Спосіб отримання геотермальної енергії

1. Спосіб отримання геотермальної енергії, який включає використання шахтних вод шляхом їх піднімання на денну поверхню, відбирання отриманої шахтними водами від гірських порід теплової енергії теплообмінником і передавання її споживачеві через тепловий насос, який відрізняється тим, що для транспортування трубопроводом зібраної шахтної води на денну поверхню в теплообмінник використовують існуючу водовідливну систему на діючій шахті, а пройдену через вхідний контур теплообмінника шахтну воду направляють водовідвідною системою в очисні споруди. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в процесі отримання геотермальної енергії проводять очищення трубопроводу вхідного контуру теплообмінника від утвореного в ньому шахтною водою осаду шляхом періодичного високовольтного електроімпульсного розряджання на електроди, які розміщуються всередині трубопроводу вхідного контуру теплообмінника. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що проводять акумулювання нагрітої води тепловим насосом до передавання її споживачеві. UA (21) a200809642 (22) 23.07.2008 (24) 25.08.2010 (46) 25.08.2010, Бюл.№ 16, 2010 р. (72) ГОШОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, ЧОРНОКУР ІВАН ГРИГОРОВИЧ, СИРОТЕНКО ПЕТРО ТИМОФІЙОВИЧ (73) УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ГЕОЛОГОРОЗВІДУВАЛЬНИЙ ІНСТИТУТ (56) RU 95106084 A1, 10.01.1997 RU 2186247 C2, 27.07.2002 RU 2056597, 20.03.1996 RU 2162945 C2, 10.02.2001 DE 3801933 A1, 03.08.1989 WO 20006/027770 A2, 16.03.2006 US 7251938 B1, 07.08.2007 Geothermal energy from Con Mine for heating the city of Yellowknife, NWT: A concept study // Могу M. Ghomshei. - The University of British Columbia; The Norman В. Keevil Institute of Mining Engineering. - p. 8. Use of mine pool water for power plant cooling // Prepared by: John A. Veil, John M. Kupar, and Markus G. Puder; Argonne National Laboratory. September 2003. - 64p. C2 2 (19) 1 3 Найближчим до запропонованого винаходу є спосіб отримання геотермальної енергії, який ґрунтується на використанні шахтних вод затопленої виведеної з експлуатації шахти шляхом введення в шахтний стовбур двох розімкнутих трубопроводів, один з яких виконує нагнітання води, отриманої від теплообмінника, а інший отримує воду з шахтного стовбура для теплообмінника, причому отриману шахтними водами теплову енергію відбирають теплообмінником, а отримана теплова енергія на виході теплообмінника передається споживачеві через тепловий насос [3]. Цей спосіб отримання геотермальної енергії дозволяє використати теплову енергію води, що затоплює шахту виведену з експлуатації і розв'язати екологічні проблеми. Проте його не можливо застосувати на діючих шахтах, в яких також накопичується ґрунтова вода, яку необхідно повертати на денну поверхню шахтною водовідливною системою, щоб забезпечити функціонування шахти, при цьому існуючу теплову енергію шахтної води втрачають. В основу винаходу поставлено задачу забезпечення використання теплової енергії зібраної шахтною водою від гірських порід в процесі функціонування шахти. Поставлена задача винаходу вирішується тим, що в способі отримання геотермальної енергії, який включає використання шахтних вод шляхом їх піднімання на денну поверхню, відбирання отриманої шахтними водами від гірських порід теплової енергії теплообмінником і передавання її споживачеві через тепловий насос, відповідно до винаходу для транспортування трубопроводом зібраної шахтної води на денну поверхню в теплообмінник використовують існуючу водовідливну систему на діючій шахті, а пройдену через вхідний контур теплообмінника шахтну воду направляють водовідвідною системою в очисні споруди. Для вирішення поставленої задачі винаходу в способі отримання геотермальної енергії в процесі отримання геотермальної енергії також проводять очищення трубопроводу вхідного контуру теплообмінника від утвореного в ньому осаду шахтною водою шляхом періодичного високовольтного електроімпульсного розряджання на електроди, які розміщуються всередині трубопроводу вхідного контуру теплообмінника. Також для вирішення поставленої задачі винаходу в запропонованому способі отримання геотермальної енергії проводять акумулювання нагрітої води тепловим насосом до передавання її споживачеві. Використання існуючої водовідливної системи для транспортування трубопроводом зібраної шахтної води на денну поверхню в теплообмінник дозволяє знизити витрати на піднімання на денну поверхню шахтної води та забезпечити отримання геотермальної енергії від шахтної води, яку не тільки не використовують при функціонуванні шахти, але й згідно діючих нормативів компенсують в піднімальному трубопроводі шахтної водовідливної системи. Застосування періодичного високовольтного електроімпульсного розряджання на електроди, 91732 4 які розміщують всередині трубопроводу вхідного контуру теплообмінника, дозволяє підвищити ефективність тепловіддавання з трубопроводу вхідного контуру теплообмінника завдяки його очищенню від осаду, який виконує теплоізоляційну функцію. Застосування акумулювання нагрітої води тепловим насосом до передавання її споживачеві дозволяє підвищити ефективність одержання геотермальної енергії, оскільки шахтна водовідливна система працює, як правило, циклічно і без акумулювання нагрітої води можливе утворення пауз в підігріванні води для споживача. Суть винаходу пояснюється кресленням (Фіг.), на якому зображена система отримання геотермальної енергії, що реалізує запропонований спосіб. На кресленні зображено водозабірну канавку 1 шахтної дренажної системи, попередній відстійник 2 шахтної води, водозбірник 3, засувний клапан 4, приймальний колодязь 5, насосна камера 6, насосна установка 7, напірний трубопровід 8, шахтний стовбур 9, очисні споруди 10 водовідвідної системи, теплообмінник 11, тепловий насос 12 і денна поверхня 13. Здійснення способу відбувається таким чином. Для забезпечення функціонування шахти проводять збирання шахтної води з виробок шляхом застосування різних дренажних засобів. В шахтні виробки вода потрапляє з денної поверхні через ґрунт і гірські породи. Вода в гірські виробки поступає безперервно, її кількість залежить від водозбірної площі, багатоводності вміщуваних порід, поверхневих джерел і т.п.. Припливи води також залежать від пори року, причому весною і осінню вони збільшуються. Це дозволяє отримувати в ці пори року більше геотермальної енергії. Зібрана вода у водозбірнику, який розташований біля пристовбурного двору, піднімається на денну поверхню шахтною водовідливною системою через напірний трубопровід. З нагнітального трубопроводу вода поступає у вхідний контур теплообмінника. Проте оскільки температура шахтної води нижче чим потрібна для споживача (як правило температура шахтної води на денній поверхні становить від +15 до +40°С), то отриману шахтними водами теплову енергію відбирають теплообмінником і передають споживачеві через тепловий насос, який дозволяє підняти температуру у вихідному мережному контурі водопостачання споживача теплої води вище +50°С. Шахтну воду, яка проходить через вхідний контур теплообмінника направляють водовідвідною системою в очисні споруди, в яких вода піддається фільтрації від забруднення. Незважаючи на те, що перед підняттям шахтної води на денну поверхню в шахтному водозбірнику проводять її освітлення і очищення сітковим запобіжним фільтром, в нагнітальному трубопроводі утворюється значний осад на стінках трубопроводу. Тобто наявність в шахтній воді, що піднімається нагнітальним трубопроводом на денну поверхню, зависі (суспензії) і кислотних елементів приводить до "заростання" трубопроводу. Це позначається на надійності роботи шахтної водовідливної системи, а також передачі теплової енергії 5 в теплообміннику. Тому в запропонованому способі в процесі отримання геотермальної енергії проводять очищення трубопроводу вхідного контуру теплообмінника від утвореного в ньому осаду шахтною водою шляхом періодичного електроімпульсного розряджання на електроди, які розміщують всередині трубопроводу вхідного контуру теплообмінника. Застосування для очищення трубопроводу періодичного високовольтного електроімпульсного розряджання дозволяє створити в рідині трубопроводу керовані імплозійні і кавітаційні процеси, які створять ударні хвильові процеси з різкою зміною тиску в рідині. Це приводить до руйнування зцементованих осадів на стінках вхідного контуру трубопроводу теплообмінника. Вибір напруги електричних імпульсів розрядження в трубопровідній рідині дозволяє уникнути створення руйнівних процесів для стінок самого трубопроводу. В запропонованому способі отримання геотермальної енергії проводять акумулювання нагрітої води тепловим насосом до передавання її споживачеві. Процес піднімання шахтної води на денну поверхню відбувається в циклічному режимі, в залежності від кількості води, що збирається шахтною дренажною системою. В цьому випадку виникають паузи в отриманні теплової енергії від шахтної системи водовідливу. Ці паузи можливо згладити за рахунок застосування акумулятора теплої води, який буде приймати теплу воду і накопичувати від вихідного мережного контуру теплового насоса, а споживач буде отримувати теплу воду з акумулятора. Розглянемо приклад реалізації способу отримання геотермальної енергії. Для цього використаємо креслення (Фіг.1) системи отримання геотермальної енергії, що реалізовує запропонований спосіб. Для забезпечення функціонування шахти проводять збирання шахтної води з виробок шляхом застосування дренажних засобів. Зокрема для цього застосовують водозбірні канавки 1 з яких вода попадає в попередній відстійник 2, а через водозбірник 3 і засувний клапан 4 попадає в приймальний колодязь 5. В насосній камері 6 розміщується насосна установка 7, яка повинна у відповідності до вимог правил безпеки обладнана не менше ніж трьома насосними агрегатами, а по стовбуру 9 прокладається не менше двох напірних трубопроводів 8. Кожний насосний агрегат і напірний трубопровід вмикаються в роботу по черзі, кожний з них розрахований на відкачування нормального добового припливу, і тільки при підвищеному припливі передбачається одночасне вмикання двох насосів і трубопроводів. Згідно діючих норм при розміщенні насосної установки 7 на глибині більше 200м передбачається на напірних трубопроводах на глибині не менше 20м від денної поверхні 13 установлювати температурні компенсатори. В запропонованому способі відпадає необхідність установлення таких температурних компенсаторів на напірних трубопроводах, оскільки це приведе до зниження ефективності застосування способу. При існуванні високої температури води в напірному трубопроводі 8 вона буде відіб 91732 6 рана на денній поверхні 13 в теплообміннику 11 і водовідвідною системою буде передана вода в очисні споруди 10 зі сприятливою температурою. Піднята на денну поверхню шахтна вода проходить через вхідний контур теплообмінника 11, в якому енергія нагріву шахтної води відбирається. Оскільки температура шахтної води, як правило перебуває в діапазоні від +15 до +40°С, тому потрібно її доведення до температури більше +50°С для теплового водопостачання. Таке підняття температури буде виконуватись шляхом використання теплового насоса 12, за рахунок високого ККД теплового насоса 12 затрати електричної енергії для його функціонування будуть незначними, що дозволить отримувати енергію з високою ефективністю. Проте є фактори, які будуть знижувати ефективність отримання теплової енергії, оскільки шахтна вода є сильно забруднена різними елементами, які приводять до корозій металів і виникненню в проточних трубопроводах значного осаду. Запобігти цьому може допомогти періодичне проведення високовольтного електроімпульсного розряджання на електроди, які розміщуються всередині трубопроводу вхідного контуру теплообмінника 11. При подаванні на електроди високовольтної напруги в декілька кіловольт відбувається міжелектродний пробій в рідині, що приводить до утворення у воді імплозії або кавітації, а це, в свою чергу, створює імпульсні (ударні) механічні напруги на стінки вхідного контуру трубопроводу обмінника 11 в результаті чого відбувається відшарування осаду від стінок трубопроводу. Утворений шлам в трубопроводі вхідного контуру трубопроводу теплообмінника 11 змивається прохідною водою. Періодичність, амплітуда і тривалість електроімпульсного розряджання на електроди визначається рівнем забруднення шахтної води та не допущенням пошкодження трубопроводу під час розряджання. Є ще один фактор, що впливає на ефективність отримання тепла від шахтної води, що подається шахтною водовідливною системою. Справа в тому, що шахтні водовідливні системи, як правило, працюють циклічно, тобто при великому припливі шахтної води можливе включення шахтної водовідливної системи на тривалий час і навпаки, якщо припливи шахтної води незначні, то вмикання шахтної водовідливної системи відбувається на невеликий часовий інтервал. Тому, щоб запобігти перервам у постачанні теплої води необхідно застосувати накопичення теплої води в акумуляторі, який буде мати достатній резерв теплої води для споживача. Ефективність запропонованого способу отримання геотермальної енергії залежить від рівня припливу шахтної води і з яких глибин в шахті вона збирається, а тому в шахтах з великими припливами води і збиранні води з видобувних горизонтів, розташованих на великих глибинах, ефект способу буде найбільший. Отриману за цим способом теплову енергію у вигляді теплої води доцільно використовувати для власних потреб шахти. Так як, запропонований спосіб дозволяє отримувати геотермальну енергію з піднятої на денну 7 91732 поверхню шахтної води водовідливною системою, тому поставлена задача винаходу досягається. Джерела інформації: 1. Use of mine pool water for power plant cooling // Prepared by: John A. Veil, John M. Kupar, and Markus G. Puder; Argonne National Laboratory. September 2003. - 64p. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 8 2. Гидроэлектростанция в шахте. - Зеркало недели, 13 октября 2006г. 3. Geothermal energy from Con Mine for heating the city of Yellowknife, NWT: A concept study // Моrу M. Ghomshei. - The University of British Columbia; The Norman В. Keevil Institute of Mining Engineering. - P.8. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601