Проект комплексной эксплуатации геотермального месторожденя

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ 

Федеральное государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

«Камчатский государственный технический университет» 

Технологический факультет 

Кафедра «Защита окружающей среды и водопользование» 
 

Эксплуатация  геотермальных месторождений 

Курсовой  проект 

«ПРОЕКТ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕСУРСОВ ПАУЖЕТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ» 

280302.06КП34.000ПЗ 
 

Выполнил: студент гр. ______ (группа) __________ (подпись) _________________ (Ф.И.О.) 
 

Работа  защищена «____» _____________ 2010 г. с оценкой ______________________ 
 

Руководитель: ________ (должность) __________ (подпись) _________________ (Ф.И.О.) 
 
 
 
 
 

Петропавловск-Камчатский, 2010

ФГОУ  ВПО «Камчатский государственный  технический университет»

Технологический факультет

Кафедра «Защита окружающей среды и водопользование» 

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта

по дисциплине «Эксплуатация геотермальных месторождений» 

студенту группы ______ (название группы) _________________ (Ф.И.О. студента) 

1. Тема курсового проекта: «ПРОЕКТ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПУЩЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ». 

2. Срок представления студентом законченной работы к защите:

«____» _____________ 20__ г. 

3. Исходные данные  и материалы для проектирования:

- средняя температура 60 °С;

- общий дебит  80 л/сек;

- минерализация  6 г/л;

- кислотность  pH=7. 

4. Перечень текстового  и графического материала курсового  проекта:

4.1. Пояснительная  записка:

– физико-географическая характеристика месторождения;

– выбор  принципиальной и построение развернутой схемы геотермального теплоснабжения;

– выбор  принципиальной и построение развернутой схемы комплексного использования геотермальных ресурсов;

– расчет вихревого конденсатора-сепаратора;

– расчет и подбор прочих аппаратов, узлов и элементов схемы;

– вопросы  бальнеологического использования  ресурсов месторождения. 

4.2. Графическая  часть:

– развернутая  схема геотермального теплоснабжения;

– развернутая  схема комплексного использования  геотермального месторождения; 

Задание выдано:  «____» ____________ 20__ г. 

Руководитель  работы: _________ (должность) __________ (подпись, ФИО руководителя) 

Задание принял к исполнению студент: _________________ (подпись, ФИО студента) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

       Реферат курсового проекта по теме «ПРОЕКТ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ ПУЩИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ »

       Курсовой  проект содержит:

       –  пояснительная записка –  страниц, список литературы из __ источников, 3 приложения;

       – графическая часть – 2 чертежа.

       Ключевые  слова: ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ, ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ФЛЮИДА, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ, РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ТЕПЛО-НАСОСНАЯ УСТАНОВКА, ВИХРЕВОЙ КОНДЕНСАТОР-СЕПАРАТОР ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ

       Целью курсового проекта является разработка схемы комплексного использования Пущинского геотермального месторождения.

       Задачи  курсового проекта: изучение схем геотермального теплоснабжения, выбор оптимальной  схемы геотермального теплоснабжения, изучение схем комплексного использования, выбор оптимальной схемы комплексного использования, конструктивный расчет вихревого конденсатора-сепаратора, расчет и подбор аппаратов схемы.

       Методы  исследования – литературный обзор, анализ и обобщение данных, технико-экономический анализ, технический и технологический расчет.

       Основные  полученные результаты: разработана схема комплексной эксплуатации Пущинского геотермального месторождения, выполнен конструктивный расчет вихревого конденсатора-сепаратора и подбор основных аппаратов схемы комплексной эксплуатации. 

Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

       Возрастающие  энергетические потребности современного мира вызывают интенсификацию поисков  новых источников энергии. Серьёзным  резервом обеспечения потребности нашей страны в топливо-энергетических ресурсах должна стать геотермальная энергия. Её широкое освоение и промышленное использование - исключительно важная межотраслевая комплексная проблема. Эту проблему можно решить, если резко усилить работы по комплексному использованию глубинного тепла Земли в первую очередь на Камчатке. В настоящее время многие страны занимаются или собираются заниматься разведкой геотермальных месторождений, прежде всего месторождений термальных вод. В зависимости от теплосодержания термальные воды могут использоваться для выработки электроэнергии, теплоснабжения в промышленности и в сельском хозяйстве, могут быть источником ценного химического сырья и применяться для лечебных целей.

       Современные термопроявления пространственно  приурочены к областям молодого и современного вулканизма, что свидетельствует о тесной связи магматизма и гидротерм. Однако правильнее рассматривать такую связь как парагенетическую, считая, что и вулканизм и гидротермы обусловлены повышенной геотермальной активностью недр и отражают повышенный тепловой режим на данном участке земной коры. Геотермальные месторождения и проявления вулканизма связаны обычно с крупными тектоническими зонами, такими, как системы грабен-синклиналей Камчатки, рифтовые зоны Восточной Африки и Исландии, вулканическая депрессия Таупо в Новой Зеландии, Долина Больших Гейзеров в США и др., т.е. в основном к депрессионным зонам.

       С позиций исследований последних  лет генезис термальных вод связывается  с развитием в земной коре магматических очагов и отделением флюида от магмы в апикальных частях магматических камер. Условия формирования гидротерм путём смещения инфильтрационных вод и флюида определяются структурно-тектоническими и гидрогеологическими особенностями данного района, в зависимости от которых образуются парогидротермы или гидротермы с относительно низкой температурой.

       Пущинские горячие источники располагаются  в 18 км от посёлка Пущино, на западном склоне Валагинского хребта, где соединяются  Правый и Левый Кашканы, на обоих  склонах ущелья Правого Кашкана выбиваются многочисленные струйки тёплой воды. Когда-то сорвавшийся с правого склона обвал разделил источники на две группы - верхнюю и нижнюю. Несмотря на обилие выходов, общий дебит источников невелик, температура невысока, но вода имела высокое насыщение углекислым газом, повышенную минерализацию и такие ценные лечебные компоненты, как кремнекислота и бор. Не случайно, поэтому Пущинские источники раньше пользовались у местного населения большой популярностью. Не одно поколение охотников излечивало здесь многочисленные недуги и полученные на охоте травмы. Своими руками они построили на верхней группе источников небольшой домик, ванны, раздевалку. Всё было ухожено, поддерживался порядок.

       Но  так было, пока это место оставалось труднодоступным. Положение изменилось с прокладкой Мильковской автотрассы. Сюда стали приезжать покупаться, отдохнуть на лоне природы, повеселиться. Но этих посетителей меньше всего интересовали целебные свойства здешней воды. Никто не думал и о сохранении окружающей природы и самих источников. Раздевалку и часть домика разобрали на топливо, растительность вырубили, ванны ремонтировать было некому, и они разрушились и высохли, сырые лужайки вокруг основных грифонов затоптали, и они превратились в грязные лужи, а грифоны исчезли. Судьба этой основной группы Пущинских источников показывает, что может произойти с уязвимым уголком природы, если оставить его без защиты.

       В 1979—1983 годах в районе нижней площадки было пробурено несколько скважин, из которых несколько отличаются высоким общим дебитом — около 80 л/с, повышенной температурой воды — до 60°. Химический состав немногим отличается от состава в естественных выходах: минерализация - 6,0 г/л, pH=7.

       Пущинские воды являются горячими углекислыми  минеральными водами многоцелевого назначения, которых на Камчатке совсем немного, а в районе Петропавловска, Милькова - единственные. Уже давно поднимается вопрос о строительстве здесь бальнеологической лечебницы. Но высокие достоинства источников обязывают сделать это с максимально полным использованием их материальных, тепловых и лечебных ресурсов путём сооружения здесь санитарного комплекса не ниже чем областного значения.

       Для туристов Пущинские источники теперь потеряли былую привлекательность  глухого, но прелестного уголка природы, однако по-прежнему являются промежуточным географическим пунктом интересного маршрута, проходящего к вулкану Бакенингу и окружающим его озёрам и далее - по долине Средней Авачи, через Заимку Дьяконова к Северным Корякам. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Выбор принципиальной и построение развернутой схемы геотермального теплоснабжения

       Принципиальные  схемы геотермальных систем теплоснабжения должны выбираться с учетом температуры  и химического состава геотермального теплоносителя, характера возможного потребления геотермальной теплоты, условий сброса отработанной геотермальной воды, наличия источника питьевой воды, взаимного расположения термоводозабора, потребителя, места сброса и источника воды питьевого качества, а также расстояний между ними. На термоводозаборе, как правило, следует предусматривать сборную емкость геотермальной воды, установку которой, а также прокладку сборных тепловых сетей следует производить с учетом рельефа местности и допустимой величины противодавления.

       Геотермальные системы теплоснабжения на базе месторождений высокотермальных и перегретых вод питьевого качества должны, как правило, представлять собой однотрубную открытую систему теплоснабжения с зависимым присоединением отопления.

       При использовании природных теплоносителей непитьевого качества следует, как правило, применять закрытые геотермальные системы теплоснабжения с зависимым или независимым присоединением систем отопления. При этом для размещения теплообменного оборудования системы теплоснабжения должны включать центральные геотермальные тепловые пункты (ЦТПГ).

       Температура воды Пущинских горячих источников в среднем составляет 60 °С, т.е. являются термальными. По химическому составу данные воды являются водами не питьевого качества, так как минерализация превышает допустимые СанПиНом нормы, и составляет 6 г/л. Исходя из этого предлагаю применить закрытую двухтрубную систему теплоснабжения с зависимым присоединением отопления (рис. 1).

Выбранная принципиальная схема использования месторождения как источника теплоснабжения согласно требованиям и рекомендациям ВСН 56-87 «Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений. Нормы проектирования» не учитывает, что горячее водоснабжение термальными водами возможно, поэтому необходимы принципиальные улучшения:

       1. Необходимы барорегулирующий и  защитный вентиля на устье.

       2. Так как рядом со скважиной существует источник питьевой воды, то необходимо использовать эти воды для горячего водоснабжения. Для этого устанавливаем регенеративный теплообменник, который, за счет высокой температуры воды, подогреет питьевую воду из источника.

       3. Вода, которая в регенеративном теплообменнике подогревает питьевую воду для горячего водоснабжения необходимо пустить на сброс или обратную закачку.

       4. Воду, поступающую для горячего  водоснабжения после регенеративного  теплообменника необходимо накапливать  в бак-аккумулятор для водопроводной воды.

       Приняв  к сведению все вышеуказанные  дополнения, применяем принципиальную схему геотермального теплоснабжения, изображенную на рис. 2. Она же является конечной схемой теплоснабжения.

       Исходя  из принципиальной схемы строим развернутую схему геотермального теплоснабжения.

При построении развернутой схемы необходимо придерживаться следующих основных правил:

– устьевая обвязка  принимается согласно требованиям  ПБ-07-599-03 «Правила разработки месторождений теплоэнергетических вод»

– на входе и  выходе из большинства аппаратов  обязательно устанавливаются термометр (или датчик температуры) и манометр (или датчик реле давления);

– на крупных  аппаратах предусматриваются вспомогательные  вентиля слива жидкости и сброса газа (пара);

–  на аппаратах, работающих под давлением, обязательны аварийная паровая (подключенная через дублированный предохранительный клапан) и жидкостная линии сброса среды, которые от всех аппаратов объединяются в аварийный паровой (газовый) и жидкостный коллекторы;

– основные насосы в схеме дублируются, при этом используется параллельное, а не последовательное подключение аппаратов;

– перед насосом, соленоидным вентилем обязательна  установка фильтр, при этом также  предусматривается обводная линия  на случай очистки фильтра и/или ремонта аппарата. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Выбор принципиальной и построение развернутой схемы комплексного использования геотермальных ресурсов

       1. Так как вода, поступающая из скважины, имеет температуру 60 °С, возможна прямая подача на теплоснабжение.

       2. Часть воды поступает в регенеративный  теплообменник, нагревая воду  питьевого качества (взятую из  источника) поступающую на горячее водоснабжение.

       3. Остальная вода из регенеративного  теплообменника частично смешивается  с  использованной на теплоснабжение водой, затем она поступает в теплонасосную установку (ТНУ), для того чтобы перегрев воду получить пар, необходимый для работы вихревого конденсатора-сепаратора (ВКС).

       4. Пар поступает в ВКС с температурой  равной 140 °С, затем очищенный пар смешивается с водой и вторично поступает в ВКС. Жидкость сепарируется, и в виде конденсата (концентрата) идет на дальнейшее использование, предварительно охладившись в кожухотрубном теплообменнике.

       5. Из ВКС пар с высоким давление  поступает в турбину, где происходит  расширение пара, т.е. детандирование.

       6. После чего пар с низким  давлением необходимо направить  в конденсатор, для того, чтобы  избежать кавитации в насосе.  В конденсаторе пар охлаждается за счет холодной воды из источника, и превращается в охлажденную жидкость, которая поступает в насос первой ступени.

       7. После чего пар с низким  давлением необходимо направить  в конденсатор, для того, чтобы  избежать кавитации в насосе.  В конденсаторе пар охлаждается за счет холодной воды из источника, и превращается в охлажденную жидкость, которая поступает в насос первой ступени.

       8. Часть потока направляем на  дальнейшее использование. Другая часть – поступает, для переохлаждения, в кожухотрубный теплообменник. После чего направляется на насос второй ступени и дальше смешивается с очищенным паром. Полученная парожидкостная смесь поступает в ВКС и т.д.

       Полученная  схема является конечной схемой комплексного извлечения (рис. 3). Исходя из принципиальной схемы строим развернутую схему комплексного извлечения химических элементов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3 Расчет и подбор аппаратов, узлов и элементов схемы

       3.1 Расчет вихревого конденсатора-сепаратора

1. Определяем  предварительный диаметр аппарата по оптимальной величине среднерасходной скорости W_ср.р, равной 10 м/с:

D =

где G₀ – массовый расход пара, кг/с;

₁ - удельный объем пара в т. 1, т.е. поступающего в аппарат, равен 0,6 м³/кг.

где G_исх – объемный расход воды, поступающей со скважины, л/с;

G_тепл – объемный расход воды, поступающий на отопление и ГВС, л/с;

i_исх, i_тепл и i₀  – значения энтальпий для G_исх, G_тепл и G₀ соответственно, кДж/кг.

Значение  энтальпий выбирается из таблицы  «Сухой насыщенный пар и вода на кривой насыщения (по температурам)»

i_исх = 210 кДж/кг, для 50 °C;

i_тепл = 42 кДж/кг, для 10 °C;

i₀ = 2734 кДж/кг,  для 140 °C;

k = 1,25;

G_исх = 80 л/с.

D =

2. Определяем  режим охлаждения аппарата. Охлаждение  осуществляется возвратным потоком ПЖС. Определяем тепловой поток в аппарате как:

Q = G₀·i₁ - G_п·i₂ - G_к·i_2', кВт,

где G_п – массовый расход пара на выходе из ВКС, кг/с;

G_к – расход конденсата, л/с;

принимаем i₁ = i₂ = 2734 кДж/кг;

i_2' = 590 кДж/кг.

где Y₀ – концентрация вещества в исходном паре, 6 г/л;

Y_к – конечная концентрация вещества в паре, 1 г/л;

X_к – концентрация в жидкости, г/л;

X_к = 10Y_к = 10 г/л

Q = 6,24·2734 – 2,78·2734 – 3,46·590 = 7418,26 кВт

3. Определяем  максимальную толщину конденсатной  пленки для ламинарного (Re < 400) и турбулентного (Re > 400) режимов (проверяем для обоих):

где - коэффициент кинематической вязкости, 1,27·10^-7 м²/с;

 – плотность, 610 кг/м³;

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с².

Теплофизические параметры конденсата предварительно принимаем при температуре t_стенки, равной средней температуре охлаждающей воды t_ср или средней температуре перегрева пара t_ср = (t₂ + t₄) / 2 = (140 + 550) / 2 = 340 °С.

4. Определяем  средний коэффициент теплоотдачи  α_ср из уравнения:

где λ – коэффициент  теплопроводности, 0,446 Вт/(м·°С), берется при средней температуре (как и выше);

Pr – критерий Прандтля, берется из таблиц при средней температуре, 1,42;

Ga – критерий Галилея

= 20000 Вт/м² ·°С, отсюда делаем вывод, что режим турбулентный, принимаем 10000 Вт/м² ·°С.

5. Находим длину  поверхности полной конденсации  L₁:

Проверяем согласно значению оптимальной величины безразмерной длины циклонов L_d, равной 2,5-3,5 для ВКС. Тогда абсолютная длина циклона равна:

L₂ = L_d · D = 2,5 · 0,097 = 0,242м

Принимаем L = 0,267 м

       6. Определяем необходимую суммарную  площадь сопел из условия непревышение в сопловом сечении скорости, равной 0,1 скорости звука. Для этого определяем скорость звука в среде (критическую скорость газа):

где  k - показатель адиабаты газа, для водяного пара k = 1,135 (сухой насыщенный пар), 1,035+0,1х (влажный пар), 1,33 (перегретый пар);

R - универсальная  газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль·°С);

μ - молярная масса  газа, для водяного пара γ = 18·10^-3 кг/моль;

T - температура  газа (пара), К.

Определяем суммарную  площадь сопел:

Проверяем полученное значение F_Σс на выполнение условия F_Σс/F_к = 0,05-0,1, где F_к – площадь камеры.

F_Σс / F_к = 18,97

Принимаем условие  непревышения в сопловом сечении скорости, равной 0,9 скорости звука.

Так как F_Σс >F_к, то:

1. Принимаем осевой ввод с направляющей, F_{к нов} = F_Σc = 0,015 м²
2. , т.е. D увеличивается в два раза, тогда уменьшаем величину L_d, принимаем равной 1.

L = L_d · D;

 м;

L = 1 · 0,14 = 0,14 м. 

7. Размеры системы охлаждения, т.е. площадь поперечного сечения охлаждающей рубашки, рассчитывается из условия непревышения характерных скоростей движения охлаждающей среды:

G_v = G_т · ν₄;

где ν₄ – удельный объем турбинного пара, 0,508 км²/кг;

G_т = G_п = 2,78 кг/с;

Максимальная  скорость, W_max = 40 м/с.

G_v = G_т · ν₄ = 2,78 · 0,508 = 1,41 кг/с

       3.2 Бак-аккумулятор

       Бак-аккумулятор выбираем согласно ВСН 56-87 из условия выравнивания суточной неравномерности. Полный расчет производится согласно разд. 13 СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация», упрощенно принимаем 6-8 м³. 
 

Заключение