WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |
Камчатский государственный технический университет В.В. Потапов, М.А. Близнюков, С.А. Смывалов, В.А. Горбач ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ Издательство КамчатГТУ Петропавловск-Камчатский 2005 1 УДК 621.311 ББК 31.56 П84 Рецензенты:

Д.А. Баранов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии» Московского государственного университета инженерной экологии В.Я. Сергин, доктор физико-математических наук П84 Процессы тепломассопереноса при комплексном использовании геотермальных резурсов: Монография / В.В. Потапов, М.А. Близнюков, С.А. Смывалов, В.А. Горбач. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005. – 136 с.

ISBN 5–328–00057–9 (1-й з-д) В монографии представлены результаты изучения процессов тепломассопереноса, связанных с комплексным использованием ресурсов высокотемпературных геотермальных систем. Исследования выполнены на примере теплоносителя, формирующегося в результате дегазации магматического расплава в близповерхностной магматической камере геотермальной системы вулкана Мутновский. Рассмотрены фильтрация теплоносителя во флюидопроводящей зоне под кратером вулкана и фильтрация в призабойном пространстве наклонно-направленной скважины, дренирующей флюидопроводящую зону. Сделана оценка потенциальной производительности геотермальной системы на основе анализа движения теплоносителя в струйном потоке в канале скважины. Выполнено математическое моделирование движения одиночной жидкой капли в закрученном паровом потоке циклонно-вихревого устройства в ходе частичной конденсации теплоносителя, проводимой с целью извлечения химических соединений.

Монография представляет интерес для инженеров и научных сотрудников, разрабатывающих проблемы геотермальной энергетики и химической технологии, а также для студентов вузов, специализирующихся на проблемах геотермальной инженерии.

УДК 621.ББК 31.ISBN 5–328–00057–9 (1-й з-д) © КамчатГТУ, © Авторы, Содержание Предисловие............................................................................................... Глава I. Современное состояние проблемы изучения и комплексного использования геотермальных ресурсов................... 1.1. Технологические методы извлечения химических соединений из геотермальных теплоносителей........................................... 1.2. Проблема исследования и эксплуатации глубинных геотермальных ресурсов................................................................................. 1.3. Существующие методы количественного описания тепломассопе реноса в геотермальных системах........................................ 1.4. Результаты исследования тепломассопереноса в геотермальных скважинах и циклонных аппаратах................................. Глава II. Тепломассоперенос в геотермальной системе вулкана Мутновский.................................................................................... 2.1. Параметры свободного потока расплава в магматической камере................................................................................. 2.2. Дегазация и пузырение расплава в магматической камере................................................................................. 2.3. Модель фильтрации газового флюида в геотермальной системе................................................................................ 2.4. Фильтрационные характеристики флюидопроводящей зоны............................................................................... Выводы....................................................................................................... Глава III. Тепломассообмен в геотермальной скважине................ 3.1. Особенности фильтрации в призабойном пространстве скважины.................................................................................. 3.2. Оценка производительности геотермальной скважины............................................................................... 3.3. Математическая модель нестационарного потока флюида в геотермальной скважине............................................................... 3.4. Прогноз концентраций химических соединений геотермального флюида в скважине и теплотехническом оборудовании............................................................... Выводы....................................................................................................... Глава IV. Тепломассоперенос в циклонно-вихревых устройствах........................................................... 4.1. Структура закрученного потока....................................................... 4.2. Математическая модель поведения дисперсной жидкой фазы в циклонно-вихревых устройствах.................. 4.3. Физические особенности движения одиночной капли в закрученном потоке.......................................................................... 4.4. Тепломассообмен капли в закрученном потоке..................................................................................... 4.5. Рекомендации по выбору рациональных параметров циклонного конденсатора.............................................................................. Выводы....................................................................................................... Заключение................................................................................................ Литература................................................................................................. ПРЕДИСЛОВИЕ В современных условиях существует повышенный интерес к альтернативным видам энергии и минерального сырья из-за ограниченности запасов традиционных источников. В России по итогам состоявшегося в августе 2004 г.



2-ого Международного геотермального семинара (г. ПетропавловскКамчатский) принята развернутая программа, включающая целый ряд проектов для Камчатской области, Краснодарского края, Кавказа и Калининграда.

Промышленное производство технически развитых стран с установившейся рыночной экономикой нуждается в больших количествах топлива и ценных химических соединений, причем сохраняется тенденция к росту этой потребности и стабильно высокий уровень цен на соответствующие товары.

В будущем проявится проблема истощения невозобновимых запасов нефти, газа и угля. При этом уже сейчас заметен ущерб, наносимый экологии технологией добычи топлива и работой теплоэнергетических комплексов. Высокий спрос на мировом рынке сохраняется и на различные виды черных, цветных, благородных металлов и радиоактивные элементы, что часто приводит к истощению месторождений, ухудшению качества руд за счет снижения концентрации металлов. Возникает необходимость использования бедных и труднообогатимых руд, совершенствования малоотходных технологий, а также поиска новых и нетрадиционных источников сырья.

Исследование и эксплуатация ресурсов геотермальных систем – сложная, многоаспектная научно-техническая проблема. Это связано с тем, что, вопервых, исследование подобных объектов требует применения методов различных наук: геологии, геохимии, геофизики, теплофизики и т. д. В этом плане математическое моделирование тепломассопереноса в природном резервуаре позволяет установить наиболее вероятные варианты формирования и развития системы, диапазон параметров пород коллектора и выбрать на этой основе оптимальную схему эксплуатации в условиях, когда применение других методов исследования затратно или невозможно. Во-вторых, геотермальные ресурсы имеют несколько составляющих: их можно рассматривать одновременно как источник электрической и тепловой энергии и как источник ценных химических соединений: аморфный кремнезем, B, Li, Zn, Mn и др., NaCl, геотермальные газы CO2, H2S.

Комплексное использование всех составляющих этих ресурсов позволит увеличить рентабельность уже действующих теплоэнергетических линий и привлечь 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. Стратегия на использование только энергетической составляющей преобладает в современной практике над примерами комплексного подхода к эксплуатации ресурсов геотермальных систем. Отсутствие развитой экспериментальной базы, промышленных испытаний аппаратов и теоретических разработок задачи извлечения химических соединений сдерживает развитие и самой геотермальной энергетики.

Перспективным для решения этой проблемы представляется применение циклонно-вихревых устройств, способных отделять дисперсную жидкую фазу концентрированного конденсата от парогазового потока. Моделирование тепломассопереноса в геотермальной скважине и циклонном аппарате позволит оценить потенциальную производительность магматогенной системы и выбрать параметры оптимальной эксплуатации.

В данной монографии представлены результаты разработки инженерных методик расчета изменения термодинамических параметров и концентрации химических соединений геотермального флюида на пути от природного резервуара до теплотехнического оборудования для выработки рациональных приемов комплексного использования ресурсов.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ И КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ Геотермальная система представляет собой участок в верхних частях земной коры, где наблюдаются аномально высокие величины температуры и теплового потока. Породы, слагающие этот участок, имеют проницаемость достаточно высокую для возникновения естественной конвекции. Химический состав гидротермального раствора определяется взаимодействием водапорода. В настоящее время накоплен значительный опыт получения электроэнергии и тепла в течение нескольких последних десятилетий. В перспективе возможно извлечение из состава флюида и широкое промышленное использование ценных химических соединений.

Современной тенденцией в геотермальной инженерии является исследование и освоение нижних этажей геотермальных систем – глубинных резервуаров, в том числе и магматогенных (вулканомагматических) систем.

Изучение геотермальных систем ведется с помощью набора методов исследования. Часто применение только одного метода не может дать однозначного представления о механизме работы системы, температуре и давлении флюида на глубине и запасах ресурсов. Математическое моделирование тепломассопереноса в геотермальной системе и теплотехническом оборудовании (скважины, трубопроводы, турбины, очистные сооружения) – один из способов изучения этих объектов и повышения технологических показателей эксплуатации.

Экспериментальные и теоретические исследования тепломассообмена в перерабатывающих сепарационных устройствах типа циклонного конденсатора необходимы для решения задачи извлечения ценных компонентов и очистки флюида.

1.1. Технологические методы извлечения химических соединений из геотермальных теплоносителей В настоящее время проявилась тенденция истощения запасов традиционных источников энергетического и минерального сырья. Происходит быстрое истощение запасов нефти и газа, являющихся ценнейшим химическим сырьем. На их долю приходится примерно 60% современного производства энергии и лишь 4% общих топливных ресурсов [1]. Остро энергетическая проблема проявляется в развитых странах, где для поддержания существующих стандартов жизни источники органического топлива должны быть дополнены альтернативными. США особенно уязвимы в этом отношении, так как здесь потребляется третья часть мирового производства энергии, а доля в населении Земли составляет 6% [2]. Положение усугубляется зависимостью цен на нефть и нефтепродукты от политической конъюктуры в странахпоставщиках.





Из-за высокого уровня спроса и потребления на рынке черных, цветных, благородных металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов [3] происходит истощение запасов и переход к разработке месторождений с бедной, труднообогатимой рудой.

Преимущественное развитие топливной энергетики связано со все более острыми экологическими проблемами. Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают крупные тепловые выбросы (около 60% исходной энергии топлива). Постепенное истощение запасов, усложнение природных условий и ограничение добычи наиболее выгодных видов топлива – нефти и газа, а также затраты на природоохранные мероприятия неизбежно ведут к удорожанию энергии. Таким образом, необходимо освоение новых, экологически “чистых” источников энергии.

Геотермальная энергия представляет собой ту часть тепловой энергии твердой, жидкой и газообразной фаз земной коры, которая может быть эффективно извлечена из недр и использована при современном уровне развития техники [1]. В настоящее время накоплен значительный опыт производства электроэнергии и теплоснабжения. В 1976 году на термальной площадке Гейзеры (Калифорния, США) введена в действие крупнейшая в мире установка по получению электроэнергии на 1 000 МВт. Суммарная мощность ГеоЭС в 1998 составляла около 8000 МВт.

Кроме того, потенциал геотермальных систем не ограничен только производством электроэнергии. При подходящих условиях вклад в прибыль могут вносить экстракция минеральных компонентов, производство опресненной воды [2], использование тепла при отоплении, нагреве в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Геотермальные ресурсы имеют целый ряд особенностей, выгодно отличающих их от традиционных: длительный период существования, слабый вклад в загрязнение окружающей среды, во многих случаях конкурентноспособность с традиционными источниками электричества, возможность искусственной стимуляции, возобновимость, отсутствие проседания и сейсмических проблем, как в практике горных работ при добыче нефти и газа, низкую стоимость управления геотермальными станциями и неподверженность политической зарубежной конъюнктуре [2].

Освоение ресурсов геотермальных систем – одно из возможных направлений по поиску новых источников минерального сырья. Данные по химическому составу показывают наличие в различных геотермальных теплоносителях микрокомпонент соединений металлов и металлоидов, таких как B, Br, I, Li, Be, Hg, Cu, Au, Ag, Pt, кремнезема и геотермальных газов (CO2, H2S) и т. д. [4], [5]. Кроме того, наличие химических соединений требует очистки теплоносителя перед использованием его в теплоэнергетическом оборудовании. Идея комплексного использования геотермального флюида высказывалась в работах ряда специалистов [6].

Получение ценных компонентов в виде черновых продуктов из геотермального флюида исключает такие дорогостоящие процессы, как вскрытие месторождения или строительство шахты, добыча руды, ее измельчение, обогащение и процессы выщелачивания, присущие традиционным методам, связанным с добычей и переработкой твердых полезных ископаемых.

Схема работы геотермальной станции состоит из следующих этапов:

1. дренирование резервуара с преобладанием водной фазы добывающей скважиной и вывод пароводяной смеси на поверхность; 2. разделение пара и воды, подача отсепарированного пара на турбины энергомодулей; 3. получение электроэнергии на генераторах электромодулей; 4. получение тепловой и дополнительной электрической энергии с теплообменников, работающих на отсепарированной воде (сепарате); 5. обратная закачка охлажденного сепарата и конденсата пара (реинжекция) в резервуар.

Одна из главных проблем при очистке сепарата – это извлечение аморфного кремнезема из пересыщенного водного раствора. В условиях ряда месторождений осуществлено использование минеральной составляющей геотермального флюида и есть перспективы расширения комплексного использования.

В геотермальном районе Исландии в юго-западной части полуострова Рейкьянес в 1977 году была запущена пилотная установка для производства соли NaCl. В 1983 году начал работу полу-коммерческий завод по выпуску соли мощностью 8 000 тонн/год. В 1986 году к этому добавился завод по извлечению из конденсата пара диоксида углерода CO2 мощностью 1 500 тонн/год.

Была изучена возможность извлечения из потока раствора силикатной грязи, применяемой в лечебных целях [7].

Химический состав геотермального флюида на месторождении в Рейкьявике после стадии выпаривания таков (мг/кг): SiO2 – 985, Cl – 29800, Ca – 2560, Mg – 3, Na – 15300, K – 2125, Li – 7.7, SO4 – 62, NH4 – 1.6, Br – 108, B – 12.4, Mn – 0.05, As – 0.10, I – 0.6, NO2 – 0.07, NO3 – 0.03, PO4 – 0.18, pH = 7.6.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.