CC BY
8
© П. Буйок, М. Клемпа, И.А. Страупник, В.К. Чистяков, 2012
УДК 622.24+621.57
П. Буйок, М. Клемпа, H.A. Страупник, В.К. Чистяков
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН НА «ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ПОЛИГОНЕ» ОСТРАВСКОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА (ЧЕХИЯ)
Среди возобновляемых источников энергии низко потенциальная энергия тепла горных пород становится все более распространенной и находит все большее применение в секторе гражданского строительства. Исследования проводились в рамках реализуемого проекта «Исследовательского полигона», размешенного на территории Остравского технического университета. Новый лекционный зал Университета отапливается с помошью системы тепловых насосов. Данный объект, используюший подобную отопительную систему, является самым крупным в Центральной Европе. На территории, где размешены теплообменные скважины, также находятся наблюдательные скважины, которые оснашены температурными датчиками, измеряюшими температуру в циркуляционной системе и массиве горных пород. Главной целью работы является оценка эффективности работы теплооб-менных скважин «Исследовательского полигона».
Ключевые слова: низко потенциальная энергия, исследовательский полигон, возобновляемые источники энергии, измерения температуры, тепловой насос.
1. Вступление
В 2006 году, при финансовой поддержке Европейского союза и Технического агентства Чешской Республики (ТДСН-ДЬРД №. ТА01020932), на базе Остравского технического университета открыл новый Университетский зал и Центр Инновационных Технологий (ЦИТ). В здании располагается: главный зал с обшей вместительностью 473 места и несколько меньших залов с обшей вместительностью 370 мест, трансформаторное помешение, машинное отделение кондиционирования воздуха и отопления, офисы и склады. В основании здания есть также подземный гараж. Полная закрытая плошадь составляет 9 234 м2. Для отопления данного комплекса помешений был создан «Исследовательский полигон», состояший в свою очередь из двух: «Большого» и «Малого» [2].
«Большой Исследовательский полигон» (спроектирован специально для наблюдения за влиянием работы теплообменных скважин на окру-жаюший горный массив) расположен в непосредственной близости с Новым залом и ЦИТ.
Установленная система состоит из десяти тепловых насосов шведской компании 1УТ марки Э70 обшей мошностью 700 кВт и сетью 110 скважин глубиной 140 м (суммарная глубина составила 15 400 м). Скважины расположены под парковочны-ми местами на прилегаюшей территории.
«Малый исследовательский полигон» (спроектирован для исследования теплового, аккумулятивного и регенеративного поведения горных пород в условиях влияния на них дей-ствуюших теплообменных скважин)
Геотехнологические параметры скважин
Глубина, м Ш, мм Описание горных порол Тип коллектора Тип заполнителя за-трубного пространства
от до
0 8 152 Суглинок 140 м 2x32 мм (двойная U-образная) Смесь цемента PC 425 и бентонит SWELL GEL
8 22 152 Перемежение песков
22 90 120 Плотная глина
90 140 120 Перемежение песчаников и аргиллитов
расположен около Исследовательского Энергетического центра на территории кампуса Университета в Ост-раве-Порубе (рис. 1).
В данной работе использован материал, собранный с «Большого» полигона за период с сентября 2007 года по май 2010 год.
2. Система теплообменных скважин
Система теплообменных скважин состоит из собственно скважин, измерительной системы и системы тепло-обменных коллекторов, установленных в скважине.
А. Скважины
Действующие теплообменные скважины оснащены парами полиэтиленовых коллекторов диаметром 32 мм. На входящей (холодной) линии коллектора на глубинах 20, 50, 100 и 140 м установлена система температурных датчиков типа РТ-1000. Такие же температурные датчики на глубинах 20 и 100 м установлены и на выходящей (теплой) линии. Наблюдательные скважины оснащены заглушенными полиэтиленовыми трубками того же диаметра - 32 мм (исключение - скважина МУ03, где диаметр равен 40 мм). Система из четырех датчиков типа РТ-1000 была установлена на глубинах 20, 50, 100 и 140 м. Некоторые геологические и технические параметры скважин пред-
ставлены в табл. 1, а схема расположения температурных датчиков представлена на рис.2.
А
А-А
Рис. 2. Схема температурных датчиков
Температура,'3 С
/
; 1
1 1 1
1 ^ \ 1
1
V
Восходящая ветвь
Скважина
--Нисходящая е етвь
---- Температура горных пород -СкважинаМУЗ
Рис.3. Отображение информации о температурах скважин
<f\ t
jM
Рис.4. Форма представление информации после ее обработки
В. Измерительная система Измерительная система состоит из группы датчиков, описанных выше,
программируемом автоматической машиной, способной автоматически измерять температуру. Модули X20AT4222 обрабатывают данные, получаемые от датчиков. На компьютере в лаборатории тепловых насосов установлена среда визуализации Promotic. Благодаря этой системе, пользователь может наблюдать за конкретными температурами от всех датчиков и выполнять с ними все необходимые операции (архивация, удаление, добавление новых данных и т.д.) [3]
Обработка информации возможна благодаря специальному программному обеспечению шведской компании - ELCOM AUTOMATION, которая создала тепловые насосы и которая принимала участие в проектировании и строительстве Полигона. Визуализированная схема «Большого исследовательского полигона» и данные, получаемые от датчиков в реальном времени представлены на рис. 3.
3. Этапы обработки данных
Первый этап работы включал в себя обработку информации, полученной от измерительной системы, а именно: статистическая обработка, исключение ошибочных данных, выявление датчиков работающих неисправно и представление информации в виде графиков (рис.4). После обработки информации были
Рис. 5. Пример графика с ошибочными данными
Рис. 6. Схема расположения скважин «Большого исследовательского полигона»
выделены наиболее информативные периоды работы системы теплооб-менных скважин.
Данные с датчиков в некоторых скважинах часто отсутствовали или были заведомо неверными. В качестве примера приведен график подобный рис. 4, на нем изображены данные получаемые от скважины У084. Показания трех из шести датчиков
лежат вне области реально существующих температур (рис. 5).
Второй этап включал в себя выявление периодов активной работы системы скважин, которые оборудованы температурными датчиками, с целью выявления закономерностей между цикличностью работы системы и колебаниями температур в скважинах. Были определены периоды работы теплового насоса, обеспечивающего работу 10 теплообменных скважин «Большого полигона» (рис. 6). Данные были совмещены с показаниями температур различных датчиков. На примере совмещены данные показания датчика на глубине 140 м скважины У071 за период 01-17.03.2008 г. (рис. 7). Третий этап включал в себя определение влияния работы системы на окружающий массив горных пород, с использованием информации, полученной от 5 наблюдательных скважин. Последним этапом анализа являлось определение эффективности работы скважинного тепло-обменного контура.
Вывоаы
Важно отметить несовершенство измерительной системы, так как датчики измеряют температуру поверхности полиэтиленового коллектора, а не в потоке теплоносителя, что вносило некоторую неточность в измерения. В связи с этим, встает новая проблема усовершенствования измерительной системы, что и планируется сделать в ближайшем будущем, а именно, планируется пробурить новые скважины и оборудовать их новым оптическим кабелем, способным измерять температуру по всей глубине скважине. Часть датчиков измерительной системы периодически или постоянно не функционировали. Диаграмма количества неработающих датчиков представлена на рис. 8.
Рис. 7. Совмещение данных. Вверху - показания датчика, внизу - суточная нагрузка теплового насоса
Месяцы
Рис. 8. Диаграмма работы датчиков
Глубина бурения скважин, которая составляет 140 м, оказалась необоснованна, так как согласно получен-
ным данным основной теплообмен в скважинах происходит на глубинах ориентировочно до 50...70 м, а глубже, по данным датчиков на глубинах 100 и 140 м, заметной разницы температур не наблюдается.
Колебания температур в пяти наблюдательных скважинах МУ не превышала 0,1 °С, что можно отнести к погрешности измерений. Опираясь на данный факт можно сделать вывод о том, что радиус влияния теплообменной скважины за весь рассматриваемый период работы системы не превысил 5 м, именно такое расстояние между скважинами МУ1 и У075, МУ1 и У084 (см. рис. 6).
После обработки данных, полученных с помо-шью датчиков, расположенных в самом тепловом насосе, стала известна разница температур теплоносителя на входе и выходе из него, и она колебалась в пределах от 3,5 до 5 °С, что свидетельствует о достаточно эффективности работы системы в целом. На практике для эффективной работы подобных систем необходим перепад температур 3.8 °С.
Также следует отметить эффективность работы системы, с точки зрения выполнения ее непосредственных задач, то есть отопление и кондиционирование по-мешений. Однако, тот факт, что функционирование теплообменных
Рис. 9. Влияние режима работы теплового насоса на эффектвность работы теплообменной скважины
скважин не оказало никого ошутимого влияния на окру-жаюший горный массив, говорит о том, что число скважин больше, чем это необходимо.
Так как скважинная измерительная система не имеет датчиков на входе и выходе из коллектора, то оценить перепад температур между его холодной и теплой ветками можно на глубине 20 м и сопоставить эти данные с режимом работы теплового насоса. Для примера (рис. 9) приведены графики для скважины У071 за тот же период, что и на рис. 7. Как видно из графика разница температур, а значит и эффективность работы скважины [1], находится в сильной зависимости от режима работы теплового насоса.
1. Страупник И.А., Чистяков В. К. Расчет и оценка эффективности теплообменных скважин//- Проблемы научно-техни-ческого прогресса в бурении скважин, сборник докладов, 23-25 ноября 2009, Томск: - Изд-во ТПУ, С. 84-89.
2. Klempa M., Bujok P., Pospisil P.; Hajovsky R. "The experiences from construction and operations of the experimental underground heat storage reservoir in the campus of VSB -
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Technical university of Ostrava, in Proc. 11th International Multidisciplinary Scientific GeoConference, 20 - 25 June 2011, pp 115122, Albena, Bulgaria, ISSN 1314-2704.
3. Klempa M., Bujok P., Rado R. Analiza pomiaryw inklinometrii w otworach geotermalnych na poligonie doswiadczalnych VSB-Uniwersytet Techniczny w Ostrawie. Wiertnictwo Nafta Gas, TOM 27, Zeszyt 1-2, ss. 91-100, ISSN 1507-0042, 2010. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Буйок Петер - профессор, [email protected], Клемпа Мартин - инженер, [email protected] VSB - Technical University of Ostrava,
Страупник И.А. - аспирант кафедры бурения скважин, [email protected]
Чистяков Валерий Константинович - доктор технических наук, профессор, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный горный университет.
