Оптимизация энергетических комплексов при бурении геологоразведочных скважин в условиях Крайнего Севера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Оптимизация энергетических комплексов при бурении геологоразведочных скважин в условиях Крайнего Севера

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В ноябре 2004 года Министерством природных ресурсов РФ и Федеральным агентством по недропользованию разработана «Долгосрочная государственная программа изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России до 2020 года». В случае реализации программы планируется достигнуть уровня воспроизводства минерально-сырьевой базы, соответствующего началу 80^ых годов. Предусмотренные в программе работы должны обеспечивать прирост ценности недр России при повышении эффективности геологоразведочных работ.

Дальнейшее развитие геологоразведочных работ связано с освоением труднодоступных регионов с суровыми климатическими условиями и, как правило, удаленных от энергосистем промышленных предприятий. В таких условиях проблемы энергообеспечения приобретают первостепенное значение.

Бурение скважин является основным способом разведки месторождений полезных ископаемых и связано как с электропотреблением, так и с потреблением теплоты. Доля затрат на электро- и теплоснабжение может превышать 20% от общего объема затрат на геологоразведочные работы. Причем, около половины всей потребляемой энергии вырабатывается малоэффективными дизельными электростанциями, тепловые потери которых превышают 60%.

Несмотря на значительные затраты топливно-энергетических ресурсов, которые непосредственно влияют на стоимость проводимых работ, условия труда при бурении скважин зачастую не соответствуют санитарно-гигиеническим требованиям. Поэтому, наряду с решением технических и технологических проблем бурения, вопросы энергообеспечения, использования энергосберегающих технологий приобретают большое значение, от оптимального решения которых зависит эффективность геологоразведочных работ.

Назрела необходимость проведение исследований при комплексном подходе к вопросам энергоснабжения, позволяющих рационально использовать имеющиеся энергетические ресурсы на основе новых технических решений. Изменившиеся экономические условия требуют разработки новых научных принципов, на основе которых возможно создание оптимальных систем и комплексов энергоснабжения геологоразведочных работ. Поэтому, поставленные в данной работе задачи являются актуальными, имеющими важное хозяйственное значение, решение которых способствует укреплению минерально-сырьевой безопасности страны.

Работа выполнена на основе теоретических, экспериментальных и опытно-производтвенных исследований, проведенных автором с 1980 по 2007 гг. в соответствии с планами ОКР Мингео РСФСР, МПР РФ, Минобразования РФ и Федерального агентства по науке.

Цель работы - повышение эффективности геологоразведочного бурения за счет разработки научных принципов и практических рекомендаций по оптимизации энергоснабжения технологических потребителей буровых работ при комплексном решении вопросов электро- и теплоснабжения на основе создания и промышленного внедрения систем утилизации теплоты дизельных электростанций.

Идея работы - оптимизация комплексного энергоснабжения буровых работ на основе использования утилизированной теплоты дизельных электростанций.

Основные задачи исследований.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

- анализ особенностей электро- и теплоснабжения технологических объектов буровых работ и выделение основных систем энергоснабжения;

- исследования и разработка методики определения тепловых нагрузок для различных типов буровых установок;

- проведение теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению тепловых нагрузок буровых установок за счет использования утилизированной теплоты дизельных электростанций;

- выбор оптимальных режимов работы для установок утилизации теплоты стационарных дизельных электростанций совместно с котельной установкой базового поселка;

- разработка модели системы утилизации теплоты и прогнозирование параметров теплоэнергетических установок в различных режимах работы на стадии их проектирования;

- разработка и исследование технико-экономических моделей энергетических систем геологоразведочных работ и выбор на этой основе оптимального варианта энергоснабжения;

- исследование влияния технико-экономических параметров на выбор оптимального варианта энергоснабжения.

Методы исследований

Поставленные задачи решались путем:

- анализа литературных источников, данных, полученных при обследовании производственных систем энергоснабжения, зарубежного и отечественного опыта работ, проводимых в этой области;

- аналитических и экспериментальных исследований величины тепловых потерь технологических потребителей на буровых работах;

- лабораторных и производственных опытно-экспериментальных исследований в области утилизации теплоты дизельных электростанций;

- математико-статистического анализа экспериментальных и производственных данных для разработки и обоснования качества регрессионной модели;

- исследования на основе моделирования параметров систем утилизации теплоты и оптимизации режимов работы теплоэнергетических установок;

- технико-экономического моделирования систем энергоснабжения буровых работ и исследования их эффективности.

Экспериментальные исследования проводились на действующих буровых установках различных производственных объектов ПГО «Севвостгеология», ПГО «Тюменьгеология» и ПГО «Якутскгеология».

Научная новизна данной работы заключается в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- выявлены основные закономерности в структуре энергобаланса технологических потребителей предназначенные для оценки влияния теплопотребления на энергоемкость, что оказывает существенное влияние на эффективность геологоразведочных работ;

- установлены основные закономерности изменения параметров энергоснабжения: времени использования максимума (Т_м) и коэффициента заполнения графика (К_зг), предназначенных для определения расхода теплоты энергетических систем геологоразведочных предприятий, работающих в различных климатических зонах;

- выявлены основные закономерности изменения тепловых потерь бурового здания, учитывающие, в отличие от предыдущих исследований, низкую тепловую инерционность зданий, высокую динамичность и значительные конвективные потоки, что позволило обосновать методику расчета тепловой мощности, необходимой для отопления буровой установки;

- на основе критериев подобия установлена зависимость величины теплопотерь зумпфа от параметров промывочной жидкости и окружающей среды, что позволило установить величину технологического энергопотребления буровой установки;

- установлены закономерности изменения величины утилизированного теплового потока от нагрузки дизель-агрегата и расхода теплоносителя, что позволило обосновать параметры системы энергоснабжения, полностью обеспечивающей тепловую нагрузку установок колонкового и ударно-канатного бурения за счет утилизированной теплоты;

- получена зависимость утилизированного теплового потока от нагрузки дизель-генератора, расхода и температуры теплоносителя, позволяющая прогнозировать параметры теплоэнергетических установок в различных режимах работы;

- получена зависимость нагрузки дизель-генератора и расхода теплоносителя от параметров режима работы для установок утилизации теплоты стационарных дизельных электростанций. Установленная зависимость позволяет выбрать оптимальный режим работы установки совместно с тепловой сетью поселка, обеспечивающий максимальную экономию топлива;

- получены зависимости величины приведенных затрат от технико-экономических факторов основных систем энергоснабжения, позволяющие определить величину текущих затрат и на этой основе выделить оптимальный в данный период вариант энергоснабжения, т.е. тот, затраты по которому минимальны;

- выявлены закономерности влияния утилизации теплоты на выбор оптимального варианта энергоснабжения буровых работ.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате экспериментальных, аналитических и опытно-промышленных исследований:

1. Разработан и прошел приемочные испытания опытный образец комплекса утилизации теплоты передвижных дизельных электростанций с универсальным теплообменником для энергообеспечения установок колонкового бурения, позволивший вдвое повысить кпд энергоисточника.

Разработана и прошла испытания в производственных условиях воздушная система отопления буровой на основе утилизации теплоты передвижной дизельной электростанции. Результаты испытаний показали, что ее использование способно обеспечить оптимальную температуру в рабочей зоне буровой, экономия топлива составила до 14 кг у. т. в час;

Разработан и прошел приемочные испытания теплоутилизационный комплекс для энергообеспечения установок ударно-канатного бурения, при использовании которого экономия топлива составила около 5,4 кг у.т. в час.

Разработан и испытан в производственных условиях ряд теплоутилизационных установок для стационарных дизельных электростанций, использование которых позволит получить экономию топлива в размере 23 - 32 кг у.т. в час.

Предложена методика расчета параметров теплоутилизационной установки в различных режимах работы, позволяющая определить величину утилизированного теплового потока в зависимости от нагрузки дизель-агрегата, расхода и температуры теплоносителя.

Разработана методика экономической оценки и выбора оптимального варианта энергоснабжения, основанная на сравнении изменения текущих затрат во времени.

Результаты исследований могут найти применение, как на геологоразведочных работах, так и в других отраслях, где используются дизельные электростанции и энергетические комплексы на их основе.

Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований в области утилизации теплоты используются при чтении лекций и курсовом проектировании по дисциплине «Теплоснабжение геологоразведочных работ».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и технико-технологических решений доказана большим фактическим материалом и сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретение. Статистическая обработка результатов исследований проводилась с использованием ЭВМ. Приёмочные испытания установок утилизации теплоты проводились в производственных организациях под контролем государственных комиссий.

Личный вклад автора в разработку проблемы.

Все основные положения, результаты и выводы, приводимые в работе, получены автором лично. Он принимал непосредственное участие в разработке, лабораторных и производственных испытаниях теплоэнергетических установок. При решении отдельных задач участвовали коллеги автора и многие специалисты производственных организаций. По всем работам имеются совместные публикации и ссылки на них в диссертации.

Апробация работы

Основные положения диссертации обсуждались на заседаниях технической секции НТС объединения «Якутскгеология», производственных совещаниях в отделах главного механика Янской ГРЭ, ПГО «Севвостгеология», АООТ «Гром» (г. Тюмень) (1980-1996 гг.), на совещаниях Ворошиловградского отделения СПКТБ «Геотехника» (1985-1990 гг.), а также в техническом управлении Мингео РСФСР и Управлении главного механика энергетики и связи Мингео СССР. Отдельные положения работ докладывались на научных Международных конференциях: «Новые идеи в науках о Земле» (1996-2006), «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых» (1997-2007).

Реализация результатов работы

Установки утилизации теплоты передвижных и стационарных дизельных электростанций использовались на объектах ПГО «Севвостгеология», ПГО «Якутскгеология», ПГО «Тюменьгеология». На основании проведённых исследований, совместно с Ворошиловградским СПКТБ «Геотехника» разработана техническая документация на комплекс теплообеспечения КТБ-20, опытные образцы которого прошли приёмочные испытания и приняты к внедрению на объектах ПГО «Якутскгеология». Использование результатов исследований позволило получить экономический эффект в размере 570 тысяч рублей.

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 53 работах, в том числе в двух авторских свидетельствах и справочном пособии по электро- и теплоснабжению геологоразведочных работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность поставленной темы, рассмотрена научная новизна, практическая ценность работы, указаны цели и задачи исследований.

В главе 1 выполнен анализ литературных источников и состояния теплоснабжения геологоразведочных работ, даны характеристики и рассмотрены особенности энергоснабжения производственных потребителей. Намечены перспективы комплексного решения вопросов энергоснабжения.

В главе 2 приводятся результаты исследований теплового режима зданий буровых установок, проведенные с учетом особенностей ведения геологоразведочных работ. На основании проведенных исследований теоретически обосновывается возможность обеспечения тепловых нагрузок буровой за счет использования утилизированного тепла дизельных электростанций.

В главе 3 рассмотрены результаты производственных экспериментальных исследований установок утилизации теплоты для энергоснабжения колонкового и ударно-канатного бурения и совершенствование на этой основе системы отопления буровых. Представлены результаты производственных экспериментальных исследований по совершенствованию энергоисточников базовых объектов геологоразведочных работ.

В главе 4 выполнены теоретические исследования по разработке математической модели систем утилизации теплоты. Разработана методика выбора на этой основе оптимальных режимов работы и прогнозирования параметров установки при ее проектировании.

В главе 5 выделены основные системы энергоснабжения геологоразведочных работ, разработаны их технико-экономические модели и методика выбора оптимального варианта; выявлено влияние систем утилизации теплоты на выбор оптимального варианта энергоснабжения буровых работ.

В заключении излагаются основные выводы и рекомендации, обобщающие основные положения выполненной работы.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, д.т.н., профессору Лимитовскому А.М., коллегам, сотрудникам кафедры энергетики за советы и помощь в подготовке работы, Головко Ю.П., Фасту Г.Г., Хрипко А.М. и другим сотрудникам производственных организаций - за всестороннюю поддержку при проведении экспериментальных исследований и реализацию их результатов.

Содержание работы

электростанция дизельный бурение скважина

Автор в своей работе опирался на результаты исследований в области оптимизации энергоснабжения, теплового режима буровых установок и энергоемкости бурения, систем утилизации теплоты, выполненных Алексеевым В.В., Гланцем А.А., Лимитовским А.М., Денисовым В.Н., Богинским П.Я., Курасом Д.М., Муравейником В.И., Кудряшовым Б.Б., Ребриком Б.М., Селиверстовым В.М., Исаковым Ю.Н., Кочиневым Ю.Ю., Харитоновым Б.А. и другими. При анализе результатов экспериментов и разработке математических моделей автор руководствовался работами Д.Н. Башкатова.

В основу проведенных исследований были положены работы Лимитовского А.М., в которых детально рассмотрены особенности определения расчетных электрических нагрузок, оптимизация систем электроснабжения и их влияние на эффективность геологоразведочных работ.

Проведение работ в удаленных и труднодоступных районах с суровыми климатическими условиями предопределяет использование дизельных электростанций и котельных установок. Наличие двух энергоисточников, работа которых отличается низкой эффективностью, ставит необходимость рассмотреть вопросы их совместного использования при комплексном подходе к вопросам электро- и теплоснабжения.

Анализ энергетического баланса ГРР, составленного на основе обследования действующих предприятий, позволяет утверждать, что в общем энергопотреблении доля теплоты преобладает над электропотреблением и оказывает существенное влияние на эффективность проводимых работ в целом. Поэтому, наряду с определением электрических нагрузок буровой следует оценить тепловые потребности для установок различного типа. Исследования, проводимые в этой области, не учитывали ряд особенностей, таких как низкая тепловая инерционность, значительные конвективные потоки и инфильтрация через технологические проемы. Кроме того, не рассматривались теплопотери промывочных жидкостей. Необходимо было, в первую очередь, определить величину теплопотерь буровых установок с учетом влияния факторов окружающей среды, теплопотребления зумпфа и тепловыделения привода дизельных установок. Это позволит оценить возможность обеспечения энергетических нагрузок буровой за счет единого энергетического комплекса на основе дизельной электростанции.

Кроме технологических потребителей буровых участков можно выделить потребителей базовых поселков. В этой связи следует рассмотреть вопросы утилизации теплоты стационарных дизельных электростанций.

На следующем этапе встает вопрос совместного использования систем утилизации теплоты с котельной установкой и оптимизации режимов их совместной работы, позволяющих получить наибольшую экономию топлива.

При проектировании систем утилизации теплоты параметры теплоэнергетической установки рассчитываются в одном, как правило, номинальном режиме. Это диктует необходимость прогнозирования параметров систем утилизации теплоты в нерасчетных режимах при различных нагрузках дизель-генератора. Решение этой задачи возможно на основе моделирования систем утилизации теплоты.

Наконец, изменившиеся экономические условия требуют нового подхода к оценке затрат по различным вариантам энергоснабжения и выбора на этой основе оптимального варианта. Это возможно при выделении основных систем энергоснабжения и разработке их технико-экономических моделей, исследование которых позволит выделить оптимальный в данных условиях вариант, в качестве критерия оптимизации может быть принят минимум приведенных затрат. Кроме выбора оптимального варианта энергоснабжения следует оценить влияние различных факторов на область оптимального использования той или иной системы энергоснабжения.

Исследования, выполненные по поставленным вопросам, позволили сформулировать следующие основные защищаемые положения.

Первое защищаемое положение. В энергетических затратах буровой установки необходимо учитывать тепловую нагрузку, которая преобладает в энергетическом балансе и оказывает существенное влияние на энергоемкость процесса бурения, значительное повышение эффективности геологоразведочных работ за счет снижения энергозатрат обеспечивается только при комплексном решении вопросов электро- и теплоснабжения.

Анализ, проведенный на основе обследования систем энергоснабжения действующих предприятий, позволил составить энергетический и топливный баланс геологоразведочных работ.

На период наивысшего развития геологоразведочных работ, выработка электроэнергии составила около 3,6 млн. ГДж, выработка теплоты почти в 4 раза больше и достигла 14 млн. ГДж. Около 85% теплопоступлений вырабатывается собственными котельными установками. Теплопотребление связано главным образом с производственным потреблением (36%), потреблением населением и коммунально-бытовым потреблением (26% и 19%). Отдельные замеры показали, что потери теплоты могут достигать 25% от установленной мощности котельной установки.

По характеру и объемам энергопотребления можно выделить две основные структуры: базовые поселки и передвижные объекты на участках работ. Потребление топлива значительно различается для котельных установок базовых поселков и буровых участков. В первом случае в топливном балансе преобладает твердое топливо, главным образом угли местных сортов, во втором случае - жидкое топливо. Одна из особенностей геологоразведочных работ - высокая доля дорогостоящего жидкого топлива в энергетическом балансе.

Для детального анализа были построены графики теплопотребления. Это позволило получить характеристики систем энергоснабжения, такие как расход теплоты, средняя и максимальная тепловая нагрузка, время использования максимума и др. для систем теплоснабжения различных производственных объектов и сопоставить их с показателями электропотребления. Результаты сравнительного анализа, проведенного на примере Дукатской геологоразведочной экспедиции, приводится в таблице 1. Годовой расход теплоты W_т почти в 4 раза превышает годовой расход электроэнергии, также соотносятся средние и максимальные значения тепловой и электрической мощности. При этом время использования максимума и коэффициент заполнения графика нагрузки имеют близкие по величине значения.

Таблица 1. Сравнительная характеристика систем электро- и теплоснабжения (на примере Дукатской ГРЭ)

№ п./п.	Параметр	Теплоснабжение	Электроснабжение
1.	Годовой расход, ГДж	84064	22076
2.	Средняя мощность, МВт	2,7	0,698
3.	Максимальная мощность, МВт	5,2	1,3
4.	Время использования максимума, Тм	4514	4697
5.	Коэффициент заполнения графика, Кз.г.	0,52	0,54

Сопоставляя расходы на теплоснабжение и электроснабжение, можно сделать вывод, что затраты на теплоснабжение не менее значительны в бюджете геологоразведочных работ, чем затраты на электроснабжение.

На рис. 1 показан совмещенный график тепловой нагрузки котельной установки и теплоты, которую можно обеспечить за счет утилизации теплоты дизельной электростанции. В этих условиях затраты на теплоснабжение снизятся по самым скромным подсчетам на 26,2%, а общие затраты на энергоснабжение на 16,4%. Использование утилизированной теплоты позволит повысить эффективность систем энергоснабжения, и получить значительную экономию топлива котельной установкой.



Рис. 1. Совмещенный график годовой тепловой нагрузки котельной установки и утилизированной теплоты ЦДЭС поселка Дукатской ГРЭ.

Затраты на энергоснабжение определяются расходом электроэнергии и теплоты. В самом общем виде расход электроэнергии численно равен площади, ограниченной графиком нагрузки, т.е.

, кДж,

Т - время работы, с;

Р_С - средняя мощность, кВт,

Р_С = Р_н*К_и,

Р_н - номинальная мощность, кВт,

К_и - коэффициент использования.

Обычно расход электроэнергии рассчитывается по номинальной мощности и коэффициенту использования: W_Э = Р_н*К_и *Т, кДж

Но для теплового оборудования, в отличие от электрического, максимальная мощность не превышает номинальную. Расход теплоты за время Т равен

W_т = Q_н*К_зг*Т, кДж,

где Q_н=Q_м - номинальная (максимальная) тепловая мощность, кВт;

К_зг = Q_с/ Q_м,

Q_с - средняя тепловая нагрузка, кВт;

Поэтому, для расчета расхода теплоты через установленную мощность определяющим является коэффициент заполнения графика.

Анализ графиков нагрузки позволил обобщить основные показатели теплоснабжения геологоразведочных работ: время использования максимума нагрузки (Т_М = W_т/Q_м) и коэффициент заполнения графика (К_зг), в зависимости от продолжительности отопительного периода (табл. 2).

Таблица 2. Вариации показателей работы систем теплоснабжения от продолжительности отопительного периода

Продолжительность отопительного периода, Т, час	Время использования максимума нагрузки, Тmax, час	Коэффициент заполнения графика, Кзг
	интервал	среднее	интервал	среднее
I зона: T0<6480 час.	3504 ё 4468	3986	0,4 - 0,5	0,45
II зона: 6480<T0<7200 час.	3770 ё 5256	4513	0,43 - 0,6	0,515
III зона: 7200<T0<8760 час.	5080 ё 5430	5255	0,58 - 0,62	0,6

В условиях Северо-Востока выделяют два типа месторождений: коренные и россыпные, методика и техника разведки которых принципиально отличаются друг от друга.

Так, при бурении скважин станками ударно-канатного бурения замеряемый расход электроэнергии составил 6-8 кВт-ч на 1 метр бурения при глубине скважины 15 метров, что составляет 20 ? 30 МДж на 1 метр бурения скважины. Расход теплоты для этих условий составил 60-80 МДж на 1 метр бурения. Для установок колонкового бурения расход электроэнергии составил 25 ё 35 кВт-ч/м, что составляет 90 ё 125 МДж/м, а расход теплоты - 220-280 МДж на метр скважины. Таким образом, расход теплоты, потребляемой буровой установкой в 1,5-2 раза выше ее электропотребления.

Сопоставляя долю электроэнергии и теплоты в общем энергобалансе буровой установки, становится очевидным преобладание теплоты рис. 2.

1. Ударно-канатное бурение 2 колонковое бурение

Рис. 2. Энергетический баланс буровых установок ударно-канатного и колонкового бурения

Поэтому выбор оптимальной системы энергоснабжения оказывает непосредственное влияние на эффективность геологоразведочных работ. Причем, наличие двух энергоисточников электрической энергии и теплоты ставит необходимость рассмотреть вопросы их совместного использования на основе комплексного решения проблем электро- и теплоснабжения. Избыточное тепло первичного двигателя дизель-электрического агрегата может быть использовано как при бурении скважин, так и при энергоснабжении базовых потребителей.

Для решения этих задач необходимо изучить особенности тепловых нагрузок буровой установки и влияние на них технологических параметров.

Второе защищаемое положение. Величину теплового потока, обеспечивающего заданную температуру промывочной жидкости необходимо определять с учетом технологических факторов и параметров окружающей среды по предложенной зависимости.

Теплоснабжение буровых установок связано с использованием теплоты для обеспечения комфортных условий микроклимата в буровом здании и обеспечением технологических тепловых нагрузок, Были попытки определить теплопотери буровой установки, но они не учитывали ряд особенностей, которые носят существенный характер и должны быть учтены при определении тепловых нагрузок.

1. Тепловой расчет должен учитывать низкую инерционную способность здания.

2. Высокая динамичность параметров микроклимата буровой установки, что способствует их неравномерному распределению внутри здания.

3. Теплопотери здания следует оценить с учетом мощных конвективных потоков, возникающих вследствие неравномерного распределения температур.

4. Наличие технологических проемов вызывает значительные потери теплоты, связанные с инфильтрацией холодного воздуха в помещение, оказывающие влияние на тепловой баланс буровой.

Проведенные исследования показали, что наибольшая величина теплопотерь бурового здания связаны с инфильтрацией, потерями через обшивку мачты и стены. Мощность отопления буровой УКБ-4 составляет 47 кВт для зданий дощатой конструкции при скорости ветра 8 м/с и температуре окружающей среды -50⁰С. С изменением скорости воздуха и температуры теплопотери изменяются в значительных пределах (рис. 3).



Рис. 3. Зависимость теплопотерь здания буровой установки от скорости ветра и температуры окружающей среды

При расчете тепловых потерь бурового здания за расчетную принимают среднюю температуру окружающего воздуха наиболее холодных суток, а за расчетную скорость ветра - максимальную скорость ветра за наиболее холодный месяц.

При колонковом бурении в условиях Крайнего Севера, особенности применения промывочных буровых растворов связаны не только с низкими температурами окружающей среды, но и наличием многолетнемерзлых пород. Последние обладают высокой чувствительностью к нарушению теплового режима, значительно понижают температуру восходящего потока. В качестве очистных агентов при бурении скважин в многолетнемерзлых породах применяется воздух, водные растворы различных реагентов и газожидкостные смеси. Наилучшей теплоотдачей обладает вода, поэтому ее использование соответствует наибольшей величине энергозатрат, по сравнению с другими очистными агентами. По этой причине в качестве промывочной жидкости рассматривались вода и водный раствор хлористого натрия, теплопотери которых будут значительно выше, чем у других типов очистных агентов.

Температурный режим и теплофизические процессы, протекающие в скважине, рассматривались рядом авторов, рекомендуемая температура промывочной жидкости при бурении неустойчивых многолетнемерзлых пород составляет от -15⁰С до -3⁰С, для устойчивых пород этот интервал составляет 5-15⁰С.

Определение теплопотерь технологических растворов на установках ударно-канатного бурения сводится к расчету величины теплового потока, требуемого для получения технической воды из снега и льда и поддержания заданного температурного режима промывочной жидкости.

Теплопотери зумпфа в свою очередь, складываются из основных теплопотерь через стенки емкости и теплопотерь за счет испарения воды с открытой поверхности: Q₂ = Q_осн + Q_и.

Величину основных теплопотерь через стенки емкости можно определить по формуле теплопередачи:

, (1)

Термические сопротивление внутренней и наружной поверхности стенки:

и , (2)

Термическое сопротивление разделительной стенки:

, (3)

Определенную сложность представляет вычисление коэффициентов теплоотдачи, зависящих от ряда факторов, основными из которых являются:

агрегатное состояние и теплофизические параметры теплоносителя;

характер движения;

направление движения по отношению к конвективным потокам.

Как отмечает ряд авторов, в связи с тем, что аналитическое решение соответствующих систем дифференциальных уравнений, описывающих процесс теплоотдачи возможно получить лишь для отдельных частных случаев, а численные методы решения требуют большего объема работ, на практике для расчета параметров теплоотдачи применяются критериальные уравнения на основе теории подобия.

Характер движения определяется критерием Рейнольдса:

, (4)

При определении основных теплопотерь зумпфа были приняты следующие условия и допущения:

под температурой жидкости или окружающей среды понимается температура соответствующего теплоносителя в точке, достаточно удаленной от поверхности теплообмена;

температура стенки - это температура в точке, расположенной на поверхности теплообмена, величина которой равна среднему значению между температурой жидкости и температурой окружающей среды;

источник теплоты является точечным и располагается внутри обогреваемой среды;

образование льда имеет место только в воде при температуре стенки ниже 0⁰С при нормальном давлении;

теплоотдача жидкости за счет испарения с открытой поверхности происходит на контакте жидкости с окружающей средой;

все процессы, протекающие при теплообмене между промывочной жидкостью и окружающей средой, рассматривались как стационарные.

Установлено, что при расходе промывочной жидкости от 0,5 10^-3 до 2,5 10^-3 м³/с и ее температуре от -20 до +30 ⁰С, режим движения жидкости в зумпфе характеризуется следующими значениями критериев подобия: величина критерия Рейнольдса Re < 2300, произведение критериев Грасгофа и Прандтля (Gr*Pr) находится в пределах 10⁹ - 10¹³. Режим движения промывочной жидкости в зумпфе относится к свободному движению с турбулентным пограничным слоем и сильно выраженными конвективными потоками.

Зависимость для определения коэффициента примет вид:

, (5)

Поток воздуха, омывающий зумпф, при скорости движения воздуха более 1 м/с и температуре от 0 до - 50⁰С носит турбулентный характер. В этом случае коэффициент теплоотдачи наружной поверхности зумпфа может быть определен из критериального уравнения при условии обтекания газом плоской вертикальной пластины при вынужденном турбулентном движении. Величину коэффициента теплоотдачи для турбулентного пограничного слоя можно определить по формуле:

, Вт/м^{2 0}С. (6)

Величина удельных дополнительных теплопотерь за счет испарения жидкости с открытой поверхности определяется по формуле:

, Вт/м², (7)

где V_н - скорость движения воздуха, м/с;

С учетом указанных факторов теплопотери зумпфа могут быть определены по следующей зависимости:

, кВт (8)

Индексы «ж», «с» и «н» указывают, что данные параметры принимаются, соответственно, при температуре жидкости, стенки или окружающей среды.

Для воды эта формула применима при условии, что t_c= 0,5*(t_ж-t_c) > 0⁰C. В том случае, если t_c < 0, необходимо учитывать влияние льда на процесс теплообмена, значительно снижающего тепловые потери зумпфа.

Исследования, проведенные применительно к буровым УКБ-4, показали (рис. 4), что величина теплопотерь зумпфа зависит главным образом от скорости ветра, перепада температур и достигает 25 кВт для технической воды при температуре воздуха -60⁰С и скорости ветра 8 м/с.



Рис. 4. Зависимость величины теплопотерь зумпфа от перепада температур (Dt) и толщины слоя льда (д_л) для воды при скорости ветра V_н=1 м/с (а) и V_н=8 м/с (б).

Использование низкотемпературных жидкостей снижает перепад температур и, как следствие этого, уменьшаются теплопотери емкости с промывочной жидкостью. С учетом теплопотерь зумпфа полная тепловая нагрузка буровой установки составит около 75 кВт в наиболее экстремальных условиях.

Третье защищаемое положение. Существенно снизить энергетические затраты при бурении геологоразведочных скважин возможно на основе теплоэнергетических установок передвижных дизельных электростанций, разработанных для энергоснабжения буровых ударно-канатного и колонкового бурения, использование которых позволило:

- полностью обеспечить энергетические нагрузки буровых установок;

- создать эффективную систему отопления, обеспечивающую заданный уровень температуры в рабочей зоне;

- вдвое увеличить кпд энергоисточника.

На основе теоретического обоснования возможности использования утилизированной теплоты дизельной электростанции были разработаны две основные схемы: с использованием в качестве теплоносителя воздуха и воды. Испытания макетного образца установки проводилась в производственных условиях Дукатской геологоразведочной экспедиции. В предложенных схемах использовался разработанный универсальный теплообменник кожухотрубчатой конструкции. Более приемлемой в условиях Крайнего Севера показала себя установка с использованием воздуха. Результаты ее испытания приводятся на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость величины теплового потока, утилизированного воздухом (Q_В) и в зумпфе (Q_З) от расхода воздуха (М) при различной нагрузке дизель-генератора (Р)

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что наибольший тепловой поток, утилизированный при номинальной нагрузке дизель-генератора, достигает 108 кВт. Это почти в полтора раза превышает тепловую нагрузку буровой. Изменяя величину расхода воздуха, можно перераспределять утилизированный тепловой поток между двумя основными потребителями: зданием буровой установки и емкостью с промывочной жидкостью.

Тепловой поток, отводимый от системы охлаждения, составил 30 - 35% от утилизированного теплового потока (рис. 6), а от газов - 25-30%. Общий КПД установки (?з) повысился в два раза и достигал 90% за счет глубокого охлаждения выхлопных газов.

Рис. 6. Зависимость кпд (з) от нагрузки дизель-генератора (Р) для установки с воздушным теплоносителем. з_з - доля теплоты, утилизированная в зумпфе; з_в - доля теплоты утилизированная воздухом; з_ут-доля утилизированного теплового потока

Испытания макетного образца установки утилизации теплоты показали, что уже при нагрузке дизель-генератора 20 кВт, утилизированный тепловой поток составляет 75 кВт и обеспечивает тепловые потребности буровой установки в самых экстремальных климатических условиях. Использование установки позволит экономить до 14 кг у.т. в час.

Предварительные и приемочные испытания установки утилизации теплоты проводились на участке колонкового бурения Янской геологоразведочной экспедиции и ставили своей целью оценить возможности установки утилизации теплоты обеспечить отопления буровой УКБ-4 в реальных производственных условиях.

Температуры замерялись в рабочей зоне бурильщика и помощника бурильщика при температуре окружающей среды -25⁰С. На графике рис. 7 показано изменение температуры в рабочей зоне буровой установки.

Рис. 7. Распределение температур в рабочей зоне помощника бурильщика при величине утилизированного теплового потока 60 кВт

До включения теплоэнергетической установки (рис. 7) на рабочем месте помощника бурильщика температура воздуха составляла -18⁰С на уровне пола (t₁), -10⁰С на уровне 750 мм от пола (t₂) и 12⁰С на уровне 1,5 метров от пола (t₃). Перепад температур составлял 20 ⁰С/м. Температура окружающей среды -25⁰С, скорость ветра достигала 4 м/с. Нагрузка дизель-генератора 50 кВт, тепловой поток, поступающий в здание буровой 61,7 кВт при температуре 37⁰С.

Через 30 минут после включения установки утилизации теплоты температура в рабочей зоне помощника бурильщика достигла следующий значений: на уровне пола 20⁰С, на высоте 750 мм от пола 23,5⁰С и 30⁰С на высоте 1,5 от пола. Температурный режим выровнялся, перепад температур по высоте снизился до 6 - 7⁰С/м.

По результатам приемочных испытаний можно сделать вывод, что утилизационная установка способна обеспечить максимальную тепловую нагрузку буровой, т.е. может быть использована в качестве единого энергокомплекса на установках колонкового бурения.

Четвертое защищаемое положение. При оптимизации режимов работы теплоутилизационных установок необходимо использовать математическую модель, разработанную на основе теоретических и экспериментальных исследований, позволяющую выразить величину теплового потока в зависимости от температуры, расхода теплоносителя и нагрузки дизель-генератора, что дает возможность:

- определить величину теплового потока в различных режимах работы системы утилизации теплоты;

- выбрать режим работы, обеспечивающий максимальную экономию топлива.

Процесс теплообмена в рекуперативных теплообменниках, протекающий без изменения агрегатного состояния, описывается уравнением теплопередачи. Кроме этого, для каждого теплоносителя можно записать уравнение теплового потока.

(9)

Решив их совместно получим уравнение теплового режима:

, кВт (10)

где Q - тепловой поток, кВт;

К - коэффициент теплопередачи, кВт/м^{2 0}С;

F - площадь теплообмена, м²;

Дt - логарифмический перепад температур, ⁰С;

T₁, T₂ - температура первичного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, ⁰С;

t₁, t₂ - температура вторичного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, ⁰С;

W₁, W₂ - водяной эквивалент первичного и вторичного теплоносителя, кВт/⁰С;

Р - нагрузка дизель-агрегата, кВт;

т - коэффициент, учитывающий изменение теплопередачи в различных режимах работы.

(11)

Параметры W₁ и T₁ определяются режимом работы дизель-генератора и могут быть выражены через его нагрузку (Р). Коэффициент т может быть представлен через нагрузку дизель-генератора и расход вторичного теплоносителя.

Анализ литературных источников показал, что функции W₁=f(P) и T₁=f(P) носят линейный характер. Регрессионный анализ результатов испытаний позволил представить эти зависимости следующими аппроксимирующими функциями:

T₁=92,86+0,977P, ⁰C;

W₁=0,745+0,758*10^-3, кВт.

В результате корреляционного анализа, для коэффициента т установлена следующая зависимость от величины водяного эквивалента вторичного теплоносителя:

т=0,45*W₂^0,2.

С учетом того, что W₂=c₂M₂/3600, кВт/⁰С, где с₂ - теплоемкость воды, с₂ =4,19 кДж/кг⁰С; М₂ - расход вторичного теплоносителя, тыс. кг/ч, уравнение теплового режима примет вид:

, кВт (12)

Проверка статистических гипотез с уровнем значимости б = 0,95 позволяет утверждать, что данное уравнение является значимым, адекватным и информативным.

Полученная модель может быть использовано при выборе оптимального режима работы системы утилизации теплоты дизельной электростанции совместно с тепловой сетью поселка. Можно выделить 4 основные схемы совместной работы утилизаторов теплоты стационарных дизельных электростанций и тепловой сети централизованного теплоисточника (рис. 8).



Рис. 8. Возможные схемы использования утилизированной теплоты стационарных дизельных электростанций

1. Теплоисточник;

2. Подающий трубопровод теплосети;

3. Потребители;

4. Обратный трубопровод теплосети;

5. Подающий трубопровод системы утилизации;

6. Теплообменник системы утилизации теплоты;

7. Входной трубопровод системы утилизации;

8. Подпитывающий трубопровод

Для выбора оптимального режима работы, обеспечивающего максимальную экономию топлива централизованного теплоисточника, необходимо определить нагрузку дизель-агрегата (Р) в первых трех схемах или расход воды в схеме IV. Условия эффективности для схем I-III:

, кВт, при Дt_j > Дt_i (13)

где Р - величина нагрузки дизель-агрегата, выше которой i^ая схема позволяет получить наибольшую экономию топлива, кВт;

Дt - перепад температур теплоносителя в сравниваемых схемах;

i, j - порядковые номера сравниваемых схем.

Для последней схемы условием эффективности является следующее выражение:

, кг/ч, (14)

Результаты сравнения возможных схем совместной работы систем утилизации теплоты стационарных дизельных электростанций с централизованным энергоисточником показаны на рис. 9.

Рис. 9. Область эффективного использования утилизированной теплоты в различных схемах

Таким образом, на основе предложенной математической модели, разработана методика определения оптимальной области использования утилизированной теплоты стационарных дизельных электростанций при совместной работе с теплосетью поселка.

Представив в общем виде параметры дизель-генератора и теплообменника через их технические характеристики получим математическую модель системы утилизации теплоты для различных типов дизель-генераторов:

, кВт. (15)

Эта зависимость дает возможность рассчитать тепловую нагрузку системы утилизации в различных режимах, используя расчетные параметры теплообменника и дизель-агрегата.

При проектировании установки утилизации теплоты для резервной электростанции АСДА-200 по расчетным параметрам получены аналитические характеристики установки в различных режимах (рис. 10.)

Рис. 10. Прогнозируемая Q_п и экспериментальная Q_э зависимости утилизированного теплого потока от расхода воздуха (М) для дизель-электрического агрегата АСДА с двигателем Д12: а) при нагрузке дизель-генератора Р=0 кВт; б) при нагрузке дизель-генератора Р=40 кВт; в) при нагрузке дизель-генератора Р=100 кВт

В ходе производственных испытаний опытного образца установки утилизации теплоты, была получена экспериментальная зависимость величины утилизированного теплового потока от мощности дизель-генератора при различных расходах воздуха. Полученные экспериментальные зависимости свидетельствуют о незначительном разбросе (s = 8,34 кВт) и достаточно тесной связи (r = 0,8) между прогнозируемым и фактическим значениями величины теплового потока при удовлетворительной точности модели. Предложенная модель может быть использована при проектировании систем утилизации теплоты для определения ее параметров в различных режимах работы.

Пятое защищаемое положение. Выбор оптимального варианта энергоснабжения должен производиться по предложенной методике, основанной на технико-экономическом моделировании систем энергоснабжения и сравнении финансовых потоков, изменяющихся во времени, причем, применение установок утилизации теплоты расширяет область оптимального использования систем энергоснабжения на основе дизельных электростанций.

C точки зрения особенностей энергообеспечения на объектах геологоразведочных работ можно выделить две группы потребителей электроэнергии и теплоты:

базы партий и экспедиций;

технологические потребители при производстве геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые.

Основными вариантами энергообеспечения являются:

государственная линия электропередач c центральной подстанцией и котельная;

дизельная или газотурбинная электростанция c трансформацией электроэнергии (или без нее при компактном размещении) и котельная;

дизельная электростанция c системой утилизации тепла и индивидуальнее теплогенераторы минимальной теплопроизводительности.

Количественный анализ предопределяет разработку достаточно достоверной модели и выбор критерия оптимизации.

В качестве экономико-математической модели могут выступать финансовые затраты по вариантам энергоснабжения, приведенные к начальному моменту времени. За критерий оптимизации может быть принят минимум приведенных затрат. Это позволит провести сравнение различных технически возможных вариантов энергоснабжения для заданных условий и отобрать тот из них, который удовлетворяет критерию оптимальности.

Особенностью технико-экономических расчетов в новых экономических условиях является принцип неравнозначности благ в настоящем и будущем времени. Это связано главным образом c тем, что любому предприятию небезразлично не только величина дохода, но и время, через которое доход будет получен. Для расчета финансовых потоков принятого варианта энергоснабжения необходимо рассматривать затраты изменяющиеся во времени.

Основная формула затрат при этом будет выглядеть следующим образом:

3 = - K - К_оп - И + D + Е + А, (16)

где K - начальные капиталовложения на покупку оборудования, его ремонт и транспортировку,

К_оп - начальный оборотный капитал (в основном запасы на топливо),

И - стоимость текущих затрат, приведенная к исходному моменту (издержки производства),

, (17)

где И_К - квартальные затраты;

i - ставка альтернативного вложения в долях единиц (квартальная);

n - количество временных интервалов (кварталов), за которые проводится анализ;

D - сумма остаточных капиталовложений, приведенных к исходному моменту:

, (18)

где p - коэффициент амортизации оборудования;

E - экономия на налоге на прибыль в связи c текущими затратами:

, (19)

где С_Н - ставка налога на прибыль в долях единицы;

A - экономия на налоге на прибыль в связи c амортизационными отчислениями:

. (20)

Перед слагаемым K, К_ОП, И, D, показывающими отток средств, стоит отрицательный знак, перед слагаемыми E и A, несущими в себе экономию или приток средств, - положительный.

Последнее объясняется тем, что, производя текущие затраты, сокращается прибыль, следовательно, и налог на прибыль.

Приведенные затраты (3) рассчитываются по каждому варианту энергоснабжения и при этом расчетное время функционирования энергосистемы целесообразно принять переменной величиной. Исследование зависимостей по всем возможным системам позволяет определить момент рационального перехода от одной из них к другой, обеспечивая, таким образом, оптимальное энергообеспечение на протяжении всего времени работ.

Сравнение финансовых потоков по различным вариантам приводится на рис. 11.а. Наименьшим затратам соответствует вариант энергоснабжения от госсети, который и является оптимальным в этих условиях. Затраты на I вариант энергоснабжения от передвижных ДЭС не учитывали использование утилизированной теплоты для отопления буровой установки.

а) б)

Рис. 11. Сравнение затрат по вариантам энергоснабжения

а - сравнение вариантов без утилизации теплоты

б - сравнение вариантов с утилизацией теплоты

Использование утилизированной теплоты передвижных ДЭС для отопления буровой позволит отказаться от использования твердого топлива для обогрева буровых. В этом случае оптимальным будет вариант энергоснабжения от передвижных ДЭС (рис. 11.б.) с утилизацией теплоты.

Таким образом, даже незначительные вариации начальных условий могут привести к изменению оптимального варианта энергоснабжения. Важно выяснить, в каких условиях тот или иной вариант будет оставаться оптимальным. Для решения этой задачи в качестве критерия оптимальности может быть выбран технический параметр. При сравнении варианта энергоснабжения от госсети таким параметром может служить расстояние от места работ до госсети. Критическое значение этого параметра - предельное расстояние подключения к госсети - это такое расстояние, при превышении которого вариант энергоснабжения от госсети перестает быть оптимальным. Эта величина может быть найдена из условия равенства затрат

Z = Z_i, (21)

где Z - затраты по энергоснабжению от госсети, руб.;

Z_i - затраты по сравниваемому варианту, руб.

Анализ предельного расстояния позволит выявить влияние других параметров на выбор оптимального варианта. Сопоставляя затраты по вариантам энергоснабжения от госсети и от передвижных дизельных электростанций, получим следующую зависимость для величины предельного расстояния подключения потребителей к госсети:

, км, (22)

, (23)

р - квартальная норма амортизационных отчислений;

n - число кварталов;

С_Н - налог на прибыль;

i - ставка альтернативного вложения;

В = И_4М - И₁, руб.,

И_4М - издержки по варианту энергоснабжения от госсети без учета стоимости обслуживания магистральной ЛЭП и потерь в ней;

И₁ - издержки по варианту энергоснабжения от передвижных ДЭС;

...