Пристрій для видобування геотермальної енергії

1. Пристрій для видобування геотермальної енергії, який містить металічний корпус, закріплений на системі підвіски у свердловині на глибині термального шару, трубні комунікації, що виконані з можливістю циркуляції між пристроєм і поверхнею землі теплоносія, який відрізняється тим, що він виконаний у вигляді воднево-металогідридної теплової помпи, яка виконана у вигляді сигароподібної конструкції, що розділена на дві ємності, в разі використання теплової помпи періодичної дії, або на чотири ємності, в разі використання теплової помпи безперервної дії, що з'єднані попарно між собою трубними переходами для водню, кожна пара ємностей виконана у вигляді металогідридного генератора-сорбера водню. 2. Пристрій для видобування геотермальної енергії за п. 1, який відрізняється тим, що кожна ємність розділена горизонтальними перегородками на 5 відсіків, середній з яких має найбільшу висоту, а решта відсіків мають однакову між собою висоту, що виконані як перехідні камери для теп U 2 21566 1 3 21566 Шурчков, Г.М. Забарний, М.Й. Горохов, A.M. Разаков, С.Є. Наумов, Т.Г. Крупевич, Н.М. Аронова "Розвиток децентралізованого енергопостачання на основі нетрадиційних місцевих енергоресурсів" - К., Н АНУ, ІТТФ, 2001, - с 30-33, мал. 5.2 Технологічна схема систем теплопостачання із ГЦС]. Відомий пристрій для видобування геотермальної енергії, який складається з підземної і наземної частин. Підземна частина містить занурюваний у свердловину роторно-відцентровий насос, систему електроживлення насоса та водовідводну від насоса трубну систему. Наземна частина складається з теплопункту, який містить водоочисне, теплообмінне і контрольно-керуюче устатк ування та арматур у, з насосної станції по закачці відпрацьованої води у підземні горизонти, а також з тепловодопровідних трас від видобувної свердловини до теплопункту і від теплопункту до закачувальної насосної станції, та містить запірно-регулюючу арматуру в теплопункті і на оголовках видобувної та поглинальної свердловин. Відомий також, вибраний як прототип, пристрій [Деклараційний патент України на винахід № 61811 А "Спосіб використання геотермальної енергії і установка для його здійснення"] для видобування геотермальної енергії, що містить дві свердловини, видобувний роторно-відцентровий свердловинний гідронасос, опущений у видобувну свердловину нижче статитчного рівня води у свердловині на глибину, що дорівнює динамічному рівню води у свердловині, а також систему підвіски насоса, системи його електроживлення та водовідводу, водоочисне та теплообмінне устатк ування теплопункту на поверхні, водозакачу-вальну насосну станцію та дві теплотраси, що з'єдн ують теплопункт з видобувною та поглинальною свердловинами. У цього пристрою обидві наявні гідропомпи працюють у напруженому режимі, оскільки видобувна помпа переборює опір стовпа води від точки водозабору до поверхні, що на практиці становить 250 - 500 і більше метрів, а закачу-вальна помпа переборює опір підземних шарів землі, що потребує великих потужностей, які на практиці сумарно коливаються в межах 50-150кВт в залежності від глибини залягання геотермального родовища і, відповідно, від тиску на забої поглинальної свердловини. У випадку самовиливних свердловин витрати енергії на видобування зменшуються, впритул до їх відсутності, а на закачку відповідно збільшуються, що сумарно складає той же порядок енерговитрат. Також недоліками цього пристрою є вимушене застосування водоочисного устаткування в поверхневому комплексі та неможливість такої очистки перед помпою в свердловині, що призводить до інтенсивного зносу вн утрішніх силових рухомих і взаємопоєднаних з ними нерухомих деталей гідропомпи через наявність у геотермальній воді абразивних домішок у вигляді, як правило, дрібнозернистого піску. Експлуатація такої установки (станції) вимагає наявності власної потужної трансформаторної електропідстанції і обслуговуючого персоналу. Усі ці недоліки роблять роботу усього комплексу (станції) економічно 4 затратною, технічно нестабільною і напруженою і, відповідно, недостатньо надійною. В основу, корисної моделі поставлено задачу створення тепловидобувного обладнання і устаткування, які не мають у своєму складі рухомих силових деталей і вузлів, занурених у хімічно і абразивно агресивне середовище природного теплоносія - геотермальну воду, а також задачу виключення із складу пристрою потужного електронавантаженого устаткування і, тим самим, підвищити надійність і безпеку установки, підвищити коефіцієнт її корисної дії, зменшити обсяги капіталовкладень, електроспоживання і експлуатаційних витрат та виключення зі складу установки поглинальної свердловини і необхідності закачування в неї відпрацьованого енергоносія. Поставлена задача вирішується тим, що теплота із підземного горизонту видобувається за допомогою комбінації глибинної адсорбційної металогідридної теплопомпової установки і з'єднаної з нею наземно-підземної замкнутої U-пoдібної штучної циркуляційної системи. У свердловині, призначеній для видобування з неї теплоти, розміщена сигароподібна установка, яка містить у собі закінчену конструкцію теплової абсорбційної металогідридної помпи і яка з'єднана з наземним блоком трубами для подачі по ним у генераторисорбери штучного охолоджувального теплоносія рідини, повітря, або іншого безпечного газу та підйому по ним від теплової помпи нагрітого нею теплоносія, який циркулює за допомогою малопотужної рідинної (якщо теплоносій - рідина) чи пневматичної (якщо теплоносій - газ) помпи. Згідно з корисною моделлю, конструкція теплової помпи складається з двох — для теплової помпи періодичної дії, або з чотирьох — для теплової помпи безперервної дії, металогідридних генераторівсорберів, з'єднувальних патрубків та клапаннокеруючого пристрою, який трубами (дві труби - при дистанційному приводі клапанів, і п'ять труб - при безпосередньому управлінні ними на поверхні) з'єднаний з підземною та наземною частинами установки, з наземного теплообмінного обладнання, безпосередньо клапанного механізму і малопотужної гідравлічної або пневматичної помпи в наземній частині установки, а сама циркуляційна система заповнена спеціально для неї підготовленим штучним теплоносієм - водою або антифризом на основі етиленгліколю чи бішофіту (або газом). Єдиним рухомим елементом в системі є ротор гідравлічної (пневматичної) помпи, розміщеної на поверхні землі у сприятливому для нього гідравлічному (газовому) середовищі і яка приводиться в дію малопотужним електродвигуном або вітровою установкою з електричною чи механічною передачею. Клапанний механізм має два робочих положення для помпи періодичної дії, і чотири - для помпи безперервної дії. Принцип його дії полягає в забезпеченні підключення до нагнітальної труби циркуляційної системи установки одночасно тільки однієї з усі х ви хідних труб і, тим самим забезпечення керованого охолодження тільки одного, визначеного на кожний момент часу режимом роботи установки, генератора-сорбера. 5 21566 Таке виконання пристрою для відбору теплоти від глибинного термоводоносного або сухо го перегрітого шару землі дозволяє спростити як конструктивне виконання видобувної геотермальної установки, так і саму технологію видобування шляхом використання фізичного ефекту нерухомого теплопереносу на основі хімічної взаємодії металогідридних генераторів-сорберів з воднем [2], що базується на принципі виділення металогідридом теплоти при його насиченні (зарядці) воднем та на виділенні водню при його нагріванні (розрядці). В заявленому пристрої нагрівання (розрядка) генераторів-сорберів здійснюється підземною теплотою, а охолодження (зарядка) - циркулюючим у системі штучним теплоносієм, який охолоджуючи нагрітий хімічною реакцією генератор, нагрівається сам і передає його теплоту на поверхню, а звідти - споживачам через стандартне теплообмінне устаткування. Небажане охолодження природного джерела теплоти не відбувається за рахунок того, що в межах розташування кожного генераторасорбера після кожного циклу охолодження відбувається генерація теплоти хімічною реакцією взаємодії металогідриду з воднем, до того ж з можливістю трансформації температури. Крім того, кожна ділянка бокової поверхні свердловини, що прилягає до пристрою і на протязі певного періоду часу нагріває один з його сорберів, на протязі трьох наступних періодів такої ж протяжності (коли почергово нагріваються інші сорбери) згідно з режимом роботи системи охолодження не піддається охолодженню і нагрівається природним шляхом за рахунок притоку теплоти від оточуючо го свердловину термального середовища. При використанні тільки однієї пари генераторів-сорберів генерація теплоти відбувається періодично, а при використанні двох пар, працюючих із зміщенням фаз хімічних реакцій і охолодження на пів періоду - безперервно. Необхідна зміна фаз охолодження сорберів здійснюється зміною положення клапанного механізму на поверхні при механічному або електричному управлінні, або дистанційно - при електричному управлінні клапанами, розміщеними в окремому відсіку на установці в свердловині. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображені: На фіг. 1 - загальний вигляд геотермальної теплофікаційної установки з приводом від вітрової енергетичної установки; На фіг. 2 - загальний вигляд геотермальної теплофікаційної установки з приводом від електромережі; На фіг. 3 - Зовнішній вигляд погружної (свердловинної) частини найпростішої теплопомпи періодичної дії; На фіг. 4 - Загальний вигляд погружної (свердловинної) частини теплопомпи безперервної дії. Клапанний механізм розташований на поверхні землі; На фіг. 5,6 - Поблочна розгортка внутрішньої будови погружної (свердловинної) частини теплопомпи безперервної дії; На фіг. 7,8 - Схема поблочно! герметизації відсіків теплопомпи, зображеної на фіг. 4; 6 На фіг. 9 - Розтин по лінії А-А (фіг. 7) одного генератора-сорбера: - поз.1: засипка сорбера металогідридом; - поз.2: водопідвідна (нагнітальна) і водовідвідні (2 шт.) тр уби до системи охолодження генераторів-сорберів; - поз.6: уздовж обребрені труби охолодження генераторів-сорберів; - поз.7: перфоровані і обгорнуті металевою сіткою дренажні трубки для дренажу і перетікання водню; На фіг. 10 - Схема гідравлічних і пневматичних з'єднань окремих внутрішніх відсіків і системи блоків між собою: - поз.1: засипка сорбера металогідридом; - поз.2,8: водопідвідна (нагнітальна) і водовідвідні (2 шт.) тр уби до системи охолодження генераторів-сорберів; - поз.6: уздовж обребрені труби охолодження генераторів-сорберів; - поз.7: перфоровані і обгорнуті металевою сіткою дренажні трубки для дренажу і перетікання водню; - поз.9: магістральні труби, які з'єднують між собою усі камери водню верхніх і нижніх сорберів кожної з половин пристрою; - поз.10: камери водню пристрою; - поз.11: камери охолоджуючого теплоносія; На фіг. 11 - Схема гідравлічних з'єднань підземної частини геотермальної водневометалогідридної теплофікаційної установки безперервної дії 12 з клапанним механізмом 3 і теплообмінним обладнанням 5 на поверхні землі: - поз.13 - нижній генератор-сорбер лівої половини пристрою; - поз.14 - верхній генератор-сорбер лівої половини пристрою; - поз.15 - нижній генератор-сорбер правої половини пристрою; - поз.16 - верхній генератор-сорбер правої половини пристрою; На фіг. 12 - Схема гідравлічних з'єднань підземної частини геотермальної водневометалогідридної теплофікаційної установки періодичної дії з клапанним механізмом і теплообмінним обладнанням на поверхні землі: поз.17 - нижній генератор-сорбер пристрою; поз.18 - верхній генератор-сорбер пристрою; На фіг. 13 - С хема гідравлічних з'єднань наземного теплообмінного устаткування водневометалогідридної теплофікаційної установки безперервної дії з клапанним механізмом з дистанційним приводом, встановлюваним у свердловинній частині установки; На фіг. 14 - С хема гідравлічних з'єднань наземного теплообмінного устаткування водневометалогідридної теплофікаційної установки періодичної дії з клапанним механізмом з дистанційним приводом, встановлюваним у свердловинній частині установки; На фіг. 15,16,17 - Графіки залежності зарядженості (G) воднем генераторів-сорберів від температури (Т°) при циклічному нагріві-охолодженні одного генератора-сорбера (фіг. 15), двох, з'єднаних між собою генераторрів-сорберів (фіг. 16) і для 7 21566 4-х попарно з'єднаних генераторів-сорберів, що нагріваються і охолоджуються із зміщенням у часі фаз нагріву-охолодження на пів періоду (фіг. 17). Заявлена корисна модель реалізується таким чином. Як показано на рисунках 3 і 4, пристрій для видобування геотермальної теплоти містить блок з двох або чотирьох генераторів-сорберів, розташований у свердловині на рівні термального горизонту і з'єднаний трубними комунікаціями 2 (фіг. 1) через клапанний механізм 3 та через циркуляційну помпу 4 з наземним теплообмінним обладнанням 5. Підземний блок має подвійну модифікацію: у варіанті теплопомпи періодичної дії (фіг. 3) і теплопомпи безперервної дії (фіг. 4), будову якої і розглянемо далі. Конструкція пристрою виконана у вигляді металевого сигароподібного блоку, зовнішнім діаметром, меншим за діаметр свердловини, розділеного по вертикалі і по горизонталі навпіл. Нижні і верхні частини кожної з половин сполучені між собою трубним переходом по водневому тракту. Кожна 1/4 частина цього пристрою, що являє собою окремий генератор-сорбер, герметизована від інших і від зовнішнього простору металевою панеллю (фіг. 7, 8 і 9). Відсік, заштрихований на рисунках крапельною штриховкою, засипаний гідридоутворюючим матеріалом - металом або сплавом металів. На фіг. 9 зображений горизонтальний перетин одного з таких відсіків, де позицією 1 показаний металогідрид. Позицією 2 позначені одна водопідвідна і дві водовідвідні труби, що певним чином перетинають увесь пристрій і через перехідні камери сполучені з системою трубного охолодження, яка складається з уздовж обребрених труб 6. Увесь об'єм металогідриду пронизаний набором дренажних труб 7, які по усій довжині перфоровані отворами і обгорнуті металевою сіткою. Взаємне розташування і сполучення гідравлічної та пневматичної систем пристрою зображені на рис. 10. Порошкоподібна дрібнозерниста засипка металогідриду 1 перетнута дренажними трубами 7, кінці яких виведені у перехідні камери водню 10. Магістральне з'єднання цих камер між собою в кожному сербері та між парами сорберів виконане за допомогою труб 9. Найвищий і найнижчий відсіки кожного сорбера являють собою перехідні камери 11 охолоджуючого розчину і з'єднані між собою перехідними трубами 6, які одночасно являють собою систему охолодження сорберів. З клапанним механізмом увесь блок сорберів з'єднаний загальною підвідною (нагнітальною) трубою 8 та індивідуальними відвідними трубами 2. Схема клапанного механізму, який може мати механічний або електричний привід, але виконана таким чином, що його перепускний одночасно сполучає з циркуляційною системою охолодження вихідний отвір тільки одного з чотирьох генераторів-соберів. Розміщення клапанного механізму може також мати два варіанта: на поверхні землі (фіг. 11 і 12), або у свердловинному блоці сорберів (фіг. 13 і 14). Пристрій працює таким чином: Робота пристрою основана на використанні фізико-хімічних процесів воднево-енергетичних технологій, зокрема принципу металогідридних теплових помп - перетворювачів теплоти як без 8 змін її температурного потенціалу, так і перетворювачів теплоти з відносно низького температурного потенціалу (60-80°С) в теплоту з більш високим (надлишковим) температурним потенціалом (110-200°С) - термотрансформаторів. Принцип їх дії полягає у фізико-хімічній взаємодії водню в ендотермічних і екзотермічних реакціях з гідридоутворюючими металами або з інтерметалідами, які супроводжуються утворенням металогідридів та їх зворотнім відновленням у метали або інтерметаліди з виділенням та поглинанням теплоти. При охолодженні гідридоутворюючого металу або інтерметаліду та створенні необхідного тиску дисоціації водню вони, сорбуючи у свою кристалічну структур у водень, хімічно перетворюються у металогідрид, а при нагріванні металогідриду водень десорбується і металогідрид відновлюється у вихідний метал або інтерметалід [1]: M + xH2MH2x±Q Такі реакції здійснюються в спеціальних реакторах, іменованих генераторами-сорберами, мають зворотній (реверсивний) характер і без зміни властивостей приймаючих у ни х участь компонент можуть забезпечувати порядку 5000 циклів заряду-розряду. Генератори-сорбери для геотермальних установок виконуються у вигляді герметичних металічних сигароподібних судин діаметром дещо меншим діаметра свердловини, заповнюються дрібнозернистою фракцією (до 0.5 мм) гідридоутво-рюючого матеріалу, наприклад системою ZrCrFe1,2 - LaNi5, попарно з'єднуються трубними переходами для водню, заповнюються воднем і герметизуються. Внутрішній об'єм кожного генератора-сорбера пронизаний системою труб для о холодження і відбору теплоти від металогідриду та дренажними трубками для вільного перетікання водню. Періодично здійснюваний нагрів генератора-сорбера відбувається від зовнішнього - геотермального джерела через поверхню його корпуса. Пара з'єднаних між собою генераторів-сорберів реагує з воднем поперемінно: коли нагрівається один і виділяє зв'язаний у ньому водень, інший охолоджується, тобто віддає сконцентровану у ньому теплоту назовні, і зв'язує водень, що надходить до нього. Надалі функції генераторівсорберів одної пари змінюються на протилежні. Для забезпечення циклічної роботи системи двох генераторів-сорберів необхідно тільки здійснювати управління клапанним механізмом системи відбору теплоти, тобто системи охолодження. Використання такої системи пристроїв і хімічних процесів дозволяє отримувати на виході з неї температуру до +1 Ю°С при температурі джерела запускаючої теплоти +70-80 °С. При створенні двоступеневих теплових помп вони можуть працювати в діапазоні до +200°С [2]. Здібність деяких металів і сплавів зворотньо віддавати і поглинати водень з виділенням і поглинанням значної енергії (до 30 кДж/моль Н2) робить можливим створення потужних абсорбційних теплотрансформаторів на основі металогідридів. Найбільших успіхів у цій галузі досягла Японія. Накопичений великий досвід по вивченню характеристик металогідридів, що дозволило дослідникам приступити до створення діючих експе 9 21566 риментальних установок з використанням металогідридних теплових помп потужністю від лабораторних значень до промислових в 200 кВт і більше [3]. Співробітниками Інституту проблем матеріалознавства Національної академії наук України (Київ) у співпраці з Українським державним морським університетом (Миколаїв) розроблена концепція створення в Україні металогідридної енергетики, в тому числі з використанням геотермальних джерел. Виходячи з технічних та екологічних можливостей на території України згідно названій концепції доцільно в майбутньому будува ти металогідридні ГеоТЕС одиничною потужністю блоків до 20 МВт електричної потужності. Але на найближчу перспективу слід вважати розробку і будівництво мережі дрібних ГеоТЕС з одиничною потужністю 100, 500 та 1000 кВт. Оцінка авторами концепції техніко-економічних можливостей дозволяє розраховувати, що за 10-15 років можливо досягти сумарної потужності таких ГеоТЕС до 500 МВт, що дозволить економити до 1-го млн. τ органічного палива на рік. Сумарна економія органічного палива від реалізації запропонованої концепції складе приблизно 2.8 - 3.0 млн. τ на рік [4]. В металогідридних теплових помпах за рахунок зворотності (реверсивності) реакцій відсутні постійні витрати робочого тіла (водню), вони надійні, не мають рухомих частин, безшумні, компактні, екологічно і пожежобез-печні. Вони можуть споживати для приводу в дію енергію потенціалу +70-80°С, характерну більшості геотермальних родовищ України. В роботі [5] виконане математичне моделювання дослідних зразків гідридних теплових помп і розроблений комплекс програм для комп'ютерного моделювання їх роботи. В роботі [6] розглянуті можливості використання в якості гідридоутворюючих матеріалів речовин, які при прийнятних цінових параметрах можуть мати промислове застосування, наприклад гідрид магнію MgH2, тетраборати М(ВН 4), тетрагідроалюмінати М(АlН 4), вуглецеві наноструктури, наприклад СН0,95 і т.і. Розгляд послідовності генерації теплоти заявленою установкою і її охолодження здійснемо на прикладі установки, зображеної на Фіг.8, тобто на прикладі установки періодичної дії. Приймемо, що на початок розгляду обидва генератори-сорбери установки знаходяться в свердловині в охолодженому стані і тільки один з них, наприклад поз. 17, повністю заряджений воднем. Це означає, що тиск водню у міжблочному просторі мінімальний. Продовжуючи тримати блок поз. 18 в о холодженому стані, знімають охолодження з блоку поз. 17 і він піддається нагріву від геотермального джерела. Під дією нагріву водень у блоці поз. 17 десорбується, його тиск у міжблочному просторі підвищується і водень починає сорбуватись в охолоджений гідридоутворюючий компонент блока поз. 18, виділяючи при цьому теплоту, яка знімається охолоджувальним розчином і піднімається на поверхню для використання. При цьому блок поз. 17 залишається нагрітим від геотермального джерела. Знімаючи цю теплоту шляхом відповідного переключення клапанного механізму і перетоку охолоджувального розчину, в блоці поз. 10 17 створюються умови для його наступної зарядки воднем, що і відбувається після нагріву блока поз. 18 від геотермального джерела. Надалі усі процеси відбуваються у зворотньому напрямку, замикаючи повний цикл. Таким чином, за повний цикл на поверхню піднімається теплоносій, що в одному півперіоді нагрівається від екзотермічної реакції водню з металогідридом, а в другому - від геотермального джерела. При цьому, небажаного охолодження геотермального джерела не відбувається завдяки почерговому розігріву генераторівсорберів до температури, вищої за температуру геотермального джерела (термотрансформації) внаслідок хіміко-фізичних процесів взаємодії водню з металогідридом, що забезпечує підтримання у свердловині постійної температури. Крім того, кожна ділянка бокової поверхні свердловини, що прилягає до пристрою і на протязі певного періоду часу нагріває один з його сорберів, на протязі трьох наступних періодів такої ж протяжності (коли почергово нагріваються інші сорбери) згідно з режимом роботи системи охолодження не піддається охолодженню і нагрівається природним шляхом за рахунок притоку теплоти від оточуючо го свердловину термального середовища. Поєднання двох описаних систем періодичної дії в одну теплопомпу з чотирма генераторамисорберами і організація їх роботи із зміщенням фаз хімічних реакцій і охолодження генераторівсорберів у часі на півперіоду забезпечує квазібезперервність генерації теплоти, що відображено на графіках (фіг. 15,16,17). Джерела інформації: 1. Л.А. Ижванов, А.И. Соловей Разрабртка гидридных тепловых насосов.- Рос.хим.ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделєєва), t.XLV, № 5-6. 2. Ю.И. Шанин Выбор гидридов для двухступенчатых металлогидридных химических тепловых насосов.- Докл. на 5-ой Межд. конф. «Водородное материаловедение и химия гидридов металлов».-Украина, Ялта, 2-8 сент., 1997.- с. 256. 3. Ю.И. Шанин, О.И. Шанин, Л.А. Ижванов, А.И. Соловей Тепловые процессы при разработке металлогидридных химических тепловых насосов.- Тепломассообмен - ММФ-96 (III Минский международный форум 20-24 мая 1996 г.), том.ХІ (тепломассообмен в химико-технологических устройствах).-Минск.-1996.-с. 129. 4. В.В. Скороход, Б.Г. Тимошевский, М.Р. Ткач Концепция создания металлогидридной энергетики. -Докл. на 5-ой Межд. конф. «Водородное материаловедение и химия гидридов металлов».Украина, Ялта, 2-8 сент., 1997.- с. 255. 5. Э.М. Федоров, Ю.И. Шанин, Л.А. Ижванов Моделирование работы гидридного теплового насоса.-Докл. на 5-ой Межд. конф. «Водородное материаловедение и химия гидридов металлов». Украина, Ялта, 2-8 сент., 1997.- с. 237. 6. Г.С. Асланян, Б.Ф. Реутов Проблематичность становлення водородной енергетики, - Теплоэнергетика,- (Ж. Российской академии наук. Российское научно-техническое общество энергетиков и электротехников.) Москва, 2006, №4, с.66. 11 21566 12 13 21566 14 15 21566 16 19 21566 20 21 21566 22 23 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 21566 Підписне 24 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601