Патент на изобретение №2329435

(54) СКВАЖИННЫЙ ТЕПЛОИСТОЧНИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сжигания топлива. Технический результат: упрощение канала сообщения теплоисточника с теплопотребителем, повышение технического гидроэнергопотенциала в многоводный период, повышение скрытности и неуязвимости. Скважинный теплоисточник, содержащий тепловодоснабжающую скважину, соединенную с источником воды, зону стока и тепловодопотребителя, тепловодоснабжающая скважина пробурена таким образом, что ее забоем пересечена штольня, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом. За источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена тепловодоснабжающая скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами. А за зону стока принято пересечение тепловодоснабжающей скважины с нижерасположенной штольней. Он также содержит соединенный со скважиной вихревой тепловодоснабжающий теплогенератор, установленный под ее динамический уровень. Напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотребитель посредством тепловодопровода подключен в зоне стока тепловодоснабжающей скважины к выходу вихревого теплогенератора. Вихревой теплогенератор расположен в штольне и соединен со скважиной в ее пересечении со штольней и снабжен насосной установкой с обвязкой. Тепловодопроводом является дополнительная скважина, пробуренная из штольни до пересечения ее с дневной поверхностью в зоне тепловодопотребителя, к которой подключен трубопровод тепловодопотребителя. Устье дополнительной скважины соединено с обвязкой насосной установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сгорания топлива. Оно может быть использовано для производства тепловой энергии и организации теплоснабжения потребителей в местностях, преимущественно в горных районах, в которых имеются необходимые условия для работы скважинного источника, в том числе для децентрализованного теплоснабжения автономных, удаленных от централизованных коммуникаций потребителей, без подвода для этого энергии из вне. Он может работать с использованием низкотемпературных поверхностных, подземных вод, как правило, расположенных в верхних интервалах земных недр.

Обладая большей скрытностью и неуязвимостью в сравнении с традиционными теплоисточниками, предлагаемый скважинный теплоисточник может иметь двойное (гражданское и военное) назначение. Предлагаемый скважинный теплоисточник может расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Известны повсеместно распространенные теплоисточники – ТЭЦ, котельные (Баскаков А.П. и др. Теплотехника. Учебн. для ВУЗов. Под ред. А.П.Баскакова. – 2-е изд. перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991 г., ч.III, стр.118-206, [1]), в которых тепловая энергия вырабатывается за счет сжигания органического топлива. Недостатки их заключаются в том, что используемые при этом ресурсы (газ, нефть, уголь, торф, дрова и др.) истощаемы. Стоимость их имеет тенденцию к повышению из-за того, что усложняются условия их добычи, доставки. Кроме того, сжигание топлива сопровождается загрязнением атмосферы и недр, что отрицательно сказывается на экологии окружающей среды.

Известна тепловодоснабжающая скважина (заявка на изобретение РФ №2005100306/03(000326), дата подачи 11.01.2005 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 23.05.2006 г., [2]), содержащая источник воды, зону стока и тепловодопотребитель, тепловодоснабжающая скважина пробурена таким образом, что ее забоем пересечен склон горы, и он сопряжен с дневной поверхностью, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне, которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а за зону стока принято пересечение скважины с нижерасположенной штольней, при этом в камере установлен соединенный со скважиной вихревой теплогенератор дискового типа под ее динамический уровень, напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотребитель подключен в зоне стока скважины к выходу вихревого теплогенератора через обвязку.

Тепловодоснабжающая скважина избавлена от недостатков, характерных для теплоисточников, предусматривающих сжигание органического топлива.

Однако недостатком ее является следующее.

Как правило, соединение теплоисточника с теплопотребителем осуществляется трубопроводом. Недостаток этого заключается в том, что кроме высокой затратности самих труб и их доставки в удаленные районы требуется затрата на их теплоизоляцию и устройство покровного слоя (окожушки) снаружи, что очень важно, особенно в районах с резкоконтинентальным климатом. Затратными являются прокладка теплотрассы, особенно в горных районах, и последующее её обслуживание в процессе эксплуатации. Ограничен срок эксплуатации применяемых труб. То есть известное соединение теплоисточника с теплопотребителем характеризуется сложностью.

При использовании в качестве рабочего энергоресурса поверхностных вод, в частности, в многоводные периоды (весеннее полноводье, летне-осенние дожди) возникает противоречие, заключающееся в несовпадении времени существования многоводных периодов (лето) и выработки посредством них тепловой энергии, с преимущественным периодом ее потребления (осень-зима, весна). Поэтому представляет интерес осуществление схемы, предусматривающей выработку тепла и его термоаккумулирование в летнее время и последующее его использование в отопительный период. Это позволит повысить технический гидроэнергопотенциал (термин согласно ГОСТ 51238-98. Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая. Термины и определения. Госстандарт России. М., ИПК Изд-во стандартов, 1999 г., стр.2, [3]).

Расположение источника тепла на дневной поверхности или около неё (характерно для большинства используемых теплоисточников) не придает ему качества скрытности и неуязвимости.

Задачей изобретения является упрощение канала сообщения теплоисточника с теплопотребителем, повышение технического гидроэнергопотенциала в многоводный период, повышение скрытности и неуязвимости.

Задача решается тем, что в скважинном теплоисточнике, содержащем тепловодоснабжающую скважину, соединенную с источником воды, зону стока и тепловодопотребителя, тепловодоснабжающая скважина пробурена таким образом, что ее забоем пересечена штольня, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена тепловодоснабжающая скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а за зону стока принято пересечение тепловодоснабжающей скважины с нижерасположенной штольней, при этом соединенный со скважиной вихревой теплогенератор установлен под ее динамический уровень, напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотребитель посредством тепловодопровода подключен в зоне стока тепловодоснабжающей скважины к выходу вихревого теплогенератора, а вихревой теплогенератор установлен в штольне и соединен со скважиной в ее пересечении со штольней насосной установкой с обвязкой, тепловодопроводом является дополнительная скважина, пробуренная из штольни до пересечения ее с дневной поверхностью в зоне тепловодопотребителя, к которой подключен трубопровод тепловодопотребителя, устье дополнительной скважины соединено с обвязкой насосной установки.

Скважинный теплоисточник может быть снабжен альтернативным дополнительной скважине тепловодопроводом, которым является вторая скважина, пробуренная из штольни до подземного или поверхностного аккумулятора тепла в горячей воде, устье второй скважины соединено с обвязкой насосной установки, подземными аккумуляторами тепла являются подземный водоносный горизонт с замещаемой в нем водой аккумулируемым теплом в горячей воде, либо пустотные образования или водогерметичные подземные выработки, поверхностные аккумуляторы тепла расположены на дневной поверхности земли, а несущими и герметизирующими элементами в них являются природные, чашеобразные или легко доводимые до чашеобразной формы, например, водоемы, складки поверхности, распадки, аккумуляторы тепла соединены с тепловодопотребителем тепловодопроводом потребителя, при этом тепловодопроводом потребителя до подземного аккумулятора тепла является пробуренная и освоенная эксплуатационная тепловодоснабжающая скважина, устье которой расположено в зоне тепловодопотребителя.

В скважинном теплоисточнике из штольни может быть пробурен куст дополнительных наклонных или направленных скважин до территориально рассредоточенных тепловодопотребителей и вторых скважин до подземных или поверхностных аккумуляторов тепла, сообщенных с тепловодопотребителями.

Установка вихревого теплогенератора в штольне, сообщение его выхода с насосной установкой, а также использование в качестве водопровода дополнительной скважины, пробуренной от штольни до тепловодопотребителя, позволяет получить следующие преимущества:

– исключить существенный критерий для скважинного размещения вихревого теплогенератора – его габариты. В штольне они могут быть существенно выше, а в качестве вихревых теплогенераторов могут быть использованы устройства общепромышленного назначения;

– использование в качестве водотеплопровода дополнительной скважины, в сравнении с теплопроводом, позволяет упростить его конструкцию. Ограничивающими объем являются стенки скважины. При ее бурении выбирается траектория, которая «пересекает» устойчивые, в меньшей степени подверженные воздействию горячей воды породы (растворение, поглощения – утечки и др.). Интервалы пород, склонные к негативному воздействию горячей воды и поглощению, могут тампонироваться (с последующим перебуриванием осложненных интервалов) либо перекрываться трубами стальными, керамическими или из синтетических материалов.

Упрощение конструкции связано еще и с тем, что в скважине не требуется установка теплоизоляции и окожушки. Объясняется это тем, что в земных недрах температура всегда положительна и является хорошим теплоизолятором (Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.70-76, [4]).

В случае ниспадающих скважин в определенных условиях насосная установка может не потребоваться. При этом движение горячей воды в скважине осуществляется за счет напора, возникающего в наклонной скважине. Насосная установка используется и востребована в случае восстающих скважин.

Наличие в скважинном теплоисточнике аккумуляторов тепла, до которых пробурены вторые скважины, позволяет сгладить противоречие, привносимое тем, что тепловая энергия вырабатывается в многоводный летний период, а полезно используется преимущественно спустя несколько месяцев – в зимний период года. При этом установлено (Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.74, [4]), что наилучшим и наиболее экономичным водотеплоаккумулятором является природный – земные недра. При его использовании температура теплоносителя в нем за 2 месяца уменьшается всего на 2-3°С.

Совершенно очевидно, что при этом повышается технический гидроэнергопотенциал скважинного теплоисточника в многоводный период года (ГОСТ 51238-98. Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая. Термины и определения. Госстандарт России. М., ИПК Изд-во стандартов, 1999 г., стр.2 [3]).

Размещение вихревого теплогенератора и отходящих от него к потребителям теплопроводов (скважин) в земных недрах делает его более скрытным и неуязвимым.

Относительно скрытности. В настоящее время обнаружение теплоисточников легко осуществляется с использование инфракрасных, в том числе оптических систем. Такими системами известные теплоисточники обнаруживаются просто.

Предлагаемый скважинный теплоисточник такими системами не может быть обнаружен, так как его тепловое излучение и излучения отходящих от него тепловодопроводов (дополнительной и второй скважин) экранируется слоем земных недр, расположенных выше них.

Относительно неуязвимости. Расположенная над скважинным теплоисточником и тепловодопроводами земная масса велика, велика и мощность (по глубине), расположенных сверху пород, и разрывы снарядов на земной поверхности не сказываются на их состоянии. Этим объясняется большая живучесть и неуязвимость предлагаемого скважинного теплоисточника, и возможность двойного применения его в гражданских технологиях и в военных целях и в военные периоды.

На чертеже приведена упрощенная схема предлагаемого скважинного теплоисточника и приняты следующие обозначения:

1 – тепловодоснабжающая скважина с фильтрами в пересечении с водоемом и подземной водоносной зоной и затворами; 2 – поверхностный источник воды; 3 – подземная водоносная зона; 4 – камера штольни; 5 – штольня; 6 – пересечение скважины со штольней; 7 – вихревой теплогенератор; 8 – задвижка в штольне на входе скважины; 9 – задвижка на выходе вихревого теплогенератора; 10 – емкость-коллектор; 11 – насосная установка; 12 – входной трубопровод насосной установки; 13 – задвижка на входном трубопроводе насосной установки; 14 – вторая скважина от штольни до поверхностного аккумулятора тепла в виде распадка второго тепловодопотребителя; 15 – фундаментные опоры поверхностного аккумулятора тепла в распадке; 16 – перекрытие поверхностного аккумулятора; 16′ – ограждающая дамба аккумулятора тепла в распадке; 17 – траектория дна распадка; 18 – горячая вода в аккумуляторе тепла в распадке; 19 – задвижка от насосной установки в трубопроводе ко второй скважине второго тепловодопотребителя; 20 – задвижка в линии от аккумулятора тепла в распадке ко второму тепловодопотребителю; 21 – насос второго тепловодопотребителя; 22 – дополнительная скважина от штольни до дневной поверхности к трубопроводу второго тепловодопотребителя; 23 – задвижка в линии от насосной установки в трубопроводе к дополнительной скважине второго тепловодопотребителя; 24 – задвижка на дневной поверхности в трубопроводе от дополнительной скважины ко второму тепловодопотребителю; 25 – дополнительная скважина от штольни до дневной поверхности к трубопроводу первого теплопотребителя и задвижки 26 – на его входе и 26′ – на его выходе; 27 – вторая скважина от штольни до подземного аккумулятора тепла; 28 – скважинный перфорированный трубопровод, предназначенный для улучшения условий заполнения подземного аккумулирующего горизонта; 29 – задвижка в трубопроводе от емкости-коллектора до устья второй скважины к подземному аккумулятору тепла; 30-32 – контуры подземного аккумулятора тепла; 33 – заборная, оборудованная фильтром, часть эксплуатационной тепловодоснабжающей скважины первого тепловодопотребителя; 34 – эксплуатационная тепловодоснабжающая скважина первого тепловодопотребителя; 35 – задвижка от устья эксплуатационной тепловодоснабжающей скважины к первому тепловодопотребителю; 36 – скважина (совмещенная дополнительная и вторая) от штольни до поверхностного аккумулятора тепловой энергии, представляющего собой часть залива водохранилища, отделенного от основного водохранилища теплоизолирующей плотиной (не показана); 37 – задвижка в линии скважины от штольни до поверхностного аккумулятора первого водопотребителя; 38, 39 – задвижки, обеспечивающие направление потока горячей воды от емкости-коллектора 10 либо в аккумулятор тепла – часть водоема, либо к третьему тепловодопотребителю; 40 – задвижка в трубопроводе от поверхностного аккумулятора тепла (часть водоема) к третьему тепловодопотребителю.

Ввиду плотности графического материала на чертеже не указаны имеющиеся следующие контрольно-измерительные приборы, установленные в штольне на скважинном теплоисточнике и у тепловодопотребителей.

На пересечении скважины со штольней: манометр, расходомер – счетчик количества, термометр.

На выходе вихревого теплогенератора: манометр, термометр.

На входах скважин 14; 22; 25; 27; 36: манометр, расходомеры – счетчики количества, термометры.

У каждого тепловодопотребителя: манометры, расходомеры – счетчики количества, термометры.

Н_д – динамический уровень воды в скважине.

Тепловодоснабжающая скважина 1, которая сообщена с источником воды – озером 2 и(либо) с подземной водоносной зоной 3 посредством поворотной трубы снаружи или внутри обсадной колонны, которая в интервале сообщения с источником воды 2 или 3 перфорирована и пробурена до штольни 4. Поворотная труба, установленная в интервале перфорирования также перфорирована, причем в одном положении поворотной трубы перфорация в поворотной и обсадной трубах совпадают – положение «открыто». В другом положении поворотной трубы перфорация в обсадной и поворотной трубах не совпадает и ему соответствует положение «закрыто». Тепловодоснабжающая скважина 7 в интервале пересечения 6 со штольней 5 посредством трубы сообщена с задвижкой 8, которая соединена трубопроводом с входом вихревого теплогенератора 7, выход которого посредством задвижки 9 сообщен с емкостью-коллектором 10. Режим питания от поверхностного источника воды и(или) подземной водоносной зоны, а также положения вихревого теплогенератора устанавливаются такими, что динамические уровень воды в скважине Н_д – напор воды, поступающей в вихревой теплогенератор, не меньше значения, регламентированного техническими характеристиками. Для принятого вихревого теплогенератора «Юсмар-5М», как правило, оно составляет 0,58 МПа и расход – 150 м³/ч. Посредством задвижек 13′, 26; 29; 37 емкость-коллектор сообщена с тепловодопотребителем 2, тепловодопотребителем 1 и тепловодопотребителем 3, соответственно. При этом сообщение емкости-коллектора 10 с теплопотребителями 7 и 3 осуществляется по безнасосной схеме, а требуемый напор создается разностью абсолютных отметок положения емкости-коллектора (она выше) и абсолютных отметок положения теплопотребителей 1 и 3. К тепловодопотребителю 2, расположенному выше емкости-коллектора, горячая вода подается насосом 11.

Горячая вода из емкости-коллектора 10 посредством обвязки, включающей систему задвижек и трубопроводов может подаваться к тепловодопотребителям либо непосредственно, либо вначале в аккумулятор тепла каждого из тепловодопотребителей, а в периоды востребованности – из аккумулятора тепла к тепловодопотребителю.

Сообщение с тепловодопотребителем 2. Насос 11 входным патрубком 12 подключен к задвижке 15. Напорная линия насоса посредством задвижек 19 и 23 подключена ко второй скважине от штольни до поверхностного аккумулятора тепла в виде распадка либо к дополнительной скважине от штольни до дневной поверхности соответственно.

Конструкция аккумулятора тепла содержит фундаментные опоры 15, на которые уложены теплоизолирующие и покровные плиты 16. Донная часть аккумулятора тепла представляет собой земные складки распадка 17, который имеет ограждающую дамбу 16′ и посредством которой в распаде образуется емкость чашеобразной формы. Эта емкость и заполняется горячей водой при аккумулировании тепла.

Посредством вентиля 20, насоса 21 горячая вода из аккумулятора тепла по трубопроводу может подаваться к тепловодопотребителю 2.

Минуя аккумулятор тепла при его непосредственной востребованности, горячая вода к тепловодопотребителю 2 может подаваться от емкости-аккумулятора 10 посредством насоса 77, задвижек 23, 24 и дополнительной скважины 22.

Сообщение с тепловодопотребителем 1. Посредством задвижек 26 и 29 и трубопроводов к емкости-коллектору подключены дополнительная скважина 25 и вторая скважина 27 от штольни до подземного аккумулятора тепла с его контурами 30-32. Подземный аккумулятор тепла перебурен скважиной 27 и оборудован перфорированной обсадной колонной с сеткой 28, через которую горячая вода из второй скважины поступает в подземный аккумулятор тепла 30-32. Известно, что природные подземные аккумуляторы тепла являются наиболее эффективными и экономичными (Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.74, [4]).

Из района расположения тепловодопотребителя 7 до тепловодоаккумулятора 30-32 пробурена тепловодоснабжающая эксплуатационная скважина 34, оборудованная фильтром в забойной ее части, и в которой установлен погружной электронасос, подключенный кабелем к сети электроснабжения. Оборудована скважина по аналогии с водоснабжающей скважиной (Башкатов Д.Н. и др. Справочник по бурению скважин на воду. Под редакцией Д.Н.Башкатова, М., Недра, 1979 г., стр.488-540, [5]).

Подача горячей воды от тепловодоаккумулятора 30-32 к тепловодопотребителю 7 может осуществляться посредством задвижки 35.

При текущей востребованности, минуя аккумулятор тепла, горячая вода к тепловодопотребителю 1 может подаваться от емкости-аккумулятора 10 посредством задвижек 26 и 26′, а также дополнительной скважины 25.

Сообщение с тепловодопотребителем 3. Посредством задвижки 37 и трубопровода к емкости-коллектору 10 может быть подключена дополнительная скважина 36, пробуренная от штольни до дневной поверхности в районе размещения третьего тепловодопотребителя, выполняющая одновременно и роль второй скважины от штольни до аккумулятора тепла, представляющего собой часть залива водохранилища, отделенная от основного водохранилища.

Конструкция аккумулятора тепла содержит фундаментные опоры 75, на которые уложены теплоизолирующие и покровные щиты 16. Аккумулятор тепла является частью водоема (водохранилища), которая отделена и теплоизолирована от основного водохранилища теплоизолирующей стенкой, которая выполнена с возможностью нести нагрузку при разных уровнях воды в емкости аккумулятора тепла и основного водохранилища. Донная часть аккумулятора тепла никак не изолирована.

Посредством вентиля 40 и насоса 21 по трубопроводу вода из тепловодоаккумулятора может подаваться к третьему тепловодопотребителю.

Минуя аккумулятор тепла, вода из скважины 36 может подаваться непосредственно третьему тепловодопотребителю посредством задвижки 39.

Пробуренные тепловодоснабжающая, дополнительные, вторые и тепловодоснабжающая эксплуатационная скважины при сооружении скважинного теплоисточника имеют следующие конструктивные параметры.

Тепловодоснабжающая скважина. Диаметр бурения составляет 151 мм, обсадные трубы диаметром 146 мм. Фильтры в интервалах поступления воды в скважину – сетчатые. Глубина скважины (до пересечения со штольней) – 150 м. Глубина озера в месте установки скважины – 6,3 м. Мощность водоносной зоны 3 составляет 5 м. Динамический уровень воды в скважине Н_д=56 м, положение статического уровня водоносной зоны – 48 м.

Сообщение с тепловодопотребителем №2. Вторая 14 и дополнительная 22 скважины пробурены диаметром 76 мм. В начале (у устья) и у выхода (забоя) скважины оборудованы соответственно отрезками труб с задвижками 19, 19′ и 23, 24. Породы, в которых пробурены скважины устойчивы, представлены гранитами и гнейсами. После перебуривания скважины испытаны на герметичность и теплопотери. В результате испытаний установлено, что скважины не имеют поглощений, то есть герметичны, тепловые потери отвечают установленным требованиям, при этом уменьшение температуры в установившемся режиме не превысило 1°С. Протяженность второй скважины 14 составила 958 м, а дополнительной скважины 22 – 1374 м.

Для сравнения следует отметить, что согласно проекту длина классического трубопровода, проложенного от скважинного теплоисточника до тепловодопотребителя №2, оборудованного теплоизоляцией и покровным слоем, проложенного в штольне 5 и по пересеченной местности до тепловодопотребителя №2, составляет 2523 м.

Средняя техническая скорость бурения сплошным забоем скважин 14 и 22 составила 56 м в сутки. Затраты времени на бурение скважин 14 и 22 составили около 42 суток.

Ввиду того что при бурении скважин не встретилось геологических осложнений, это время и составило время сооружения и устройства каналов сообщения скважинного теплоисточника с тепловодопотребителем №2.

Сообщение с тепловодопотребителем №1. Дополнительная 25 и вторая 27 скважины пробурены диаметром 76 мм. У устьев и забоев скважины оборудованы отрезками труб и задвижками 26, 26′ и 29 соответственно. По телу подземного аккумулятора тепла скважина перебурена с установкой перфорированной с сетчатым фильтром трубы 28. Из района расположения тепловодопотребителя №1 пробурена тепловодоснабжающая эксплуатационная скважина (ТЭС) 34 так, что ее забойная часть 33 расположена в подземном аккумуляторе тепла в горячей воде. Основной диаметр бурения ТЭС составляет 93 мм, в ней установлен погружной насос. Протяженность дополнительной скважины составляет 1118 м, протяженность второй скважины составляет 983 м, а протяженность ТЭС составляет 183 м.

Породы, в которых пробурены скважины, устойчивые – граниты и гнейсы. При бурении скважин каких-либо геологических осложнений не встречено. Испытаниями скважины установлены их герметичность и отсутствие тепловых потерь.

Для сравнения: согласно проекту длина стального трубопровода от скважинного теплоисточника, теплоизолированного, смонтированного по штольне 5 и пересеченной местности, до тепловодопотребителя №1 составляет 2436 м.

Средняя техническая скорость бурения скважин 25, 27, 34 составила 54 м в сутки. Продолжительность сооружения скважин – 43 суток, что и составило время сооружения и устройства каналов сообщения скважинного теплоисточника с тепловодопотребителем №1.

Сообщение с тепловодопотребителем №3. Дополнительная (она же является и второй) скважина 36 пробурена диаметром 76 мм. У устья и на выходе на дневную поверхность скважина оборудована задвижками 37, 38 и 39 соответственно. В процессе бурения скважины перебурен интервал геологических осложнений, представленных зоной поглощения (нарушенные породы, в которых наблюдаются утечки жидкости из скважины). Мощность этого интервала составляет 22 м, границы его установлены и осложнение ликвидировано путем перекрытия его трубами, установленными «впотай» в указанном интервале.

Другие интервалы скважины устойчивы. Испытаниями установлены их герметичность, тепловая эффективность, регламентированная нормативно-технической документацией. Протяженность скважины 36 составила 874 м.

Для сравнения: длина стального трубопровода от скважинного теплоисточника, теплоизолированного, смонтированного по штольне 5 и пересеченной местности, до тепловодопотребителя №3 составляет 2912 м.

Средняя техническая скорость бурения скважины 36 составляет 53 м в сутки, а время ее сооружения составило 17 суток.

Сравнение конструкций трубопроводов и скважин, выполняющих их роль, от скважинного источника до тепловодопотребителя №№1,2,3 позволяет отметить следующее.

Упрощение конструкции тепловодопроводов в виде предложенных скважин объясняется:

1) меньшей протяженностью скважин в сравнении с трубопроводами, установленными в штольне 5 и далее в пересеченной местности скважинного теплоисточника до водопотребителя (протяженность скважин до тепловодопотребителя №1 составляет 2284 м, а трубопровода 2436 м, протяженность скважин до тепловодопотребителя №2 составляет 2332 м, а трубопровода – 2523 м, протяженность скважины до тепловодопотребителя №3 составляет 874 м, а трубопровода – 2912 м);

2) меньшей затратностью на монтаж и обустройство теплоизоляции, последующее эксплуатационное обслуживание, так как после сооружения скважины он не требуется вообще;

3) сроком эксплуатации до износа кратно больший;

4) исключена возможность разукомплектации магистральных трубопроводов (разворовывания, характерного настоящему времени), так как оно в принципе невозможно.

Приведенные преимущества позволяют отметить большую простоту предлагаемого скважинного теплоисточника в сравнении с организацией теплоснабжения с использованием трубопроводных теплосетей.

Скважинный теплоисточник работает следующим образом.

Поворотными трубами обсадной колонны скважины 1, а также вентилями 8 и 9 косвенно, по показаниям манометра и расходомера, установленного перед вентилем 8, устанавливают динамический уровень Н_д, достаточный для работы вихревого теплогенератора 7, Q=150 м³/ч; Н_д=58 м (Р_д=0,58 МПа). При этом вода из поверхностного источника 2 и подземного источника 3 поступает в тепловодоснабжающую скважину 7 и далее по скважине двигается к ее забою, проходя через вентиль 8, поступает в вихревой теплогенератор 7, а далее через вентиль 9 поступает в емкость-коллектор 10. Проходя через вихревой теплогенератор, она нагревается (патент РФ на изобретение №2045715 «Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей». Авт. Потапов Ю.С. F25B 29/00, опубл. 10.10.95, бюл. №28, [6], Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. Российская академия естественных наук. Молдавский центр, «Неосферные технологии», г.Кишинев, 2001 г., [7]) до требуемой температуры 98°С и горячая вода поступает через задвижку 9 в емкость-коллектор. Следует отметить, что в многоводные периоды года летне-весенний паводок или летне-осенние дожди, подключаются несколько (батарея) вихревых теплогенераторов, в данном случае 3 вихревых теплогенератора «Юсмар-5М» (условно не показаны) параллельно показанному на чертеже.

Гидравлическая мощность потока Nr₁, поступающего в вихревой теплогенератор, в период с нормальным режимом поверхностного источника воды составляет (установлен один вихревой теплогенератор «Юсмар-5М» с параметрами Р=0,58 МПа, Q₁=150 м³/ч):

Nr₁=Р·Q₁=580·10³ Па·4,17·10^-2 м³/c=24186 Вт=24,2 кВт

Гидравлическая мощность потока Nr₂, поступающего в батарею из 3-х вихревых теплогенераторов в многоводный период года составляет (установлены 3 параллельно работающие вихревые теплогенераторы «Юсмар-5М» с параметрами P=0.58 МПа, Q=150 м³/ч×3):

Nr₂=P·Q=580·10³ Па·4.17·10^-2 м³/с×3=72,6 кВт

Горячая вода из емкости-коллектора 10 посредством задвижек 13, 26, 29 и 37 подается в дополнительные скважины 22, 25, 36 и при текущей востребованности, например, в зимние периоды года с открытием задвижек 24, 26′ и 39′ – непосредственно второму, первому и третьему тепловодопотребителям, соответственно контроль режимов гидравлического потока (работы вихревых теплогенераторов, количество выработанной и потребленной энергии) осуществляется с использованием показаний соответствующих контрольно-измерительных приборов, установленных на входах и выходах вихревого теплогенератора, на аккумуляторах тепла и теплопотребителей.

В многоводные периоды года, например в весенний паводковый или период летне-осенних дождей, когда подключается большее (соответствующей пропускной способности тепловодоснабжающей скважины и значению расхода воды в ней) количество вихревых теплогенераторов, востребованность тепловой энергии, как правило, минимальна. В такие периоды задвижки 23, 26 и 39 закрывают, а задвижки 19, 29 и 38 открывают, при этом горячая вода из емкости-коллектора 10 направляется по вторым скважинам 14, 27 и 36 в аккумуляторы или на поверхностный – в виде распадка, подземный и поверхностный – в виде части водохранилища соответственно. Выработанное в летнее (как правило, не востребовано в это время тепло) время тепловая энергия аккумулируется в аккумуляторах тепла до периода востребования (отопительного сезона), когда используется по назначению. Практикой установлено, что в аккумуляторах тепла, в том числе подземных, природных, температура теплоносителя хорошо сохраняется и за период теплоаккумулирования, например 2 месяца, уменьшается на 2-3°С (Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.74, [4]).

Нетрудно видеть, что на предлагаемом скважинном теплоисточнике более полно используется технический гидроэнергопотенциал, формируемый в том числе поверхностным источником в многоводные периоды года. Он используется в полной мере.

Предлагаемый скважинный теплоисточник выполнен подземным (расположенным в штольне, под мощной толщей земных недр). Это придает ей такие качества, как скрытность и неуязвимость.

Кроме того, предлагаемый скважинный теплоисточник расширяет номенклатуру НВИЭ, его применение в районах децентрализованного энергоснабжения позволяет уменьшить затраты на осуществление северного завоза топлива и затраты на него, а его комбинированное использование в таких регионах с другими видами НВИЭ – повысить надежность энергообеспечения, повысить степень автономности регионов децентрализованного энергообеспечения (снизить зависимость от внешних поставок топлива и от возможных колебаний конъюнктуры рынка), улучшить условия проживания населения и является важной частью энергетической политики нашего государства (Бреусов В.П. Использование энергии возобновляемых источников в комбинированных автономных энергосистемах. Автореферат диссерт. на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, С-П ГТУ, 2002 г., Б153290 [8]).

ИСТОЧНИКИ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баскаков А.П. и др. Теплотехника. Учебн. для ВУЗов. Под ред. А.П.Баскакова. – 2-е изд. перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991 г., ч. III, стр.118-206.

2. Тепловодоснабжающая скважина. Заявка на изобретение РФ №2005100306/03(000326), дата подачи 11.01.2005 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 23.05.2006 г.

3. ГОСТ Р 51328-98. Нетрадиционная энергетика. Гидроэнергетика малая. Термины и определения. Госстандарт России, М., ИПК Издательство стандартов, 1999 г., стр.2.

4. Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.70-76.

5. Башкатов Д.Н. и др. Справочник по бурению скважин на воду. Под редакцией Д.Н.Башкатова, М., Недра, 1979 г., стр.488-540.

6. Патент РФ на изобретение №2045715 «Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей». Авт. Потапов Ю.С. F25B 29/00, опубл. 10.10.95, бюл. №28.

7. Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. Российская академия естественных наук. Молдавский центр «Неосферные технологии», г.Кишинев, 2001 г.

8. Бреусов В.П. Использование энергии возобновляемых источников в комбинированных автономных энергосистемах. Автореферат диссерт. на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Петербург, С-П ГТУ, 2002 г., Б153290.

Формула изобретения

1. Скважинный теплоисточник, содержащий тепловодоснабжающую скважину, соединенную с источником воды, зону стока и тепловодопотребителя, тепловодоснабжающая скважина пробурена таким образом, что ее забоем пересечена штольня, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена тепловодоснабжающая скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а за зону стока принято пересечение тепловодоснабжающей скважины с нижерасположенной штольней, соединенный со скважиной вихревой тепловодоснабжающий теплогенератор, установленный под ее динамический уровень, напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотребитель посредством тепловодопровода подключен в зоне стока тепловодоснабжающей скважины к выходу вихревого теплогенератора, отличающийся тем, что вихревой теплогенератор расположен в штольне и соединен со скважиной в ее пересечении со штольней, снабжен насосной установкой с обвязкой, тепловодопроводом является дополнительная скважина, пробуренная из штольни до пересечения ее с дневной поверхностью в зоне тепловодопотребителя, к которой подключен трубопровод тепловодопотребителя, устье дополнительной скважины соединено с обвязкой насосной установки.

2. Скважинный теплоисточник по п.1, отличающийся тем, что он снабжен альтернативным дополнительной скважине теплопроводом, которым является вторая скважина, пробуренная из штольни до подземного или поверхностного аккумулятора тепла в горячей воде, устье второй скважины соединено с обвязкой насосной установки, подземными аккумуляторами тепла являются подземный водоносный горизонт с замещаемой в нем аккумуляторным теплом в горячей воде, либо пустотные образования или водогерметичные подземные выработки, поверхностные аккумуляторы тепла расположены на дневной поверхности земли, а несущими и герметизирующими элементами в них являются природные, чашеобразной или легко доводимой до чашеобразной формы, например, водоемы, складки поверхности, распадки, аккумуляторы тепла, соединенные с тепловодопотребителем тепловодопроводом потребителя, при этом тепловодопроводом потребителя до подземного аккумулятора тепла является пробуренная и освоенная эксплуатационная теплоснабжающая скважина, устье которой расположено в зоне тепловодопотребителя.

3. Скважинный теплоисточник по п.1 или 2, отличающийся тем, что из штольни пробурен куст дополнительных наклонных или направленных скважин до территориально рассредоточенных тепловодопотребителей и вторых скважин до подземных или поверхностных аккумуляторов тепла, сообщенных с тепловодопотребителями.

РИСУНКИ