Помощь студентам в учебе
Численное моделирование теплопереноса в конструкции геотермальной скважины
|
Введение 10
Глава 1. Исследования в области эксплуатации геотермальных скважин 14
Глава 2. Постановка задачи и метод ее решения 27
2.1 Математическая модель 28
2.2 Метод решения и исходные данные 29
Глава 3. Результаты численного моделирования 31
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 35
Глава 5. Социальная ответственность 55
Заключение 74
Список использованных источников 75
Приложение 1 81
Глава 1. Исследования в области эксплуатации геотермальных скважин 14
Глава 2. Постановка задачи и метод ее решения 27
2.1 Математическая модель 28
2.2 Метод решения и исходные данные 29
Глава 3. Результаты численного моделирования 31
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 35
Глава 5. Социальная ответственность 55
Заключение 74
Список использованных источников 75
Приложение 1 81
Земная кора все еще хранит огромные запасы ископаемого топлива, но экономически полезная часть этой ресурсной базы намного меньше, а промышленность, как правило, нацелена в первую очередь на самые высококачественные и легкодоступные ресурсы.
На уголь, нефть, газ в настоящее время, приходится 80% вырабатываемой энергии. Если мы хотим, чтобы наше общество продолжало использовать энергию с промышленным расходом не только в течение многих лет или даже десятилетий, но и столетий в будущем, то нам потребуются источники энергии, которые можно поддерживать более или менее неограниченное время. Такие энергоресурсы, как нефть, природный газ и уголь, явно являются невозобновляемыми, поскольку время, необходимое для их формирования в результате естественных процессов, измеряется десятками миллионов лет, в то время как имеющиеся запасы обеспечат общество энергией в лучшем случае лишь на несколько десятилетий в будущем при текущих темпах использования.
В отличие от этого, солнечные фотоэлектрические и солнечные тепловые источники энергии полагаются на солнечный свет, который для практических целей не истощается и, предположительно, будет доступен в таких же количествах через тысячу лет. Некоторые энергетические ресурсы являются возобновляемыми, но все же способны истощаться. Например, древесину можно заготавливать в лесах, которые восстанавливаются сами по себе. Однако скорость заготовки имеет решающее значение: при чрезмерной заготовке леса деревья не смогут расти достаточно быстро, и лес уменьшится и исчезнет. Даже возобновляемые энергетические ресурсы, не подверженные истощению, тем не менее, ограничены размером ресурсной базы [1].
Геотермальная энергия - практически неисчерпаемый ресурс. Только в верхнем трехкилометровом слое земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии, что значительно превосходит количество потребляемой на планете энергии [2].
Получение геотермальной энергии возможно почти в любой точке Земли, но не везде одинаково целесообразно использовать данный энергоресурс. Наиболее выгодно располагать геотермальные станции в местах выхода геотермальных вод и пара практически на поверхность. Такие зоны располагаются в разных уголках земного шара, в основном в районах с сейсмической и вулканической активностью, и могут использоваться как основной или дополнительный энергоресурс [3].
На данный момент наиболее широкое распространение геотермальная энергетика получила в Исландии, Сальвадоре, Новой Зеландии, Кении и Филиппинах [4], что объясняется доступностью данного вида энергии в этих странах за счет их расположения в сейсмически активных зонах. Странами- лидерами по выработке энергии из геотермальных источников являются Соединенные Штаты, Индонезия, Филиппины, Турция, Новая Зеландия, Мексика, Кения, Италия, Исландия и Япония. На 2019 год суммарная мощность энергии геотермальных станций составляет 13,9 ГВт при ежегодном приросте с 2010 года в среднем на 440 МВт [5].
Интерес к данному энергоресурсу объясняется наличием неоспоримых достоинств по сравнению с другими источниками энергии:
1) работа геотермальных станций стабильна и не зависит от погодных условий, смены дня и ночи и времени года;
2) станции могут работать автономно на своем вырабатываемом топливе (внешний источник энергии необходим только для первого запуска насоса);
3) геотермальные станции, располагающиеся на берегах морей или океанов, могут использоваться для опреснения воды.
Помимо большого числа достоинств, у данного вида энергетики имеются и недостатки:
1) большие первоначальные затраты на проектирование и строительство станции;
2) зависимость от мест выхода пара и воды ближе к поверхности земли;
3) через скважину могут происходить выбросы горючих и токсичных газов, содержащихся в земной коре;
4) остановки станции из-за изменений в земной коре [6].
В октябре 2020 года независимая компания по энергетическим исследованиям и бизнес-аналитике Rystad Energy опубликовала прогноз развития мировой геотермальной энергетики, согласно которому рост мощностей только продолжит увеличиваться в ближайшие пять лет. Одной из причин этому станет ускоряющийся энергетический переход на альтернативные источники энергии.
Температура Земли с глубиной увеличивается в среднем на 1К через каждые 30 м. На глубине 3 км температура приблизительно равна 100 °С, а на глубине 60 км температура достигает 1800 °С. Полный тепловой поток изнутри земли примерно 26 ТВт. Это в десять раз больше энергии, которую можно извлечь из всех предполагаемых запасов угля, нефти и природного газа.
Глубина, при которой температура горных пород повышается на 1 К, называется геотермической ступенью. Она составляет примерно 30-33 м, но в экстремальных условиях бывает всего лишь полметра.
Источники геотермальной энергии делятся на пять типов:
1. Месторождения геотермального сухого пара;
2. Источники влажного пара (смеси пара и горячей воды);
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду);
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2км и более);
5. Магмы.
По температуре теплоносителя геотермальные источники делятся на эпитермальные (температура воды 50-90 °С), мезотермальные (температура воды 100-200 °С) и гипотермальные (температура превышает 200 °С) [1].
Протекающие в грунтовом массиве физические и гидравлические процессы, в период эксплуатации геотермальной скважины, существенно влияют на формирование температурного поля вокруг нее, и на систему низкопотенциального сбора в целом. Грунтовый массив является сложным «исследовательским материалом». Знания, концепции и методы различных инженерных разделов используются для формирования исследований в процессе многолетней эксплуатации скважин.
Чаще всего, грунтовый массив является трехкомпонентной системой и включает в себя твердые минеральные частицы, воду в различных видах и состояниях и газообразные включения. Все эти компоненты грунта находятся в сложном взаимодействии, что обуславливает сложность исследований. В качестве метода исследования процессов наиболее широко распространен метод математического моделирования [6].
Разработка расчетных моделей тепломассопереноса в грунтовых породах при работе геотермального теплообменника, приобретает все большее научно-прикладное значение в инженерной практике. Этот метод позволяет исследовать динамические характеристики системы и получить их гораздо быстрее и с меньшими затратами, чем экспериментально.
Актуальность данной работы определяется необходимостью разработки научно обоснованных подходов к исследованию тепловых режимов геотермальных систем, учитывающих реальные условия эксплуатации рассматриваемых систем.
Цель работы - оценка влияния конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины на изменение теплопритоков к ней.
Задачи:
1. Разработка физической модели конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины;
2. Разработка математической модели конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины;
3. Численный анализ влияния конденсации влаги в конструкции
геотермальной скважины на изменение теплопритоков к ней.
На уголь, нефть, газ в настоящее время, приходится 80% вырабатываемой энергии. Если мы хотим, чтобы наше общество продолжало использовать энергию с промышленным расходом не только в течение многих лет или даже десятилетий, но и столетий в будущем, то нам потребуются источники энергии, которые можно поддерживать более или менее неограниченное время. Такие энергоресурсы, как нефть, природный газ и уголь, явно являются невозобновляемыми, поскольку время, необходимое для их формирования в результате естественных процессов, измеряется десятками миллионов лет, в то время как имеющиеся запасы обеспечат общество энергией в лучшем случае лишь на несколько десятилетий в будущем при текущих темпах использования.
В отличие от этого, солнечные фотоэлектрические и солнечные тепловые источники энергии полагаются на солнечный свет, который для практических целей не истощается и, предположительно, будет доступен в таких же количествах через тысячу лет. Некоторые энергетические ресурсы являются возобновляемыми, но все же способны истощаться. Например, древесину можно заготавливать в лесах, которые восстанавливаются сами по себе. Однако скорость заготовки имеет решающее значение: при чрезмерной заготовке леса деревья не смогут расти достаточно быстро, и лес уменьшится и исчезнет. Даже возобновляемые энергетические ресурсы, не подверженные истощению, тем не менее, ограничены размером ресурсной базы [1].
Геотермальная энергия - практически неисчерпаемый ресурс. Только в верхнем трехкилометровом слое земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии, что значительно превосходит количество потребляемой на планете энергии [2].
Получение геотермальной энергии возможно почти в любой точке Земли, но не везде одинаково целесообразно использовать данный энергоресурс. Наиболее выгодно располагать геотермальные станции в местах выхода геотермальных вод и пара практически на поверхность. Такие зоны располагаются в разных уголках земного шара, в основном в районах с сейсмической и вулканической активностью, и могут использоваться как основной или дополнительный энергоресурс [3].
На данный момент наиболее широкое распространение геотермальная энергетика получила в Исландии, Сальвадоре, Новой Зеландии, Кении и Филиппинах [4], что объясняется доступностью данного вида энергии в этих странах за счет их расположения в сейсмически активных зонах. Странами- лидерами по выработке энергии из геотермальных источников являются Соединенные Штаты, Индонезия, Филиппины, Турция, Новая Зеландия, Мексика, Кения, Италия, Исландия и Япония. На 2019 год суммарная мощность энергии геотермальных станций составляет 13,9 ГВт при ежегодном приросте с 2010 года в среднем на 440 МВт [5].
Интерес к данному энергоресурсу объясняется наличием неоспоримых достоинств по сравнению с другими источниками энергии:
1) работа геотермальных станций стабильна и не зависит от погодных условий, смены дня и ночи и времени года;
2) станции могут работать автономно на своем вырабатываемом топливе (внешний источник энергии необходим только для первого запуска насоса);
3) геотермальные станции, располагающиеся на берегах морей или океанов, могут использоваться для опреснения воды.
Помимо большого числа достоинств, у данного вида энергетики имеются и недостатки:
1) большие первоначальные затраты на проектирование и строительство станции;
2) зависимость от мест выхода пара и воды ближе к поверхности земли;
3) через скважину могут происходить выбросы горючих и токсичных газов, содержащихся в земной коре;
4) остановки станции из-за изменений в земной коре [6].
В октябре 2020 года независимая компания по энергетическим исследованиям и бизнес-аналитике Rystad Energy опубликовала прогноз развития мировой геотермальной энергетики, согласно которому рост мощностей только продолжит увеличиваться в ближайшие пять лет. Одной из причин этому станет ускоряющийся энергетический переход на альтернативные источники энергии.
Температура Земли с глубиной увеличивается в среднем на 1К через каждые 30 м. На глубине 3 км температура приблизительно равна 100 °С, а на глубине 60 км температура достигает 1800 °С. Полный тепловой поток изнутри земли примерно 26 ТВт. Это в десять раз больше энергии, которую можно извлечь из всех предполагаемых запасов угля, нефти и природного газа.
Глубина, при которой температура горных пород повышается на 1 К, называется геотермической ступенью. Она составляет примерно 30-33 м, но в экстремальных условиях бывает всего лишь полметра.
Источники геотермальной энергии делятся на пять типов:
1. Месторождения геотермального сухого пара;
2. Источники влажного пара (смеси пара и горячей воды);
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду);
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2км и более);
5. Магмы.
По температуре теплоносителя геотермальные источники делятся на эпитермальные (температура воды 50-90 °С), мезотермальные (температура воды 100-200 °С) и гипотермальные (температура превышает 200 °С) [1].
Протекающие в грунтовом массиве физические и гидравлические процессы, в период эксплуатации геотермальной скважины, существенно влияют на формирование температурного поля вокруг нее, и на систему низкопотенциального сбора в целом. Грунтовый массив является сложным «исследовательским материалом». Знания, концепции и методы различных инженерных разделов используются для формирования исследований в процессе многолетней эксплуатации скважин.
Чаще всего, грунтовый массив является трехкомпонентной системой и включает в себя твердые минеральные частицы, воду в различных видах и состояниях и газообразные включения. Все эти компоненты грунта находятся в сложном взаимодействии, что обуславливает сложность исследований. В качестве метода исследования процессов наиболее широко распространен метод математического моделирования [6].
Разработка расчетных моделей тепломассопереноса в грунтовых породах при работе геотермального теплообменника, приобретает все большее научно-прикладное значение в инженерной практике. Этот метод позволяет исследовать динамические характеристики системы и получить их гораздо быстрее и с меньшими затратами, чем экспериментально.
Актуальность данной работы определяется необходимостью разработки научно обоснованных подходов к исследованию тепловых режимов геотермальных систем, учитывающих реальные условия эксплуатации рассматриваемых систем.
Цель работы - оценка влияния конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины на изменение теплопритоков к ней.
Задачи:
1. Разработка физической модели конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины;
2. Разработка математической модели конденсации влаги в конструкции геотермальной скважины;
3. Численный анализ влияния конденсации влаги в конструкции
геотермальной скважины на изменение теплопритоков к ней.
Проведено численное исследование влияния конденсации пара в конструкции геотермальной скважины на снижение теплопритоков в рассматриваемой системе.
Выявлено, что конденсация пара в конструкции геотермальной скважины приводит к снижению теплопритоков к ней на 4.55-31.19 %.
Показано, что применение даже сравнительно простых моделей теплопереноса (задача (1)-(8)) позволяет прогнозировать изменение теплопритоков к геотермальной скважине в условиях конденсации пара в ее конструкции.
Разработаны разделы «Менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность». В разделе «Менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» составлен перечень работ и произведена оценка времени их выполнения, составлена смета затрат на проект, составлена смета затрат на оборудование и оплату труда исследователей для реализации проекта. В разделе «Социальная ответственность» рассмотрен компьютерный кабинет на предмет возникновения вредных и опасных факторов.
Выявлено, что конденсация пара в конструкции геотермальной скважины приводит к снижению теплопритоков к ней на 4.55-31.19 %.
Показано, что применение даже сравнительно простых моделей теплопереноса (задача (1)-(8)) позволяет прогнозировать изменение теплопритоков к геотермальной скважине в условиях конденсации пара в ее конструкции.
Разработаны разделы «Менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность». В разделе «Менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» составлен перечень работ и произведена оценка времени их выполнения, составлена смета затрат на проект, составлена смета затрат на оборудование и оплату труда исследователей для реализации проекта. В разделе «Социальная ответственность» рассмотрен компьютерный кабинет на предмет возникновения вредных и опасных факторов.