А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

•в летний период (ϕ = 0) термоводозабор имеет постоянный дебит геотермальной воды, обеспечивающий тепловую нагрузку горячего водоснабжения;

•с наступлением отопительного периода до включения пикового догрева (ϕ < ϕв) дебит термоводозабора регулируется в зависимости

от нагрузки отопления и полностью обеспечивает геотермальным теплом потребности отопления и горячего водоснабжения;

• при низких температурах наружного воздуха (ϕв ≤ ϕ ≤ 1) дебит

термоводозабора постоянен, равен расчетному и обеспечивает полностью потребность в отоплении теплиц, в то время как на нужды горячего водоснабжения тепла не хватает. Эта нехватка геотермального тепла компенсируется пиковым догревом. Регулирование производится изменением тепловой мощности пикового источника тепла.

где с — удельная теплоемкость геотермального теплоносителя, Дж/(кгæ°С); Gг.в — среднесуточный расход питьевой воды в системе

горячего водоснабжения, кг/с; tг′.в — расчетная начальная темпера-

тура водопроводной воды в системе горячего водоснабжения после пикового догрева с учетом остывания во время транспортировки до

потребителя, °С; tр.г.в = t0′ – δt′ — расчетная температура водопроводной воды системы горячего водоснабжения после сетевого теплообменника, °С; t0′ — расчетная температура обратной воды системы

отопления теплицы; δt′ = 5÷10 °С — разность температур теплоносителей на «горячем» конце противоточного теплообменника.

Значение коэффициента отпуска тепла ϕв, соответствующее вклю-

чению (выключению) пикового догрева, следует вычислять по формуле

где ε — ориентировочный коэффициент эффективности теплообменного аппарата системы горячего водоснабжения в расчетном режиме;

81

tвод — расчетная температура водопроводной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения; tт — температура термальной воды.

Температура наружного воздуха tн.в, соответствующая ϕв, определяется

где tв — температура внутреннего воздуха теплицы; tн′ — расчетная

для отопления теплиц температура наружного воздуха.

График регулирования тепловой мощности пикового источника тепла следует строить, пользуясь зависимостью

Qп = Qп′ – εcGг.в(1 – ϕ)(tт – t0′ ) , (1.43) где Qп — текущая тепловая мощность пикового источника теплоты, Вт; ϕ — текущий коэффициент отпуска тепла.

График общего расхода геотермального теплоносителя в режиме регулирования дебита термоводозабора следует строить по неявной

формуле

ϕ =

где Gт — текущий расход термальной воды, кг/с; К — коэффициент

теплопередачи в расчетном режиме, Вт/(м2 æ°С); F — площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата системы горячего

водоснабжения, м2.

Подставляя в (1.44) значения текущего расхода Gт ≤ Gт′ получаем соответствующие значения ϕ ≤ ϕв. Затем, отложив по оси абсцисс вычисленные значения ϕ, а по ординат — принятые значения Gт,

получим искомый график. При этом расход теплоносителя в летнем режиме (при ϕ = 0) определяется графически. Произведение KF характеризует конструктивные особенности и размеры теплообменного аппарата. Его ориентировочное значение можно вычислить по формулам

82

или

График температуры сбрасываемой геотермальной воды tсбр(ϕ),

необходимый для определения количества теплоты, возвращаемой в водоносный пласт при обратной закачке, следует строить по следующим расчетным зависимостям:

для систем с пиковой котельной в режиме расчетного дебита термоводозабора и работы пикового догрева (при ϕв ≤ ϕ ≤ 1)

для тех же систем в режиме регулирования дебита термоводозабора (при ϕ < ϕв), а также для систем с теплонасосной установкой во

всем диапазоне изменения ϕ (при 0 ≤ ϕ ≤ 1)

для любого пикового источника тепла при выключенной системе отопления теплиц (ϕ = 0)

Во всех случаях определения tсбр текущий расход теплоносителя

определяется по графику зависимости (1.44). По приведенным зависимостям и климатологическим данным могут быть построены годовые графики потребления тепла тепличным комбинатом, горячим водоснабжением и выработки тепла устройством пикового догрева. Это позволит определить, необходимое для технико-экономических расчетов, годовое количество высвобождаемого органического топлива и затраченной электроэнергии при использовании теплонасосной установки. Аналогичным образом подсчитывается количество теплоты, поступающей в водовмещающий пласт при эксплуатации термоводозабора с помощью обратной закачки.

Создание комплексных систем за счет интенсификации отбора геотермального тепла позволит существенно улучшить технико-эконо- мические показатели термоводозаборов, получить дополнительный социальный эффект, сэкономить значительное количество органического топлива. Строительство комплексных систем геотермального теплоснабжения перспективно на большинстве месторождений термальных вод (Махачкала — Тернаирском, Кизлярском, Ханкальском,

83

Мостовском). Например, в районе Тернаирского месторождения эксплуатируется тепличный комбинат площадью 6 га, отапливаемый в настоящее время теплом от котельной на природном газе. В то же время скважины месторождения простаивают из-за отсутствия потребителя, а другие скважины эксплуатируются в прерывистом режиме для отопления пригородного микрорайона, что свидетельствует о низком уровне использования термальных вод. Строительство комплексной системы с отоплением тепличного комбината и тепло- и горячим водоснабжением жилого микрорайона позволит резко улучшить экономические показатели месторождения.

1.6.4. Коррозия и солеотложение в геотермальных системах

Выбор схемы теплоэнергетического использования термальных вод производится на основе гидрогеотермических, теплотехнических, термодинамических и технико-экономических расчетов, с учетом химического состава и минерализации гидротерм, большинство которых склонны к коррозии и отложению солей на поверхностях контакта. При выборе схемы геотермального теплоснабжения необходимо установить:

•можно ли данную термальную воду непосредственно подавать

всистему теплоснабжения;

•можно ли данную воду подвергать пиковому догреву в котлах или теплообменниках;

•какие мероприятия возможны для предотвращения коррозии и солеотложения.

Коррозионное воздействие геотермальных вод на металл обусловлено многими факторами: минерализацией, газосодержанием (сероводород, углекислая кислота, кислород), давлением, температурой (наибольшая скорость коррозии наблюдается при температуре 60— 90 °С), значением рН и т.п.

Самым опасным коррозионно-агрессивным компонентом в термальных водах является кислород. Кислород не содержится в геотермальных водах, он может попадать в воду через неплотности системы, а интенсивность насыщения термальных вод кислородом зависит от их температуры и минерализации. Поэтому особенно тщательно должна быть обеспечена герметичность систем теплоснабжения, чего можно достичь применением сварных соединений и сведением до минимума резьбовых соединений и арматуры. В периоды консервации системы теплоснабжения, во избежание подсоса воздуха, все коммуникации и оборудование, соприкасающиеся с геотермальным теплоносителем, необходимо заполнить водой.

84

Сероводород увеличивает скорость коррозии до 40 %, максимальная коррозия имеет место при его концентрации в воде 4—5 мг/л. Коррозия, вызываемая углекислотой, является минимальной по сравнению с кислородной и сероводородной. Коррозионное воздействие на металл оказывают ионы хлора в сочетании с сероводородом и углекислотой. При попадании в термальную воду кислорода сероводородная коррозия интенсифицируется в 2 раза, углекислотная в 1,5 раза, а хлор-ионная в 3—4 раза. Некоторым термальным водам присуще содержание в них сульфатредуцирующих бактерий, которые при попадании в системы теплоснабжения также ускоряют коррозию до 10—15 раз.

В качестве ингибиторов коррозии в проточных системах применяют различные фосфаты и силикат натрия как в отдельности, так и в сочетании с другими элементами. Силикат натрия весьма эффективен как в условиях кислородной, так и сероводородной коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией от растворенных газов является дегазация воды специальными устройствами, при которой удаляются агрессивные компоненты — сероводород и углекислый газ (рис. 1.12).

Для предотвращения коррозии оборудования и коммуникаций используют двухконтурные системы геотермального теплоснабжения с промежуточными теплообменниками, в которых геотермальным теплом подогревается пресная умягченная вода, поступающая в дальнейшем на потребительские нужды. В таких системах коррозии подвергается теплообменник и коммуникации первичного контура, соприкасающиеся с геотермальным теплоносителем. Для предотвращения коррозии в теплообменниках за рубежом (США, Франция и др.) используют теплообменники с титановыми покрытиями.

В России такие теплообменники не нашли широкого применения из-за дороговизны титана. Для защиты пластинчатого теплообменника от коррозии пластины покрывают защитным слоем. Кроме высоких противокоррозионных свойств защитные покрытия должны обладать

Рис. 1.12. Схема вакуумной дегазации термальных вод:

1 — геотермальная скважина; 2 — дегазатор первой ступени; 3 — дегазационная колонка; 4 — бак-аккумулятор дегазированной воды; 5 — вакуумный насос

85

высокой теплопроводностью. Для получения противокоррозионных покрытий, стойких к воздействию кислых или щелочных сред при повышенных температурах, применяют фторопластовые и фторлоновые лаки и эмали, фенольные, эпоксидные, хлорвиниловые лакокрасочные материалы. Для увеличения длительности эксплуатации противокоррозионных полимерных покрытий их наносят на металлизационный слой из алюминия или цинка, т.е. получают металлизационно-полимерные покрытия с улучшенным адгезионным контактом с изделием. В настоящее время выпускают пластиковые трубы разных марок, выдерживающих большие давления и температуры. Применение таких труб в системах геотермального энергоснабжения полностью разрешит проблему коррозии в коммуникациях, предназначенных для транспортировки первичного геотермального теплоносителя. Весьма перспективны металлополимерные высокопрочные трубы, выдерживающие температуру теплоносителя до 100 °С. Такие трубы изготовляют из алюминия в сочетании с окружающими его слоями особо прочного полиэтилена.

Стабильной называют воду, не вызывающую коррозии поверхностей с которыми она соприкасается, и не выделяющую на этих поверхностях осадка, например, карбоната кальция. Солеотложение возникает тогда, когда нарушается термическое или динамическое равновесие в термальном растворе, и проявляется оно тем сильнее, чем резче произошло это нарушение. Химические типы минеральных отложений многообразны: карбонаты (кальцит, арагонит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит), сульфиды (пирит, гидротроилит), окислы (лимонит, кремнезем), самородные элементы (свинец, сера). Отложение карбоната кальция является наиболее распространенным типом солезарастания. Практически все типы поверхностных и подземных вод близки к насыщению по карбонату кальция. И требуется незначительный сдвиг равновесия, который может выражаться в изменении давления, температуры, минерализации раствора для того, чтобы в твердую фазу выделился кальцит.

Солеотложение или коррозионная активность зависят от углекислотного равновесия. Различные формы углекислотных соединений в термальных водах находятся в динамическом равновесии:

2HCO–3 ↔ CO23– + CO2 + H2O.

Из формулы видно, что определенная концентрация бикарбонатных ионов в воде обеспечивается некоторым количеством свободной углекислоты, соответствующим этой концентрации. Такая углекислота называется равновесной. Если концентрация углекислого газа в воде больше равновесной, то уравнение сдвигается в сторону образования бикарбонатных ионов с одновременным уменьшением концент-

86

рации ионов CO23– . Напротив, если концентрация CO2 ниже равновесной, то бикарбонатные ионы разлагаются с образованием ионов CO23– и увеличением концентрации CO2. В термальной воде, как и во

всех природных водах, присутствуют ионы кальция. Следует подчеркнуть, что бикарбонат кальция — хорошо растворимое соединение, а карбонат кальция, напротив, трудно растворимое соединение, кото-

рое выпадает в осадок. Поскольку CO23– участвует в углекислотных

равновесиях, концентрация углекислого газа влияет на протекание реакции

CaCO3↓ ↔ Ca2+ + CO23– .

Если в пластовых условиях термальная углекислая вода насыщена карбонатом кальция, то при выходе на поверхность и постепенном снижении давления происходит дегазация углекислоты из термального раствора и многократное его пресыщение по кальциту. На поверхности, при дальнейшем снижении давления (после устьевой задвижки, переходе воды из трубы меньшего диаметра в больший и т.д.), пресыщенный раствор выпадает в осадок. В процессе солеотложения ухудшаются теплотехнические характеристики отопительных приборов, возрастают гидравлические сопротивления трубопроводов, возможна их полная закупорка и выход системы из строя (рис. 1.13 и 1.14). В г. Кизляре из-за интенсивного солеотложения в течение

Рис. 1.13. Солеотложение:

а — на повороте трубы диаметром 250 мм (Тернаирское геотермальное месторождение); б — на линии сброса в трубе диаметром 100 мм (Кизлярское геотермальное месторождение)

87

а)

б)

Рис. 1.14. Солеотложение в кожухотрубном теплообменнике (Тернаирское месторождение термальных вод)

одного года перестала функционировать однотрубная система геотермального теплоснабжения. Отложения солей в трубах геотермальных систем имеют ярко выраженный кристаллический характер. Степень адгезии и размеры кристаллов зависят от температуры и давления, при которых формировалось солеотложение.

Наблюдения за процессом отложения карбоната кальция в геотермальных системах на месторождениях вод различного химического состава, минерализации, температуры и давления на устье скважины, наличия взвешенных частиц и т.д. показали, что отложение карбоната кальция для вод различных скважин происходит в строго определенном месте по трассе транспортировки воды. Это место при про-

88

чих равных условиях характеризуется значениями давления и температуры, которые для различных вод неодинаковы. Чаще всего отложение карбоната кальция возникает за задвижками, в местах резкого падения давления. Вначале отложения в трубе носят островной характер, затем образуется сплошное кольцо отложений, на которое наслаиваются новые слои. Для предупреждения отложений из карбоната кальция применяют полифосфатную обработку воды или поддерживают значение рН примерно 6,5—7,5. Такие меры обеспечивают стабильность воды.

Небольшие добавки в геотермальную воду полифосфатов, в частности гексаметафосфата натрия (ГМФН) в количестве 1—3 мг/л в пересчете на Р2О5, препятствуют осаждению карбоната кальция.

Предотвращение карбонатных отложений объясняют образованием на микрокристаллах СаСО3 адсорбционной пленки метафосфатных

соединений, которая затрудняет рост микрокристаллов и влияет на процесс кристаллизации. Эффективность применения фосфатирования воды определяется на основании предварительных испытаний. Дозу ГМФН необходимо в процессе эксплуатации уточнять. Хорошие результаты дает комбинированное применение полифосфатных соединений и силиката натрия.

Глубокая дегазация термальных вод во многом позволит решить проблемы солеотложения и коррозии (рис. 1.15). Из скважины вода поступает в вакуумный дегазатор и далее в накопительный бак. Накопительный бак одновременно является отстойником для минерального шлама, выпадающего из воды после дегазации. На схеме показаны две параллельные линии: когда одна линия работает, вторая очищается от накопившегося шлама. Вода из накопительного бака направляется в теплообменник, где она передает тепло пресной умягченной воде, которая в последствии направляется в систему теплоснабжения. Отработанная термальная вода направляется на сброс на поверхность, а при наличии в ней компонентов препятствующих такому сбросу закачивается обратно в пласт.

Рис. 1.15. Схема подготовки термальных вод, склонных к солеотложению:

1 — добычная скважина; 2 — вакуумный дегазатор; 3 — накопительный бак; 4 — теплообменник; 5 — нагнетательная скважина

89

Упрощенный вариант этого метода в течение ряда лет применялся на Кизлярском месторождении термальных вод. Термальная вода

температурой 100 °С поступала в бак вместимостью 10 м3, где вследствие снижения давления от устьевого до атмосферного происходила резкая дегазация геотермального раствора и сдвиг карбонатного равновесия в сторону образования СаСО3. Для облегчения

выделения СаСО3 и интенсификации процесса кристаллизации

внутрь бака были вставлены деревянные решетки. Практически весь карбонат кальция выделялся на стенках бака и решетках. Через 15— 20 дней воду переключали на другой бак. Заросшие бак и решетки вручную очищались и подготавливались к новому циклу. Такой метод снятия карбоната кальция связан с некоторой потерей (и так малого) температурного потенциала термальной воды.

Для предотвращения коррозии и солеотложений в системах геотермального теплоснабжения можно использовать эффективный реагент ОЭДФК (оксиэтилидендифосфоновая кислота), обладающий длительным антикоррозионным и антинакипным действием пассивации поверхности, которое объясняется образованием на ней прочно сцепленного с поверхностью и плохо смываемого слоя комплексона [67]. Восстановление пассивирующего слоя ОЭДФК осуществляется путем периодического импульсного ввода раствора реагента в термальную воду у устья добычной скважины. Недостатком всех реагентных методов является то, что их осуществление требует создания специальных сооружений для хранения и дозирования реагента, контроля за его действием, квалифицированного обслуживающего персонала и т.д.

Значительное снижение солеотложения достигается при ультразвуковой обработке геотермальной воды. Наибольший эффект достигается при сочетании ультразвука с магнитной обработкой воды. Под действием ультразвука кристаллы образуются не на поверхности металла, а в толще воды и в дальнейшем переходят в шлам. Ультразвуковые установки были испытаны на Кизлярском и Тернаирском геотермальных месторождениях. Отложения солей не обнаружены ни в одном из узлов, что подтверждает высокую эффективность метода. Эффективность метода зависит от конструкции устройства ввода акустических волн в систему, акустического контакта между вибраторами и устройством ввода, а также мощности акустического поля. Введение ультразвука в систему перпендикулярно к поверхности осаждения или в жидкость неэффективно, так как теряется 90—95 % акустической энергии. Эффективность акустической энергии проявляется при ее распространении вдоль границы «подложка — отложение».

90