельности PI = 1,25, то есть доходность инвестиций является высокой и проект является прибыльным, уровень риска невелик.
Сравнительный анализ эффективности внедрения данных энергосберегающих мероприятий показывает, что наиболее экономически целесообразным и прибыльным является внедрение в системах теплоснабжения тепловых насосов, энергоснабжение которых осуществляется от ветроэнергетической установки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена разработке усовершенствованных схем альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения. Получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну работы и ее практическую значимость.
1. Геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли и таит в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии, не зависящий от наземного режима окружающей среды (солнце, ветер, океанические факторы и другие), и способна радикально на наиболее экономичной основе решить проблемы энергоснабжения и теплоснабжения, в первую очередь, отдаленных районов страны, которые пользуются дорогостоящим привозным топливом (мазут, уголь, дизельное топливо) и практически находятся на грани энергетического кризиса.
Геотермальная энергия имеет выгодные условия, ввиду того, что её запасы практически неисчерпаемы, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, так как это созданный самой природой источник энергии, а в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.
2. По технико-экономическим показателям достаточно перспективное направление в энергосбережении является рациональное использование геотермальной энергии нерентабельных глубоких законсервированных скважин. В работе проведено исследование теплообмена скважины с грунтом и выявлены зависимости от теплофизических свойств (теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности) пласта, а также от физических свойств флюида (плотности, вязкости, температуры, давления).
3. Впервые получена математическая зависимость динамической температуры на устье скважины (7) от пластовой температуры, температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации скважины.
4. Впервые предлагаются усовершенствованные схемы рационального использования альтернативных источников энергии – геотермальных скважин, ветроэнергетических установок и тепловых насосов:
– энергоэффективная схема альтернативного использования геотермальных источников (артезианских скважин) для систем теплоснабжения (Пат. Геотермальное устройство № 112365 РФ.);
– энергоэффективная схема альтернативного использования геотермальных источников (обводнившихся скважин) для систем теплоснабжения (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11).
Указанные схемы могут быть использованы для теплоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства, административно-производственных корпусов, промышленных предприятий, теплиц, сельскохозяйственных ферм.
5. Разработана конструкция ветроэнергетической установки (ВЭУ) для систем теплоснабжения (Пат. Ветроэнергетическая установка турбинного типа малой мощности № 109232 РФ). Экспериментально определена характеристика ВЭУ, в частности изменение числа оборотов от угла атаки.
6. Разработаны методики расчета: теплового насоса для систем теплоснабжения с учетом геотермальной энергии; тепловой нагрузки скважины; потерь теплоты от наружного охлаждения трубопровода от скважины до теплообменника.
7. Сравнительный анализ эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий показывает, что наиболее экономически целесообразным и прибыльным является внедрение тепловых насосов, энергоснабжение которого осуществляется от ветроэнергетической установки.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
Статьи, опубликованные в журналах,
рекомендованных ВАК Минобразования и науки России
- Титова Е. В., Фокин В. М. Использование альтернативных источников энергии для теплоснабжения объектов подземного хранилища газа // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. Вып. 19 (38). С. 98–100.
- Фокин В. М., Бодрова Е. В. Энергоэффективные схемы альтернативного использования геотермальных источников для систем теплоснабжения // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Вып. 25 (44).
- Фокин В. М., Бодрова Е. В., Ковылин А. В. Схема альтернативного использования геотермальных источников в системах теплоснабжения // Интернет-вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2011. Вып. 4 (19). URL: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/FokinBodrovaKovylin-2011_4(19).pdf (дата обращения 22.12.2011).
Патенты
- Геотермальное устройство : пат. 112365 Рос. Федерация. № 2011133572/06 ; заявл. 10.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 2 с.
- Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11.
- Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа : пат. 109232 Рос. Федерация. № 2011106306/06 ; заявл. 18.02.11; опубл. 10.10.11, Бюл. № 28. 2 с.
Монографии
7. Фокин В. М., Бодрова Е. В. Геотермальные устройства в системах теплоснабжения // М-во образования и науки Рос. Федерации ; Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. 100 с.
Публикации в других изданиях
8. Титова Е. В., Фокин В. М. Энергетический потенциал гидротермальных альтернативных источников энергии // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта "Доступное и комфортное жилье гражданам России": технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 15-16 дек. 2009 г., Волгоград. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 315–317.
- Фокин В. М., Титова Е. В. Разработка схемы системы теплоснабжения для объектов подземного хранилища газа // Проблемы теплоэнергетики : сб. науч. тр. Саратов : СГТУ, 2011. Вып. 1. С. 172–175.
10. Фокин В. М., Титова Е. В. Оценка теплофизического потенциала геотермальных скважин // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы IX Междунар. науч. конф., 17–22 мая 2011 г., г. Кошалин. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 387–392.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
T, t – текущая температура по шкале Кельвина, К, и Цельсия, °С; – время, с; Q –тепловая мощность, Вт; с – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·К); G – расход жидкости, кг/с, или газа, м3/с; Вр – расчетный расход топлива, кг/с, м3/с; а – коэффициент температуропроводности, м2/с; r – радиус, м; – угол атаки; Р – давление, Па, кгс/см2; Н – глубина скважины, м; В – продолжительность эксплуатации, год; 
Т – температурный градиент, °С/м; µтн – коэффициент преобразования энергии; N – мощность компрессора, Вт; бр – коэффициент полезного действия брутто; 
– низшая теплота сгорания, кДж/м3.
БОДРОВА ЕЛИЗАВЕТА ВИКТОРОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Специальность 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха,
газоснабжение и освещение»
Подписано в печать 28.12.2011 года. Формат 6084 1/16. Печать трафаретная.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Заказ № 27.
Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Сектор оперативной полиграфии ЦИТ
400074, Волгоград, ул. Академическая, 1
