Наукове обґрунтування методів удосконалення систем геотермального теплопостачання

Подальше покращення термодинамічної ефективності циклів можливо підвищенням параметрів циклів до надкритичних (наприклад, для хладону R13b1 отримана питома електрична потужність 34,0 кВт/(кг/с), а для R22-43,37 кВт/(кг/с), R134a-43,87 кВт/(кг/с) при температурі геотермальної води 130 0С. Використання сумішей при надкритичних параметрах дозволяє, змінюючи склад суміші, керувати термодинамічними параметрами робочої речовини. При цьому характер кривої охолоджування геотермальної води такий же, як і у кривій нагріву низькотемпературної речовини, що дозволяє забезпечити мінімальні значення перепаду температури між ними.

В цій роботі досліджені суміші фреонів (R13b1+R142b), (R13b1+R13). У розрахунках термодинамічних параметрів надкритичного циклу прийняті наступні допущення: мінімальний температурний напір (Дtхв) - 10 °С; ККД турбіни - 0,75; ККД насоса - 0,75; температура навколишнього середовища - 15 °С; тиск за насосом - 5000 кПа.

Для варіантів суміші (50%R13b1+50%R142b), (20%R13b1+80%R142b) надкритичний режим при тиску 5,0 МПа не реалізується через підвищення критичної температури й тиску суміші. При цьому розширення пари в турбіні завершується в двофазній області. Чисельні результати показують, що питома електрична потужність турбіни становить 34 кВт/(кг/с).

Значення питомої електричної потужності турбіни в докритичних циклах чистих речовин R13, R13b1, R142b складає близько 22-24 кВт/(кг/с), що на 11-12% нижче, ніж для циклів на фреонових сумішах. Ефективність надкритичного циклу на сумішах фреонів також на 12-13% вище 34-36 кВт/(кг/с), ніж докритичних циклів на сумішах тих же фреонів 27-30 кВт/(кг/с).

Запропонована модифікована теплова схема геотермальної енергетичної станції з декількома рідинами. Теплова схема показана на рис. 8 (Патент України №53278).

Відмінністю каскадного циклу є застосування трьох рідин, при цьому два цикли є докритичними, а один - надкритичним, що дозволяє розширити температурний інтервал. Основна перевага циклу, що розробляється, полягає у вживанні різних рідин найбільш ефективних в різних температурних інтервалах в діапазоні від 60 °С до 150 °С, а також створення ефективного теплообміну (забезпечення мінімальних необоротних тепловтрат в теплообмінниках) між теплоносіями і геотермальною водою.

Результати розрахунків показують ефективність циклу, що включає декілька енергоустановок з різними теплоносіями, оптимальними для даного температурного інтервалу. Так, сумарна питома потужність каскадної енергоустановки складає 72,4 кВт. В порівнянні з одноступінчастою енергоустановкою на хладоні R142b (N = 41,6 кВт) в тому ж температурному інтервалі, питома потужність перевищує в 1,74 рази. Виконана оптимізація циклу Ренкіна геотермальної енергетичної станції з багатоступінчастим каскадним бінарним циклом. Виконані варіантні розрахунки дозволили визначити раціональні термодинамічні параметри геотермальної енергетичної станції. Результати розрахунку наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Теплотехнічні параметри каскадної енергетичної станції

Чисельні результати термодинамічного аналізу модифікованої геотермальної енергетичної станції з декількома теплоносіями для температурного інтервалу геотермальної води 60-130 єС показали збільшення виробітку питомої електричної потужності в 2,0-2,3 рази у порівнянні із ГеоЕС з одноступінчастим бінарним циклом.

Виконано ексергетичний аналіз ефективності циклів геотермальної енергетичної станції на основі першого і другого законів термодинаміки для відкритих стаціонарних систем. Коефіцієнт утилізації циклу енергетичної станції визначається як відношення дійсної енергії (нетто) станції до максимальної теоретичної енергії яку можна отримати від геотермального теплоносія:

, (10)

де W- потужність станції, МВт; - витрата термальної рідини; ,,, - значення ентальпії, ентропії термальної рідини при робочих параметрах і параметрах навколишнього середовища.

Істотно впливає на ефективність циклу значення мінімального температурного перепаду, який визначає оптимальні термодинамічні параметри циклу геотермальної енергетичної станції з бінарним циклом (Дtн=5 °С). Залежність питомої витрати геотермальної води від температури показана на рис. 9.

Як видно, питома витрата геотермальної рідини для одноступінчастої ГеоЕС складає близько 130-200 кг/(кВт•год) при температурі 130 єС. Питома витрата геотермальної води в багатоступінчастій ГеоЕС знижується до 50-52 кг/(кВт•год), що в 3 рази менше порівняно з одноступінчастою енергетичною станцією. Аналіз термодинамічної ефективності обладнання та циклу геотермальної енергетичної станції показує, що при температурі геотермальної рідини (tтв= 130 °С) термічний ККД складає від 0,08 до 0,11, коефіцієнт утилізації циклу - від 0,29 до 0,55. Вищі втрати ексергії спостерігаються в теплообмінному устаткуванні - випарнику, попередньому підігрівачі, конденсаторі. Сумарне значення ексергетичних втрат в теплообмінному устаткуванні при ?tмін = 10 °С складають від 45 до 55%.

При цьому в розглянутих циклах, температура термальної рідини на виході з теплообмінного устаткування, де рідина охолоджується до 55,3 °С для R22, для R134а до 71,9 °С і для R318 до 69,5 °С, що вказує на можливість підвищення зy за умов глибшого пониження температури робочої речовини в турбіні.

У шостому розділі досліджується напрямок утворення гібридних паливно-геотермальних енергетичних станцій в системі тепло і електропостачання.

Запропонована модифікована теплова схема гібридної паливно-геотермальної енергетичної станції (ГПГС) (Патент України № 52126). Відмінністю даної теплової схеми є наявність джерела теплоти, що спалює органічне паливо в контурній частині циклу ГПГС з високотемпературним теплоносієм і регенеративних теплообмінників, в яких теплоносій контуру охолоджується з 150-180 0С до 60-65 0С з конденсацією вологи в продуктах згоряння.

Сумарна питома потужність каскадної енергетичної станції при використанні геотермальної води з температурою 150 0С складає 72,4 кВт. При використанні ГПГС і нагріві робочого теплоносія до температури 60-65 0С за рахунок геотермального джерела і до температури 150 0С за рахунок спалювання органічного палива питома потужність зростає до 90,7 кВт, тобто в 1,25 раза.

Виконані розрахункові дослідження показують перспективність пропонованої теплової схеми гібридної паливно-геотермальної станції при виробництві електроенергії та використанні геотермальних вод з температурою 60-150 єС. Вибір робочих теплоносіїв визначається в результаті оптимізації техніко-економічних параметрів циклу ГПГС.

Значні витрати електроенергії на власні потреби в гібридній геотермальній енергетичній станції на привід насосів зворотного закачування геотермальної рідини в нагнітальну свердловину для підтримки тиску рідини в пласті, на привід циркуляційних насосів системи теплопостачання, на привід насосів, вентиляторів, димососів опалювальної (пікової) котельної установки, на привід компресорів ТНУ знижують термодинамічну ефективність і техніко-економічні показники геотермальної станції. Теплова схема гібридної системи геотермального теплопостачання, що включає джерело геотермальної енергії та геотермальну циркуляційну систему, джерело паливної енергії - котельна установка з декількома котлами на органічному паливі, теплонасосну установку зображено на рис. 10.

В гібридній енергетичній установці реалізується режим когенераційного вироблення електроенергії та теплоти.

При використанні каскадної енергетичної установки виробіток електроенергії збільшується до 65-75 кВт/(кг/с). Автором спільно з ЗАТ «Укрнафтозапчастина» м. Суми розроблена блочно-модульна енергетична станція на базі парового турбогенераторного агрегату із струминно-реактивною турбіною ПТГА - СРТ - 24 / 0,5. Електрична потужність станції складає 1,5-2,5 МВт. Установка може бути інтегрована в систему геотермального теплопостачання з метою виробітку електроенергії для використання на власні потреби.

У сьомому розділі приводяться результати оптимізації конструктивних і технологічних параметрів комбінованої геотермальної системи теплопостачання. Визначаються оптимальні режими відпуску теплоти споживачу протягом опалювального періоду.

Для здійснення процедури оптимізації був вибраний багатоцільовий генетичний алгоритм MOGA-II (Multi Objective Genetic Algorithm II), покращена версія MOGA Poloni.

Завдання оптимізації зводиться до визначення максимуму функції ексергетичного ККД з врахуванням капітальних і експлуатаційних витрат.

Аналіз результатів показує істотний вплив на ефективність системи теплопостачання значень параметрів підземного циркуляційного контуру (діаметр і кількість свердловин, експлуатаційних витрат) для заданої теплової потужності системи. Із збільшенням теплової потужності значення експлуатаційних витрат зростає істотно, при цьому від діаметру свердловин експлуатаційні витрати практично не залежать, більш істотна залежність спостерігається від кількості свердловин. Так, при тепловій потужності 2 МВт оптимальна кількість свердловин складає 3-4. Максимальні значення ексергетичного ККД досягаються при порівняно рівних експлуатаційних витратах (діаметр кола) але різкому збільшенні питомих капітальних витрат (рис. 11).

Для визначення найбільш оптимальних режимів відпуску теплоти комбінованої паливно-геотермальної енергетичної станції, що складається з геотермальної циркуляційної системи та містить піковий догрівач - котел газовий, виконано порівняння теплотехнічних та термодинамічних показників станції за різних температурних графіків та з роботою котельної при однаковому тепловому навантаженні. Враховуючи невисокий температурний потенціал геотермальних вод України, саме температурний графік буде одним із визначаючих факторів розподілу теплових навантажень між джерелами теплової енергії. Робота паливно-геотермальної енергетичної станції для локального теплопостачання розглядалась при стандартному температурному (90/70 °С) та при зниженому (70/40 °С) температурних графіках. Сумарне теплове навантаження на систему теплопостачання прийняте 1,0 МВт, з яких 0,75 МВт - теплове навантаження на систему опалення, 0,25 МВт - на гаряче водопостачання. Для розрахунку втрат тиску у контурі геотермальної циркуляційної системи були прийняті гідрогеологічні дані по ГЦС теплопостачання с. Медведівка Джанкойського району АР Крим. Температура геотермальної рідини на гирлі видобувної свердловини становила 64 °С. Кліматичні дані у розрахунках відповідають також даному регіону. Передача геотермальної теплоти теплоносіям систем опалення та гарячого водопостачання відбувається у теплообмінних апаратах, а догрів теплоносія системи опалення при недостатній температурі відповідно до температурного графіка - піковим догрівачем. Саме температура води на гирлі видобувної свердловини конкретного геотермального родовища, що приймається умовно постійною протягом розрахункового періоду експлуатації ГЦС та прийнятий температурний графік визначатимуть теплові потужності кожного джерела теплоти та режими їх включення, виключення та сумісної роботи.

Враховуючи вищенаведене, оптимізація комбінованої паливно-геотермальної енергетичної станції проводилася відносно температурного режиму системи теплопостачання як параметра управління. В якості критерію термодинамічної досконалості паливно-енергетичної станції прийнятий ексергетичний коефіцієнт корисної дії, а економічного критерію оптимізації - собівартість теплової енергії, що відпускається споживачеві.

За чисельними дослідженнями встановлено, що серед трьох варіантів джерел теплопостачання найбільш термодинамічно досконалою є комбінована паливно-геотермальна енергетична станція з пониженим температурним графіком (рис. 12).

Для даної станції характерним є переважне використання геотермальної енергії для покриття теплових навантажень на систему теплопостачання, більш повна утилізація геотермальної теплоти порівняно з варіантом температурного графіка 90/70 °С за рахунок глибшого охолодження геотермального теплоносія. Розрахунками встановлено, що для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 90/70 °С включення пікового догрівача необхідне при температурі зовнішнього повітря +2 °С, а для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 70/40 °С - при мінус 5 °С. Відповідно, у першому варіанті частка від річної кількості теплоти, що покривається геотермальною енергією, для потреб системи опалення склала - 65,2%, а у другому варіанті - 99,0% (рис. 13).

Приведені результати дослідження і прогнозування температурного режиму геотермальної системи теплопостачання при тривалій експлуатації. Закачування відпрацьованої води в пласт з температурою, яка відрізняється від пластової, призводить до зниження температури пластової геотермальної рідини. При проектуванні системи геотермального теплопостачання і розробці геотермального родовища необхідне ретельне прогнозування зміни температурного режиму експлуатаційної свердловини і зміни кількості видобувної енергії.

Тому обґрунтована методика прогнозування температурного режиму дозволить приймати оптимальні рішення по управлінню експлуатацією геотермальної системи теплопостачання. В роботі виконано моделювання і визначено зниження температури геотермальної рідини залежно від дебіту експлуатаційної свердловини в умовах тривалої експлуатації із застосуванням сучасних прикладних обчислювальних програмних комплексів. Розроблена модель управління експлуатаційними режимами системи геотермального теплопостачання по зміні температури видобувної геотермальної рідини на гирлі експлуатаційної свердловини від зміни дебіту свердловини.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої прикладної наукової проблеми, що виявляється в подальшому розвитку і обґрунтуванні теорії процесів перетворення геотермальної енергії шляхом термодинамічного дослідження процесів створення нової технології циркуляції геотермальної рідини з ергазліфтним режимом експлуатації та трансформації геотермальної енергії з підвищенням температурного потенціалу в системі, створення гібридної паливно-геотермальної енергетичної станції із каскадним бінарним циклом та піковою високотемпературною двоступеневою теплонасосною установкою, що дозволяє підвищити теплотехнічну ефективність систем теплопостачання.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

- розвивається концептуальна модель процесів перетворення геотермальної енергії в системах геотермального теплопостачання із температурою рідини 65-130 0С, що основана на створенні гібридної паливно-геотермальної енергетичної станції з включенням ГеоЕС з бінарним каскадним циклом і піковою високотемпературною двоступінчатою ТНУ;

- розроблено термодинамічні і термоекономічні моделі геотермальних систем теплопостачання, які є науковою основою аналізу, розрахунку і оптимізації параметрів. Чисельно і експериментально досліджені гідравлічні режими двофазної течії рідини в вертикальних свердловинах при ерліфтному режимі. Встановлені закономірності режимів течії, втрат тиску і потужності. Отримані розрахункові співвідношення конструктивних та технологічних параметрів;

- чисельні розрахунки термоекономічних параметрів геотермальних систем теплопостачання і геолого-техніко-економічне обґрунтування їх тривалої експлуатації вказують на існування оптимальних значень дебіту експлуатаційних свердловин і їх кількості; суттєвий вплив експлуатаційних втрат, пов'язаних із зворотнім закачуванням геотермальної рідини в пласт;

- запропоновано нову технологію трансформації геотермальної енергії, яка полягає у введенні в експлуатаційну свердловину легкокиплячої рідини, подальшої сепарації і стисненню в компресорі, конденсації при більш високому температурному рівні ніж температура пластової рідини (патенти України № 90792, № 91413, № 52126);

- розроблено теплові схеми, засоби моделювання, розрахунку і оптимізації багатоступінчастого теплообмінного і сепараційного обладнання із використанням киплячого шару і теплових труб (термосифонів), що забезпечують мінімальний температурний перепад між середовищами, що обмінюються теплом, удосконалені конструкції;

- розвинуто напрямок розробки і створення ТНУ із багатоступінчастими схемами включення, що забезпечують температуру конденсації робочої рідини при 90-95 єС і застосовуються для традиційних систем опалення при геотермальному теплопостачанні. Виконані розрахунки термодинамічної ефективності циклів і оптимізації параметрів циклів каскадної ТНУ. Обґрунтовано застосування робочих речовин в нижньому циклі хладону R407с і верхньому - R134а;

- запропоновано каскадний цикл і отримані чисельні результати дослідження бінарної енергетичної станції із каскадним циклом (Патент України № 53278), що забезпечує підвищення коефіцієнту утилізації геотермальної енергії в 2,0-2,3 рази порівняно із одноступінчастими станціями, підвищення виробітку електроенергії до 68,8-72,4 кВт/(кг/с), підвищення ККД станції до значень 0,145-0,15. Запропоновані робочі речовини, що використовуються в циклах станції при температурі геотермальної рідини 60-130 0С. Результати узагальнені у вигляді апроксимуючих залежностей;

- розвинуто новий напрямок синтезу джерел теплопостачання при створенні гібридних паливно-геотермальних енергетичних станцій. Показана висока ефективність зниження споживання органічного палива і більш висока ефективність використання геотермальної енергії за рахунок включення в теплову схему пікової двоступінчастої теплонасосної установки. Розроблено рекомендації та створено блочно-модульні міні(мікро)-електроенергетичні установки потужністю 100-500 кВт;

- розроблено інженерну методику термодинамічного аналізу процесів перетворення геотермальної енергії із використанням ентропійного аналізу; виконано розрахунки витрат в теплонасосних системах і енергетичних станціях з каскадним циклом в системах тепло- і електропостачання;

- результати досліджень прийняті до впровадження ЗАТ «Укрнафтозапчастина», м. Суми, ВАТ «Харківхолодмаш», м. Харків, ДК «Ядерне паливо», м. Київ, ТОВ “Єврогаз Україна”, м. Київ, при проектуванні систем тепло- і електропостачання і розробці високоефективного обладнання. Загальний економічний ефект складає 5,4 млн. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Редько А.А. Методы повышения эффективности систем геотермального теплоснабжения: Монография / А.А. Редько. - Макеевка: ДонНАСА, 2010. - 302 с.

2. Редько А.А. Теплообменники с жидкостным кипящим слоем в системах геотермального теплоснабжения / А.А. Редько // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2008. - Вип. 47. - С. 213 - 217.

3. Редько А.А. Перспективы использования геотермальной энергии за рубежом и в Украине / А.А. Редько // Коммунальное хозяйство городов. - Харьков: ХНАГХ, 2008. - №81. - С. 202 - 208.

4. Редько А.А. Внутрискважинные теплообменники с жидкостным кипящим слоем в геотермальных циркуляционных системах / А.А. Редько // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - Макіївка: ДонНАБА, 2008. - №2(70). - С. 87 - 92.

5. Редько А.А. Тепловые насосы с высокотемпературным теплоносителем в децентрализованных системах отопления зданий / А.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2008. - №5. - С. 29 - 38. (Запропоновано теплову схему аналізу).

6. Редько А.А. Самоциркулирующая система геотермального теплоснабжения / А.А. Редько, В.А. Краснопольский, С.В. Павловский // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2008. - Вип. 49. - С. 166 - 169. (Розроблено теплову та теплодинамічну схему).

7. Редько А.А. Анализ режимов работы геотермальных теплонасосных установок / А.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Нова тема. - Київ: КНУБА, 2008. - №4. - C. 21 - 26. (Розроблено технологічну схему ТНУ).

8. Редько А.А. Теплообменники со взвешенным слоем твердых частиц в системах геотермального теплоснабжения / А.А. Редько, С.В. Павловский, В.А. Краснопольский // Экологическая и техногенная безопасность. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов: сборник научных трудов. - Харків: ВОДГЕО, 2008. - С. 159 - 165. (Обґрунтовано теплову схему теплообмінника).

9. Редько А.О. Методика розрахунку характеристик геотермальних теплонасосних установок/ А.О. Редько, Д.Х. Харлампіді // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Київ: КНУБА, 2008. - Вип. 12. - С . 80 - 92. (Розроблено теплову схему ТНУ).

10. Редько А.А. Ступенчатая система теплоснабжения с теплонасосной установкой / А.А. Редько, И.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Коммунальное хозяйство городов. - Киев «Техніка», 2008. - Вип.84. - С. 155- 158. (Розроблено теплову схему ТНУ).

11. Редько А.О. Термодинамічний аналіз циклів каскадної теплонасосної установки / А.О. Редько // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Київ: КНУБА, 2009. - Вип. 13. - С. 66 - 71.

12. Редько А.А. Гибридная топливно-геотермальная энергетическая станция / А.А. Редько // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2009. - №6. - С. 16 - 22.

13. Редько А.А. Повышение энергетической эффективности циркуляционных геотермальных систем / А.А. Редько, А.П. Кононенко // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ: НГУ, 2009. - №3. - С. 16 - 23. (Запропоновано фізичну модель системи та розрахованої техніко-економічні параметри).

14. Редько А.А. Технико-экономические показатели геотермальных циркуляционных систем теплоснабжения с горизонтальными и вертикальными скважинами / А.А. Редько, В.С. Бугай // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2009. - №3. - С. 17 - 22. (Обґрунтовано технологічну схему геотермальної циркуляційної системи).

15. Редько А.А. Термодинамические параметры геотермальной электрической станции с бинарным сверхкритическим циклом / А.А. Редько // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2009. - №4. - С. 81 - 85.

16. Редько А.О. Термо-економічні показники геотермальної системи теплопостачання / А.О. Редько, Бугай В.С. // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. - Львів: Національний університет «Львівська політехніка», 2009. - №655. - С. 235 - 241. (Визначено показники аналізу системи).

17. Редько А.А. Исследование термодинамических режимов геотермальных теплонасосных установок / А.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2009. - 2(76). - С. 86 - 98. (Запропоновано і обґрунтовано використання методики ХА оптимізації ГЦС).

18. Редько А.О. Про можливість створення геотермальної циркуляційної системи теплопостачання на базі існуючих заводнених газових свердловин Волохівського газоконденсатного родовища Харківської області / А.О. Редько, В.С. Бугай, Н.В. Кулікова // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2009. - Вип. 54. - С. 107 - 111. (Обґрунтовано результати розрахунків).

19. Редько А.А. Термодинамическая эффективность циклов геотермальных энергетических станций / А.А. Редько // Енергетика, економіка, технології, екологія. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2009. - №1 (24). - С. 3 - 8.

20. Редько А.А. Термодинамические параметры геотермальной энергетической станции с фреоновым теплоносителем в бинарном цикле / А.А. Редько // Енергетика, економіка, технології, екологія. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2009. - №2 (25). - С. 3 - 8.

21. Редько А.А. Оптимизация параметров геотермальной циркуляционной системы теплоснабжения/ А.А. Редько, В.С. Бугай // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ: НГУ, 2010. - №5. - С. 99 - 105. (Поставлено задачу і обгрунтовано результати).

22. Редько А.А. Рациональные термодинамические параметры циклов каскадной теплонасосной установки / А.А. Редько // Енергетика, економіка, технології, екологія. - Київ, НТУУ “КПІ”, 2010. - №1. - С. 37 - 42.

23. Редько А.А. Возможности использования двухступенчатых теплонасосных установок в системах геотермального теплоснабжения / А.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ: НГУ, 2010. - №4. - С. 101 - 106. (Розроблено теплову схему ТНУ).

24. Редько А.А. Рациональные термодинамические параметры циклов многоступенчатой геотермальной энергетической станции/ А.А. Редько // Проблемы машиностроения. - Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2010. - №4. - С. 76 - 82.

25. Редько А.А. Теплотехнические характеристики теплообменников геотермальных систем теплоснабжения в условиях образования твердых отложений / А.А. Редько // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2010. - Вип. №56. - С. 238 - 241.

26. Редько А. Прогнозирование температурного режима подземного коллектора геотермальной циркуляционной системы теплоснабжения / А. Редько, С. Павловский, Ю. Бережко, А. Онищенко, И. Загребельный, Е. Шепеленко// Motrol. Motoryzacja i energetyka Polnictwa. - Lublin: Komisja Motoryzacji i Energetyki Polnictwa PAN, 2010. Vol. 12А. - рр. 145 - 152. (Сформульовано постановку задачі та обґрунтовано висновки).

27. Редько А.А. Современное состояние мировой геотермальной энергетики / А.А Редько, Ю.В. Бережко, А.А. Онищенко, С.В. Павловский // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - Харьков. 2010. - №9(79). - С. 34 - 41. (Виконано аналіз і обґрунтування).

28. Редько А.А. Блочно-модульная геотермальная энергетическая станция на базе струйно-реактивной турбины ПТГА-СРТ-475-24/0,5/ А.А. Редько, А.Ю. Овчаренко // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2010. - №1. - С. 39 - 45. (Виконано розрахунки та рекомендації).

29. Редько А.А. Экспериментальное исследование гидравлических режимов геотермальных циркуляционных систем теплоснабжения при эрлифтной эксплуатации / А.А. Редько, В.С. Бугай // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2010. - №2. - С. 60 - 67. (Розроблено методику дослідження та взято участь в їх проведенні).

30. Редько А.А. Прогнозирование температурного режима геотермальной циркуляционной системы теплоснабжения в условиях длительной эксплуатации / А.А. Редько // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2010. - Вип. 58. - С. 291 - 295.

31. Редько А.А. Эксергетический анализ циклов геотермальных станций / А.А. Редько // Энергетика и электрификация. - 2010. - №6. - С. 61- 65.

32. Редько А.А. Гибридная топливно-геотермальная система теплоснабжения с автономным электроснабжением / А.А. Редько // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків:НТУ “ХПІ”, 2010. - №1. - С. 25 - 29.

33. Редько А.А. Повышение эффективности извлечения геотермальних вод с применением стеклопластиковых материалов / А.А. Редько, С.В. Павловский // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2010. - Вип. 58. - С. 259 - 263. (Запропоновано методику розрахунку).

34. Редько А.О. Раціональні режими теплопостачання від комбінованої паливно-геотермальної енергетичної станції / А.О. Редько, В.С. Бугай, С.А. Горожанкін, О.В. Лук'янов // Научный потенциал мира - 2010: междунар. конф., 17-25 сентября 2010 г.: тезисы докл. - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2010. - Том 7. - С. 56 - 59. (Розроблено методику дослідження режимів відпуску теплоти комбінованої паливно-геотермальної станції для систем теплопостачання).

35. Редько А.А. Двухконтурная геотермальная электрическая станция на сверхкритических параметрах / А.А. Редько, С.В. Павловский, Е.Н. Шепеленко // Образование и наука в 21 веке - 2009: материалы 5-й международной практической конференции, София (Болгария). Т. 11. - 2009. - С. 29 - 31. (Розроблено цикл та проаналізовано висновки розрахунку).

36. Редько А.А. Оптимизация параметров высокотемпературной каскадной теплонасосной установки / А.А. Редько, Бережко Ю.В., Онищенко А.А., Шепеленко Е.Н., Загребельный И.Н.// UKR-POWER 2010 Комплексное решение проблем энергосбережения в промышленной и коммунальной энергетике: материалы XXVII международной конференции, Ялта (АР Крым) - 2010. - С. 60 - 63. (Розроблено теплову схему ТНУ).

37. Red'ko A. Energy efficiency of geothermal circulating systems of the heat supply /Andrey Red'ko, Anatoliy Kononenko, Vladimir Bugai // Motrol. Motoryzacja i energetyka Polnictwa. - Lublin: Komisja Motoryzacji i Energetyki Polnictwa PAN, 2009. - Vol. 11А. - рр. 64 - 69. (Розроблено гідравлічну схему системи).

38. Red'ko A. Heat Pumps with High Temperature Heat-Carrier in Decentralized System of Building Heating / А. Red'ko, D. Kharlampidi // World Geothermal Congress 2010.-Bali-Indonesia: Stanford University.- 2010. (Проаналізовано висновки).

39. Red'ko A. The Analysis of Operating Conditions of Geothermal Heat Pump Units / А. Red'ko, D.Kharlampidi, S.Pavlovsky // World Geothermal Congress 2010.-Bali-Indonesia: Stanford University.-2010. (Розроблено теплову схему ТНУ).

40. Редько А.А. Гидравлические режимы эксплуатации геотермальных циркуляционных систем теплоснабжения / А.А. Редько, В.С. Бугай, С.А. Горожанкин, А.В. Лукьянов // Уход от газовой зависимости. Проблемы и пермпективы: междунар. конф., 16-20 марта 2010 г.: тезисы докл. - К.: Ассоциация теплоэнергетических компаний Украины, 2010. - С. 41 - 44. (Сформульовано постановку задачі та обґрунтовано висновки).

41. Редько А.А. Ступенчатая система теплоснабжения с теплонасосной установкой / А.А. Редько, В.А. Краснопольский, И.А. Редько, Д.Х. Харлампиди // Материалы международной научно-технической конференции «Внедрение инновационных технологий и перспективы развития систем теплогазоснабжения и вентиляции». - Харків: ХНАГХ, 2008. - С. 129 - 130. (Розроблено теплову схему системи опалення).

42. Пат.90792 Україна, МПК F24D 11/00, F24J 3/00. Пристрій для геотермального теплопостачання / Редько А.О., Краснопольський В.А., Павловський С.В.; заявник і власник патенту: Редько А.О., Краснопольський В.А., Павловський С.В. - № a200811912; заявл. 07.10.08; опубл. 25.05.10, Бюл. № 10. (Розроблено схема пристрою та формулу винаходу).

43. Пат.91413 Україна, МПК F24D 10/00. Пристрій для трансформації теплоти / Редько А.О., Редько О.Ф.; заявник і власник патенту: Редько А.О., Редько О.Ф. - № a200811920; заявл. 07.10.08; опубл. 26.07.10, Бюл. № 14. (Розроблено схему пристрою).

44. Пат.52126 Україна, МПК F24J 3/08. Спосіб трансформації геотермальної теплоти / Редько А.О., Горожанкін С.А., Бугай В.С.; заявник і власник патенту Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури. - № u201002918; заявл. 15.03.10; опубл. 10.08.10, Бюл. № 15. (Розроблено схему та формулу винаходу).

45. Пат.53278 Україна, МПК F24J 3/00. Пристрій для перетворення геотермальної енергії / Редько А.О., Бугай В.С., Горожанкін С.А., Бережко Ю.В.; заявник і власник патенту Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури. - № u201007729; заявл. 21.06.10; опубл. 27.09.10, Бюл. № 18. (Розроблено схеми та формули винаходу).

геотермальний енергія гідравлічний теплопостачання

АНОТАЦІЯ

Редько Андрій Олександрович. Наукове обґрунтування методів удосконалення систем геотермального теплопостачання.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Донбаська національна академія будівництва та архітектури, Макіївка, 2010.

Розроблені термоекономічні моделі розрахунку і оптимізації параметрів геотермальних систем теплопостачання. Чисельно і експериментально досліджені гідравлічні режими двофазної течії рідини в вертикальних свердловинах при ерліфтному режимі. Розроблена технологія трансформації геотермальної енергії, яка полягає у введенні в експлуатаційну свердловину легкокиплячої рідини, подальшої сепарації і стисканню в компресорі, конденсації при більш високому температурному рівні, по зрівнянню із температурою пластової рідини. Розвивається напрямок розробки і створення багатоступеневої схеми включення ТНУ з температурою конденсації робочої рідини 90-95 єС. Виконані розрахунки термодинамічної ефективності циклів і оптимізації параметрів каскадної ТНУ. Запропоновані теплові схеми бінарної та гібридної енергетичних станцій із каскадним циклом, виконані чисельні дослідження і оптимізація параметрів циклів.

Ключові слова: теплопостачання, геотермальна енергія, трансформація теплоти, комбіновані системи.

АННОТАЦИЯ

Редько Андрей Александрович. Научное обоснование методов усовершенствования систем геотермального теплоснабжения. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы - разработке энергоэффективных решений совершенствования систем геотермального теплоснабжения.

Развивается концептуальная модель процессов преобразования геотермальной энергии в системах геотермального теплоснабжения с температурой жидкости 65-130 єС, которая основана на создании гибридной топливно-геотермальной энергетической станции с включением геотермальной электростанции с бинарным каскадным циклом и пиковой высокотермальной двухступенчатой теплонасосной установкой. Разработаны термодинамические и термоэкономические модели, которые являются научной основой анализа, расчёта и оптимизации параметров геотермальных систем теплоснабжения.

Предложены усовершенствованные физические и математические модели геотермальной циркуляционной системы теплоснабжения, методика термоэкономического анализа, расчета и оптимизации конструктивных и технологических параметров геотермальных систем теплоснабжения с вертикальными наклонно-горизонтальными и совмещенными скважинами; численно определено влияние капитальных и эксплуатационных затрат, режимов теплоснабжения на процессы извлечения и использования геотермальной энергии.

Численно и экспериментально исследованы гидравлические режимы двухфазного течения жидкости в вертикальных скважинах при эрлифтном режиме. Установлены закономерности режимов течения, потерь давления и мощности. Получены расчетные соотношения.

Численные расчёты термоэкономических параметров геотермальных систем теплоснабжения и геолого-технико-экономическое обоснование их длительной эксплуатации указывают на существование оптимальных значений дебита эксплуатационных скважин и их количества; существенное влияние эксплуатационных потерь, связанных с обратной закачкой геотермальной жидкости в пласт.

Разработана технология циркуляции геотермальной жидкости и трансформации геотермальной энергии, которая состоит в введении в эксплуатационную скважину легкокипящей жидкости, дальнейшей сепарации и сжатия в компрессоре, конденсации при более высоком температурном уровне по сравнению с температурой пластовой жидкости.

Разработана физическая и математическая модели, численно и экспериментально обосновано повышение затрат на циркуляцию геотермальной жидкости в системе и существенное снижение затрат на циркуляцию при эргазлифтном режиме эксплуатации системы, особенно в период снижения пластового давления и дебита скважины.

Разработана тепловая схема, усовершенствованы конструкции, разработаны методы моделирования, расчёта и оптимизации многоступенчатого и многоходового теплообменного и сепарационного оборудования с использованием кипящего слоя и тепловых труб, которые обеспечивают минимальный температурный перепад между средами, а также эффективность обработки высокоминерализованной жидкости в силовых полях. Обосновывается использование стеклопластиковых труб.

Развито направление создания многоступенчатых схем включения ТНУ, которые обеспечивают температуру конденсации рабочей жидкости при 90-95 єС и могут использоваться в традиционных системах отопления при геотермальном теплоснабжении. Выполнены расчёты термодинамической эффективности циклов и оптимизации параметров циклов каскадной ТНУ. Обосновано использование рабочих веществ: в нижнем цикле хладона R407с, верхнем - R134а.

Предложена тепловая схема бинарной энергетической станции с каскадным циклом, выполнены численные исследования и оптимизация параметров циклов, обоснованы рабочие вещества, которые используются в циклах станции. Показано, что эффективность геотермальной энергетической станции возрастает в 2-2,3 раза по сравнению с одноступенчатой, сокращается удельный расход геотермальной жидкости до значения 50-52 кг/кВт·ч, что более чем в 3 раза меньше по сравнению с одноступенчатой установкой.

Развивается направление синтеза источников при создании гибридных топливно-геотермальных энергетических станций для использования в теплоснабжении. Показана высокая эффективность снижения потребления органического топлива (природного газа) и более высокая эффективность использования геотермальной энергии за счет включения в тепловую схему двухступенчатой теплонасосной установки. Разработаны рекомендации и создана блочномодульная энергетическая мини(микро)- установка с бинарным циклом мощностью 100-500 кВт.

Разработана методика термодинамического анализа процесса преобразования геотермальной энергии с использованием энтропийного анализа; выполнены расчёты термодинамических потерь в теплонасосных системах и энергетических станциях с каскадным циклом в системах тепло- и электроснабжения. Результаты исследования приняты к внедрению ЗАО «Укрнефтезапчасть», г. Сумы, ЗАО «Харьковхолодмаш», г. Харьков, Государственным концерном «Ядерное топливо», г. Киев, ООО “Еврогаз Украина”, г. Киев при проектировании систем тепло- и электроснабжения и разработке высокоэффективного оборудования, технико-экономическом обосновании разработки геотермальных месторождений для создания системы теплоснабжения.

Ключевые слова: теплоснабжение, геотермальная энергия, трансформация теплоты, комбинированные системы.

ABSTRACT

Redko Andriy. Research study of improvement methods for geothermal heat supply systems. - Manuscript.

Thesis for a Doctor Degree in Technics (Technical Sciences), Specialty 05.23.03 - Ventilation, Lighting, Heat and Gas Supply. - Donbas National Academy of Construction and Architecture, Makijivka , 2010.

Thermoeconomic calculation and optimization models for the parameters of geothermal heat supply systems is researched. Hydraulic conditions of two-phase fluid flow in vertical wells under air-lift operation are subject of numerical and experimental analysis. The paper presents the technology of geothermal energy transformation which lies in injection of easy-boiling liquid into a production well, further separation and compression in a compressor, condensation under higher temperature level in comparison to the temperature of formation liquid. The line of study and production of a multi-stage circuit of HPU with condensation temperature of working liquid of 90-95 єС is under development. Thermodynamic effectiveness of cycles and optimization of cascade HPU parameters are calculated. Flow diagrams of binary and hybrid power plants with a cascade cycle are presented, numerical investigations and optimization of cycles parameters are fulfilled.

Key words: heat supply, geothermal energy, heat transformation, combined systems

Підписано до друку 21.12.2010 р.

Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Друк ризографічний.

Умовн. друк. арк. 1,9. Наклад 100 прим. Зам. № б/н.

Надруковано ПП Степанов В. В., м. Харків, вул. Ак. Павлова, 311.

Размещено на Allbest.ru