Свердловинна теплонасосна установка

Реферат: Свердловинна теплонасосна установка містить свердловину з обсадною трубою і розташовану в ній піднімальну трубу, тепловий насос та комунікаційні лінії. В обсадній трубі свердловини нижче нейтрального шару встановлений пакер, що має симетричні наскрізні отвори. Піднімальна труба виконана у вигляді теплообмінника, що складається із двох паралельних труб, з'єднаних у нижній частині патрубком тороїдального типу і вбудованих у наскрізні отвори пакера. Пакер обладнаний зворотним клапаном. UA 109516 C2 (12) UA 109516 C2 UA 109516 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплонасосних установок, які перетворюють низькопотенціальну теплову енергію поновлюваних джерел в енергію більш високого температурного потенціалу, придатну для практичного використання, наприклад, в автономних системах теплопостачання. Як джерело низькопотенціальної енергії для теплонасосних установок використовують геотермальне тепло спеціально пробурених свердловин, у яких відбір тепла здійснюється від прилягаючих гірських порід через стінку обсадної колони свердловини. В економічному плані доцільне використання нафтогазових свердловин, які раніше були пробурені й, відробивши повний ресурс з видобутку нафти, газу, конденсату, були переведені в розряд ліквідованих свердловин. Температура у таких свердловинах розподіляється по стовбурі свердловини відповідно до температурного градієнта, характерного для даної місцевості. В Україні, як і в будь-якій іншій нафтогазовидобувній країні, є значний фонд ліквідованих свердловин, що постійно поповнюється. Більше того, в остаточному підсумку всі нафтогазові свердловини у світі рано чи пізно в міру вичерпання їхніх ресурсів будуть переведені в розряд ліквідованих. Тому можна з великою ефективністю при мінімальних фінансових витратах за допомогою теплонасосних технологій використовувати ці ліквідовані свердловини для одержання дешевої теплової енергії в системах теплопостачання. Головним недоліком всіх теплонасосних установок, що використовують як поновлюване джерело низькопотенціальну теплоту геотермальної енергії свердловин, є залежність енергетичних показників якості їхньої роботи від сезонних коливань кліматичних умов, які впливають на температурний режим такого джерела. Установлено, що максимальний ефект перетворення енергії для сучасних теплонасосних установок досягається стабільним температурним рівнем поновлюваного джерела низькопотенціального тепла. Для дотримання цієї умови доцільно виключити вплив поверхневих шарів у свердловинах, теплофізичні властивості яких сильно змінюються внаслідок сезонних коливань температур на поверхні землі. З геофізики відоме існування у всіх свердловинах нейтрального шару, що являє собою межу між верхньою зоною змінних тимчасових температур і нижньою зоною стаціонарних температур. Глибина залягання нейтрального шару залежить від амплітуди річних коливань температури на денній поверхні й коливається в межах 20-40 м у різних місцях земної кулі. Нижче нейтрального шару температура гірських порід у свердловині стабільна й визначається радіогенною теплотою, що підводиться від ядра Землі, зростаючи залежно від місцевості приблизно на 3 °C при поглибленні на кожні 100 м. Відома теплонасосна установка [Патент РФ № 2206026 "Теплонасосная установка для отопления и горячего водоснабжения" МПК F24D 15/04, F25В 29/00, опубл. 10.06.2003]. Вона містить компресор, перший і другий бак акумулятори, конденсатор, який складається з двох секцій, випарник, перший і другий циркуляційні насоси та піковий підігрівач. Елементи теплового насоса об'єднані контуром робочого тіла. Як низькопотенціальне джерело використовуються атмосферне повітря і ґрунтовий масив, теплота яких відбирається за допомогою відповідно теплоповітрообмінника та горизонтального ґрунтового колектора, які встановлено у контурі низькопотенціального теплоносія і включаються в залежності від рівня температури зовнішнього повітря. Головними недоліками такого рішення є наявність двох типів низькопотенціального джерела та двох систем відбору теплоти від цих джерел, а також та обставина, що горизонтальний ґрунтовий теплообмінник, який встановлено на глибині 1,2-1,5 м, підданий впливу коливань температур зовнішнього повітря. Для забезпечення теплознімання необхідна площа для встановлення ґрунтового теплообмінника, яка перевищує опалювальну площу споживача в 2-3 рази, що не завжди можливо територіально. Крім того, має місце ускладненість регулювання експлуатації двох типів обладнання для відбору низькопотенціальної теплоти від двох джерел. Відомо "Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальних энергоносителей" Патент РФ № 2292000 МПК F24D 3/08 опубл. 21.01.2007. Пристрій включає два контури циркуляції низькопотенціального теплоносія: основний у свердловинних теплообмінниках і випарнику основного теплового насоса та додатковий, водоповітряна сторона якого підключена водяною стороною до входу й виходу випарника додаткового теплового насоса. Пристрій також обладнаний системою водяного, повітряного або змішаного охолодження приміщень і додатковим контуром циркуляції охолодного теплоносія. Основним недоліком пристрою є необхідність застосування двох теплових насосів з різними низькотемпературними теплоносіями, систем охолодження з додатковими контурами циркуляції. Все це ускладнює керування різними енергопотоками. Крім того, для функціонування пристрою необхідне буріння багатосвердловинної системи, що надзвичайно здорожує пристрій у цілому та збільшує строк його окупності. 1 UA 109516 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким технічним рішенням є пристрій, за допомогою якого здійснено "Способ извлечения геотермального тепла" [патент РФ № 2288413, F24J 3/08, опубл. 27.11.2006]. Надана схема пристрою для витягу тепла земних надр містить у собі свердловину з обсадною трубою, піднімальну трубу, тепловий насос, споживача тепла і споживача холоду. Основним недоліком такого пристрою є неможливість забезпечення стабільної температури теплоносія, що циркулює в контурі теплового насоса, через сезонний вплив зони температурних змін у верхній частині свердловини. Цей фактор істотно знижує коефіцієнт корисної дії пристрою. Крім того, застосування як теплоносія безпосередньо води зі свердловини, котра надходить у випарник теплового насоса, пов'язане з утворенням відкладень, що, як наслідок, викликає корозію теплообмінних поверхонь випарника і комунікаційних ліній. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення свердловинної теплонасосної установки, у якій зміна конструкції її підземної частини дозволяє одержати стабільну температуру джерела низькопотенціального тепла, а також запобігти корозії випарника теплового насоса та комунікаційних ліній, внаслідок чого коефіцієнт корисної дії теплонасосної установки значно зростає. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в свердловинній теплонасосній установці, що складається зі свердловини з обсадною трубою й розташованої в ній піднімальною трубою, теплового насоса і комунікаційних ліній, відповідно до винаходу в обсадній трубі свердловини нижче нейтрального шару встановлено пакер, що має симетричні наскрізні отвори, а піднімальна труба виконана у вигляді теплообмінника, що складається з двох паралельних труб, з'єднаних у нижній частині патрубком тороїдального типу й вбудованих у наскрізні отвори пакера, при цьому пакер обладнаний зворотним клапаном. Установка пакера нижче нейтрального шару дозволяє герметично розділити повітряну зону від технічної води в свердловині й одержати стабільну температуру теплоносія, що значно підвищує коефіцієнт корисної дії. Використання піднімальної труби як теплообмінника, що складається з двох паралельних труб, з'єднаних у нижній частині патрубком тороїдального типу, виключає прямий контакт між технічною водою свердловини й теплоносієм, який циркулює в теплообміннику і блоці випарника теплового насоса, що запобігає утворенню будь-яких відкладень та корозії в теплообміннику і комунікаційних лініях. У підсумку в установці знижується гідроопір і, отже, її коефіцієнт корисної дії збільшується. Наявність у пакері зворотного клапана дозволяє безперешкодно здійснювати спуск пакера в обсадну трубу через повітряну зону свердловини. На кресленні подана запропонована свердловинна теплонасосна установка. Прийняті позначення: Кн, Км, Вп - відповідно конденсатор, компресор і випарник теплового насоса; h глибина нейтрального шару; Н - глибина спуску теплообмінника. Свердловинна теплонасосна установка складається з підземної та наземної частин. Наземна частина складається з теплового насоса 1, комунікаційних ліній 2 конденсатора Кн теплового насоса 1, заповнених рідким теплоносієм і пов'язаних зі споживачем 3, комунікаційних ліній 4, пов'язаних з випарником Вп теплового насоса і циркуляційним насосом 5 зі свердловиною. Підземна частина складається зі свердловини з обсадною трубою 6, у якій на глибині Н установлений теплообмінник 7, що складається з двох паралельних труб, з'єднаних між собою в нижній частині патрубком 8 тороїдального типу. У верхній частині свердловини паралельні труби теплообмінника 7 за допомогою муфт 9 з'єднані з комунікаційними лініями 4 випарника Вп теплового насоса. Пакер 10 установлений в обсадній трубі 6 свердловини нижче рівня глибини нейтрального шару h. Паралельні труби теплообмінника 7 проходять через симетричні наскрізні отвори в пакері 10 і герметизовані в ньому. У центрі пакера 10 вбудовано зворотний клапан 11. Нижче пакера 10 свердловина заповнена технічною водою, вище пакера перебуває повітряна зона. У перфораційній зоні продуктивного шару 12 установлений цементний міст 13. Складання та монтаж свердловинної теплонасосної установки здійснюються в такий спосіб. В обсадній трубі 6 у свердловині, у перфораційній зоні продуктивного шару 12, установлюється цементний міст 13. Він запобігає контакту продуктивного шару 12 з технічною водою, якою заповнюється свердловина нижче рівня нейтрального шару. Потім у свердловину спускають теплообмінник 7, при цьому паралельні труби теплообмінника 7 пропускаються через наскрізні симетричні отвори в пакері 10. Далі відбувається спуск пакера 10 в обсадну трубу 6 до контакту з верхнім рівнем технічної води. Наявність у пакері 10 зворотного клапана 11 дозволяє безперешкодно здійснювати спуск пакера через повітряну зону свердловини. Установка пакера 10 дозволяє герметично розділити повітряну зону від технічної води у свердловині. Після цього на верхні кінці паралельних труб теплообмінника 7 на різі нагвинчують муфти 9 і далі 2 UA 109516 C2 5 10 15 20 25 30 35 відбувається його з'єднання з комунікаційними лініями 4 низькотемпературного контуру випарника Вп теплового насоса 1, попередньо встановленого на поверхні. Комунікаційні лінії 2 конденсатора Кн теплового насоса 1 з'єднуються зі споживачем теплової енергії. Складання та монтаж свердловинної теплонасосної установки завершено. Свердловинна теплонасосна установка працює в такий спосіб. Нагріта геотермальним теплом технічна вода, якою заповнена свердловина, передає тепло теплоносієві (наприклад, гліколь) у теплообміннику 7 і за допомогою циркуляційного насоса 5 надходить у випарник Вп теплового насоса 1. Далі процес перетворення низькопотенціальної енергії в теплоту відбувається відповідно до відомого принципу дії теплового насоса. У компресорі Км теплового насоса 1 циркулює робоче тіло (наприклад, озонобезпечний фреон). За рахунок теплоти, що надходить від свердловини, нагрітий теплоносій по комунікаційних лініях 4 теплообмінника 7 обмиває зовнішню поверхню випарника Вп. Циркулююче усередині випарника Вп робоче тіло (фреон) випаровується, і його пари попадають у компресор Км, у якому в результаті стиску підвищуються тиск і температура. Далі гарячі пари фреону надходять у конденсатор Кн, звідки передають фазове тепло технічній воді в комунікаційні лінії 2 теплопостачання та конденсуються. Підігріта технічна вода направляється споживачам 3, де використовується для опалення приміщень і гарячого водопостачання. Зміна режиму теплопостачання теплонасосної установки регулюється глибиною спуска Н теплообмінника 7 у свердловину й видатковою характеристикою циркуляційного насоса 5. Стабільний температурний рівень об'єму теплоносія, циркулюючого у теплообміннику 7, забезпечується стабільним теплоакумулятором великої теплової ємності, якою є свердловина, заповнена технічною водою. Вище пакера 10 стабільність температурного рівня рідкого теплоносія забезпечується тим, що паралельні труби теплообмінника 7 розташовані в повітряній зоні свердловини. Відомо, що повітря є поганим провідником як тепла, так і холоду. Відсутність прямого контакту між технічною водою свердловини і теплоносієм, що циркулює в теплообміннику 7 і блоці випарника Вп теплового насоса 1, запобігає утворенню будь-яким відкладенням і корозії в теплообміннику та комунікаційних лініях. Установка в перфораційній зоні продуктивного шару 12 цементного моста 13 повністю виключає будь-який контакт середовища продуктивного шару з технічною водою, якою заповнена свердловина. Очевидно, що стабільне теплознімання низькопотенціальної теплової енергії технічної води нижче нейтрального шару дозволить стабілізувати ефективну роботу теплового насоса, усунувши вплив сезонних кліматичних умов. Використання ліквідованих свердловин, виведених з експлуатації, як поновлюваного стабільного джерела низькопотенціальної енергії дозволить відмовитися від необхідності проведення дорогого буріння, звівши роботи з відбору геотермальної теплоти до відносно дешевих робіт з оснащення відповідним устаткуванням уже наявної свердловини. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Свердловинна теплонасосна установка, що містить свердловину з обсадною трубою і розташовану в ній піднімальну трубу, тепловий насос та комунікаційні лінії, яка відрізняється тим, що в обсадній трубі свердловини нижче нейтрального шару встановлений пакер, що має симетричні наскрізні отвори, а піднімальна труба виконана у вигляді теплообмінника, що складається із двох паралельних труб, з'єднаних у нижній частині патрубком тороїдального типу і вбудованих у наскрізні отвори пакера, при цьому пакер обладнаний зворотним клапаном. 3 UA 109516 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4