Разработка конструкции теплообменного аппарата опытной установки с тепловым насосом в системе теплоснабжения на месторождении Кенбай

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Геологическая часть

1.1 История геолого-физическая характеристика месторождения

1.2 Тектоническое строение района исследования

1.3 Литолого-стратические комплексы пород

1.4 Нефтегазоносность

1.5 Обзор и анализ тепловых насосов. Изучение физико-механических свойств скважинной продукции

2. Технико-технологическая часть

2.1 Теоретические предпосылки выбора метода повышения коэффициента преобразования тепла

2.2 Разработка технологической схемы теплообменника-испарителя для передачи тепловому насосу тепла низкопотенциальных источников

2.3 Оптимизация параметров и режима работы теплонасосной установки для системы теплоснабжения месторождения

2.4 Рекомендации к производственному применению тепловых насосов при разработке проектов на строительство и реконструкцию систем теплоснабжения где используются неочищенные, необработанные источники тепла

Заключение

список используемой литературы

Введение

Актуальность темы исследования. На месторождении Кенбай существует обычная система сбора и внутрипромыслового транспорта нефти. Дополнением к ней был предусмотрен промежуточный подогрев нефти на групповой установке для обеспечения её транспортировки до головных сооружений. В зависимости от времени года подогрев нефти на ГУ осуществляется до температуры 50-65°С. Для работы печи, часть нефти из общего потока отводится на газосепаратор, где происходит частичная сепарация и отбор газа. Отбор газа и работа печи автоматические. Нефть из газосепаратора соединяется с общим потоком. На УСП продукция с нескольких ГУ поступает в сепарационную установку первой ступени, где происходит отделение жидкости от газа при давлении 0,6МПа. Отделившийся нефтяной газ поступает в аналогичную сепарационную установку для удаления из него взвешенной влаги и направляется в газосборный коллектор для транспортировки его по газопроводу .Вторая сепарациооная установка одновременно является и резервной на случай пропарки и ремонта рабочей. Нефть с обводненностью до 30% из сепарационпой установки за счет избыточного давления поступает в обезвоживающую установку типа УДО где осуществляется термохимическое обезвоживание. Нагрев эмульсии производится до 80°С, время отстоя -- 2 часа. Ввод реагента принят диссольван с удельным расходом 50 грамм на тонну нефти. Обезвоженная нефть с остаточным содержанием воды 1-2% из УДО автоматически сбрасывается в буферную емкость и откачивается насосами на головные сооружения промысла - вторую ступень сепарации электрообезвоживания и обессоливания. Пластовая вода из обезвоживающей установки сбрасывается в напорный отстойник для улавливания взвешенной нефти, а затем за счет избыточного давления поступает на площадку подготовки..

Нефть со скважин поступает на «Спутник» с низкой t°C (20-30°С), часто происходит забивание загустевшей нефтью и парафином переключателя скважин (ПСМ) и замерной емкости типа «импульс». Для нагрева переключателя скважин от линии горячей нефти, идущей в нефтесборный коллектор к «Спутник» были проложены байпасные линии, по которым постоянно циркулируется горячая нефть. В качестве буферной емкости на групповой установке, где происходит первая ступень сепарации нефти, используется емкость 50-80 м. Буферная емкость оборудуется линиями ввода и выхода нефти и газа, предохранительными клапанами и автоматом откачки. Для предупреждения застывания нефти в буферной емкости к последней подведена линия горячей нефти, после печи групповой установки применяются насосы 9МГР, однако центрабежные насосы обеспечивают нормальную откачку нефти только при непрерывной работе. Если же насос остановить на непродолжительное время (до 1 часа), нефть в насосе застывает и пустить его в работу без подогрева не представляется возможным. Для подогрева нефти на групповых установках применяются огневые трубчатые печи с поверхностью нагрева 58м2 конструкции «Гипрогрознефть».

Тот факт, что при проведении сепарации в оптимальных условиях нефти может быть получено на 3-5% больше, не всегда учитывается на промыслах.

Выбор оптимальных условий сепарации определяется целью процесса:

1) максимально возможный выход нефти из единицы объема смеси

2) максимальное содержание пропан-бутановых (С3-С4) фракций в газе сепарации.

В первом случае газ используется как топливо. Во втором - газ идет на переработку и ее эффективность в значительной мере зависит от наличия пропан-бутановых компонентов в товарном газе промысла. Потери в весе товарной нефти в данном случае окупаются утилизацией пропан-бутановых фракций.

Актуальным с точки зрения ускорения процесса обезвоживания и исключения возможности потери нефти является необходимость подогрева для повышения эффективности процессов очистки скважинной продукции за счет уменьшения рабочего времени на получение единицы продукции и снижения материальных и энергетических затрат при улучшении качества продукции.

Поэтому расширение области применения и повышения эффективности тепловых устройств является одним из острых проблем внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий и защиты окружающей среды.предлагается для получения тепла использовать тепловые насосы, работающие с использованием низкопотенциальной энергии скважинной продукции..

Цель: разработать и исследовать конструкции теплообменного аппарата опытной установки с тепловым насосом в системе теплоснабжения на месторождении Кенбай

Задачи: - обосновать выбор конструкции теплообменника-испарителя;

- разработать конструкцию сточно-гликолевого теплообменника для опытной установки с тепловым насосом в системе теплоснабжения, использующим теплоту скважинной продукции ;

- получить опытным путем основные физические характеристики этой установки;

- найти оптимальные параметры опытной установки с тепловым насосом в системе теплоснабжениянанизкопотенциальной энергии скважинной продукции.

Научная новизна

В работе рассматривается способ транспортировки высоковязкой нефти с ограничением процессов сжигания топлива для его подогрева за счет использования низкопотенциального природного тепла, которое трансформируют в тепловых насосах в источник подогрева нефти более высокого потенциала.

Научно обоснованый выбор оптимальной схемы теплонасосной установки для теплоснабжения системы сбора и подготовки скважинной продукции и выбор способа передачи тепла от скважинной продукции к групповой замерной установке.

Ожидаемые результаты

Гарантированный нагрев смеси после теплового насоса будет происходить даже при подаче незначительного количества тепла от источника низпотенциальной энергии, если его температура будет не ниже температуры смеси.

Это позволит на сепарационных установках без особых дополнительных затрат получить на 2-3% больше нефти.

1. Геологическая часть

1.1 История геолого-физическая характеристика месторождения

теплообменник месторождение порода

Площадь Кенбай (участок Молдабек Восточный) расположен в юго-восточной части Прикаспийской впадины и находится непосредственно в междуречья Сагиз и Эмбы.

В административном отношении это территория относится к Кзылкогинскому району Атырауской области, Республика Казахстан.

Ближайшими населенными пунктами являются железнодорожные станции Жамансор и Мукур, расположенные к северо-западу, соответственно в 17 и 50 км. Старейшие нефтепромыслы Южной Эмбы - Макат, Сагиз и Доссор, удалены от месторождения Молдабек Восточный в юго-восточном направлении на расстоянии, соответственно 60, 70 и 85 км. Расстояние до областного центр г. Атырау составляет 240 км. Природно-климатические условия относятся к полупустынному поясу. Дневная поверхность в орографическом отношении представляет собой полупустынную равнину с большим количеством поровых образований. Отметки рельефа колеблются в пределах от +50 до +100м. Речная система развита слабо и представлена небольшой рекой Кайнар, пересыхающей в летнее время и расположенной севернее площади речкой Сагиз, вода которой для питья непригодна. Единичные пресноводные источники (колодцы, родники) встречаются крайне редко, их водообильность, как правило, невысокая. Воды много бывает в весеннее время, обычно она скапливается в оврагах, сорах и балках. Эта вода пригодна только для технических нужд.

Климат района резко континентальный с колебаниями температур зимой доминус 35-400С, летом до +400С и засушливый, количество осадков не перевышает170-200 мм в год. Растительность и животный мир характеризуется бедностью состава.

Рассматриваемое месторождение выявлено в пределах региона, для которого характерно очень сложное геологическое строение.

Это обусловлено развитием мощного осадочного чехла отложений традиционного для центральных районов Прикаспийской впадины и в том числе сульфатно-галогенных осадков, определяющих структурно-геологическое строение надсолевых комплексов пород. Здесь преобладают соли с тонкослоистыми терригенными прослоями и ангидриты, образующие так называемые, соляные купола, гряды или штоки. Перекрываются они обычно ангидритами с пропластками глин (кепрок). Максимально-вскрытая толщина сульфатно-галогенной пачки 875 м.

1.2 Тектоническое строение района исследования

В тектоническом отношении месторождение Кенбай расположено в осадочной толще чехла между Биикжальским поднятием и Коскульским выступом фундамента и связано со структурами Котыртас Северный, который входит в состав мезо-кайнозойского комплекса Эмбинско-Сагизского прогиба Прикаспийской впадины.

В осадочном чехле по литологическим характеристикам и структурно-тектоническим условиям залегания выделяются два структурных этажа: соленосный и надсолевой. Характер залегания выделенных толщ представлен на сейсмических временных разрезах 3Д, а также структурных картах по отражающим горизонтам и геолого-сейсмических профилях

Соленосный структурный этаж слагают галогенные осадки, образующие соляные купола прорванного, скрыто прорванного типов и межкупольные поднятия с мозаичным расположением.

Структурные формы надсолевого комплекса осадков представлены мульдами и поднятиями, соответствующими межкупольным прогибам и соляным куполам.

По данным сейсмики 3Д на ОГ-VI свод соляного купола округлой формы вырисовывается замкнутой изогипсой -690 м. Соляной “карниз” распространен на обширной территории, максимальная глубина погружения кровли соли отмечается в южной части на отметке -1590м. В восточной части кровли карниза отмечается структурный залив с абсолютными отметками -1250-1300м. По подошве карниза (ОГ-VI?) вырисовывается брахиантиклинальное поднятие северо-западного простирания с размерами 2,7х3,2км по замкнутой изогипсе - 2100 м и амплитудой 350 м .

К своду соляного купола приурочен участок Молдабек Восточный месторождения Кенбай, участок Котыртас Северный связан с погребенной антиклинальной структурой, выраженной по триасовым отложениям, и приуроченной к поверхности соляного “карниза”

По отражающим горизонтам III и V в результате интерпретации сейсмических данных 3Д в некоторой степени изменились структурные планы и положение структурообразующих разломов.

Взбросы F3 и F4, протрассированные по сейсмическим данным в центральной части структуры, имеют более существенные амплитуды по юрскому комплексу пород.

Сброс F1 с амплитудой 5-10 м в пределах месторождения Молдабек Восточный имеет падение в сторону центральных блоков I, III и IV, которые являются опущенными по отношению к блоку II. В южном направлении (к соляной мульде) амплитуда сброса (F1) увеличивается от 40 м до 225 м. Взброс F2 имеет падение в сторону центральных блоков, восточное крыло является опущенным в отношении блоков, ограниченных тектоническими нарушениями F1 и F2. Амплитуда взброса 2-30 м. Амплитуда субширотных взбросов изменяется на разных участках от 5 до 40 м.

За основу при создании геологической модели месторождения принята сейсмическая карта по III отражающему горизонту.

Положение тектонических нарушений уточнено по структурным картам по поверхности продуктивных горизонтов, выполненных по результатам интерпретации сейсмических материалов 3Д.

По горизонту М-I по результатам пробуренных эксплуатационных скважин и гидродинамическим характеристикам залежей нефти и газа фиксируется только разлом F1, по горизонтам М-II, М- III и Ю-I - разломы F1, F4, по горизонтам Ю-II, Ю-III, Ю-IV - разломы F1, F3, F4, по горизонтам Ю-V, Ю-VI, Ю-VII - разломы F1, F2, F3, F4.

При этом надо отметить, что по мере бурения скважин геологическое строение месторождения будет детализироваться, так как оно очень сложное и некоторые вопросы остались пока не до конца решенными, а именно периферийные участки структур не охвачены бурением, местоположение сбросов требует дальнейшего изучения.

1.3 Литолого-стратические комплексы пород

На месторождении пробуренными скважинами вскрыты солевой и надсолевой комплексы пород. Солевой комплекс представлен сульфатно-галогенными осадками раннепермского возраста и представлен в виде соляного купола. На размытую поверхность мезозойских отложений, представленных породами триаса, юры и мела, с несогласием ложатся неогеновые и четвертичные отложения кайнозойской группы. Расчленение разреза основано на корреляции каротажа по скважинам с обоснованием возраста по литологическим и палеонтологическим исследованиям.

Пермская система - Р

Нижний отдел - Р1

Кунгурский ярус - Р1k

Отложения кунгурского яруса сложены двумя толщами: нижней - галогенной и верхней - сульфатной (кепрок).

Галогенная толща сложена каменной солью белой, грязно-белой, крупнокристаллической с редкими маломощными терригенными прослойками и пластами ангидрита.

Верхняя пачка (кепрок) представлена ангидритами с пропластками глин. Толщина пачки 5-10м. Кровля отложений кунгурского яруса является сейсмическим репером ОГ-VI. Максимально вскрытая толщина галогенной толщи 1606 м (скв.28).

Триасовая система - Т

В разрезе пробуренных скважин отложений нижнего отдела (Т1) не встречено.

Средний отдел - Т2

Отложения среднего триаса имеют небольшую толщину.

Литологически отложения среднего триаса представлены переслаиванием коричневых, зеленовато-серых и темно-серых глин, алевролитов, песчаников и песков толщиной 1-17 м.

Песчаники зеленовато-серые, светло-коричневые, мелкозернистые, слюдистые, крепкие. Алевролиты серые, зеленовато-серые, некарбонатные, глинистые. Пески серые, темно-серые, мелкозернистые, глинистые. Отложения датированы по обнаруженным остракодам. Максимальная глубина залегания кровли на Восточном Молдабеке отмечена на отметке -911,8 м (скв.4), минимальная -701,7 м (скв.16).

Толщина среднетриасовых отложений варьирует в пределах 15-47 м.

Верхний отдел - Т3

Отложения верхнего триаса представлены песчано-галечной свитой, сложенной слабо сцементированными песчаниками, песками, алевролитами с прослоями глин. По всему разрезу отмечается наличие линз и прослоев галечника.

Песчаники серые, светло-серые, некарбонатные. Алевролиты серые, светло-серые, средней крепости, некарбонатные, глинистые. Глины серые, темно-серые с буроватым оттенком, алевритистые, неизвестковистые, неслоистые.

Максимальная отметка залегания кровли отмечена на отметке -778,8 м (скв.4), минимальная -564,7 м (скв.16).

К кровле верхнетриасовых отложений приурочен отражающий горизонт V.

Толщина отложений колеблется от 111 до 152 м.

Юрская система - J

Нижний отдел-J1

Нижнеюрские отложения с размывом залегают на триасовых и сложены преимущественно слабосцементированными песчаниками, песками, реже алевролитами с тонкими слоями глин, крепких песчаников и алевролитов.

Песок серый, рыхлый, мелкозернистый. Песчаники серые, мелкозернистые, полимиктовые, слюдистые на глинисто-известковистом цементе, с многочисленными включениями обуглившихся растительных остатков. Алевролиты серые, светло-серые, средней крепости, тонкослоистые. Глины серые, плотные, сильно песчанистые, некарбонатные. Максимальная глубина залегания -726,3 м (скв.42), минимальная - 544,4 м (скв.1).

Толщина отложений колеблется в пределах от 17 м до 39 м.

Средний отдел - J2

Отложения среднего отдела представлены довольно однообразным составом сероцветных лагунно-континентальных песчано-глинистых отложений ааленского и бат-байосского ярусов. Отложения ааленского яруса залегают трансгрессивно на отложениях нижней юры. Бат-байосские отложения с эрозионным несогласием перекрывают породы ааленского яруса. Литологически среднеюрские отложения представлены глинами, песчаниками и песками. В отложениях бат-байосса встречаются прослои бурого угля.

Глины серые, местами с буроватым оттенком, плотные, алевритистые, не известковистые, слюдистые.

Песчаники серые, вверх по разрезу встречаются светло-серые, мелкозернистые, крепкие, ааленские песчаники на карбонатном цементе, бат-байосские - на глинисто-карбонатном.

Пески серые, мелкозернистые, полимиктовые, слюдистые, уплотненные, в бат-байосском разрезе встречаются прослои глинистых песков.

По всему разрезу отмечаются многочисленные включения обуглившихся растительных остатков. К отложениям средней юры приурочены продуктивные горизонты Ю-I-VII.

Максимальная глубина залегания отмечена на отметке -349,3 м (скв.42) минимальная 230,5 м (скв.609).

Толщина среднеюрских отложений колеблется в пределах 285-400 м.

Отложения верхнего отдела на месторождении МолдабекВосточный полностью размыты.

Меловая система - К

Отложения меловой системы несогласно залегают на юрских отложениях. По литологическим признакам расчленяются на два комплекса: нижний - терригенный, слагающий нижнемеловой отдел и сеноманский ярус верхнего отдела, верхний - карбонатный, отвечающий сенонскомунадъярусу верхнего мела. В нижнем отделе выделяются продуктивные горизонты М-I, М-II и М-III (рисунок 1.2). К подошве нижнемеловых отложений приурочен ОГ-III.

Нижний отдел - К1

Готеривский ярус - K1g

Готеривские отложения трансгрессивно залегают на размытой поверхности юрских образований и литологически представлены серовато-зелеными, алевритистыми, известковистыми глинами, серовато-зелеными, известковистыми, мелко- и среднезернистыми песками и песчаниками и редко мергелями.

Максимальная глубина залегания отложений готерива на отметке -292,8м (скв.4), минимальная -159,7 м (скв.16).

Толщина готеривских отложений варьирует в пределах 67-94 м.

Максимальная глубина залегания барремских отложений отмечена на отметке -163,3 м (скв.42), минимальная -85,9 м (скв.27).

Толщина отложений изменяется по скважинам от 47 м до 95 м

Рисунок 1. Структурная карта по месторождению Восточный Молдабек

1 - поисково-разведочные скважины; 2 - изогипсы поверхности соли; 3 - крутой склон соли; 4 - контур залежи первого мелового (М-1) горизонта; 5 - контур нефтеносности третьего триасового (Т-III) горизонта

1.4 Нефтегазоносность

Месторождение Восточный Молдабек по сложности своего строенияотносится к объектам второй группы, для которых характерно наличие дизъюнктивных нарушений, высокая неоднородность коллекторов по площади и по разрезу.

Месторождение многопластовое. Геологоразведочными работами установлены промышленные запасы нефти и газа в нижнемеловых и среднеюрских отложениях.

В результате детальной пластовой корреляции с привлечением результатов опробования и разработки месторождения в разрезе меловых отложений установлено 3 продуктивных горизонта (М-I, M-II, M-III), юрских отложений - 7 продуктивных горизонтов (Ю-I, Ю-ІІ, Ю-III, Ю-IV, Ю-V, Ю-VI, Ю-VII). Коллекторы продуктивных горизонтов представлены песчано-алевролитовыми породами различной степени сцементированности.

1.5 Обзор и анализ тепловых насосов. Изучение физико-механических свойств скважинной продукции

Тепловой насос - это система, с помощью которой можно переносить тепло от менее нагретого тела к более нагретому, увеличивая температуру последнего. Тепловые насосы являются альтернативными источниками энергии, позволяющими получать дешевое тепло без вреда для окружающей среды.

Принцип работы бытового теплонасоса основан на том факте, что любое тело с температурой выше абсолютного нуля обладает запасом тепловой энергии. Этот запас прямо пропорционален массе и удельной теплоемкости тела. Если в этом контексте обратить внимание, например, на моря, океаны, подземные воды, обладающие огромной массой, можно прийти к выводу, что их грандиозные запасы тепловой энергии можно частично использовать для отопления домов без ущерба мировой экологической обстановке. «Взять» тепловую энергию какого-либо тела можно, если охладить его. Грубый расчет выделяемого при этом тепла возможен по формуле: Q = C*M*(T2 ? T1), где Q ? полученное тепло, C ? теплоемкость, M - масса, T1 ? T2 ? температура, на которую было произведено охлаждение тела. Формула показывает, что при росте массы теплоносителя разница температур может быть небольшой. Например, охлаждая 1 кг теплоносителя от 1000 до 0 o С, можно получить столько же тепла, сколько даст охлаждение 1000 кг от 1 до 0 o С.

Типы тепловых насосов

По виду передачи энергии тепловые насосы бывают двух типов:

Компрессионные. Основные элементы установки - это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжимания-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.

Абсорбционные. Это теплонасосы нового поколения, использующие в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.

По источнику тепла выделяют тепловые насосы:

Геотермальные. Тепловая энергия берется из грунта или воды.

Воздушные. Тепло извлекается из атмосферы.

Использующие вторичное тепло. В качестве источника тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.

По виду теплоносителя входного/выходного контура:

Тепловые насосы «воздух-воздух». Этот вид тепловых насосов забирает тепло у более холодного воздуха, еще больше понижая его температуру, и отдает его в отапливаемое помещение.

Тепловые насосы «вода-вода». Используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы «вода-воздух». Используются зонды или скважины для воды и воздушная система отопления.

Тепловые насосы «воздух-вода». Атмосферное тепло используется для водяного отопления.

Тепловые насосы «грунт-вода». Трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта.

Тепловые насосы «лед-вода». Для нагревания воды в системе отопления и горячего водоснабжения используется тепловая энергия, которая высвобождается при получении льда. Замораживание 100-200 л воды способно обеспечить обогрев среднего дома в течение часа.

Лабораторные исследования физико-механических свойств скважинной продукции

Зачем вы это списали, у Вас нет Коммунальных стоков

Экономическая эффективность ТСТ во многом определяется выборомнизкопотенциальных источников теплоты (НПИТ), который должен удовлетворять следующим требованиям: доступность, стабильность, достаточный запас мощности и низкая стоимость. В свою очередь, свойства НПИТ оказывают влияние на выбор схемного решения системы теплоснабжения: применение того или иного типа ТН, использование моно - или бивалентной схемы, решение схемы автоматизации системы, необходимость применения теплоаккумуляторов.

Наиболее доступным из НПИТ является атмосферный воздух, однако существенные колебания температуры ухудшают технические характеристики ТН и ограничивают его использование в местностях с суровыми зимами.

При температуре наружного воздуха ниже 5-^7 °С возникает необходимость периодической дефростации испарителя. Применению воздуха в качестве НПИТ способствует внедрение прогрессивных технических решений, в которых повышение его потенциала обеспечивается с помощью устройств, поглощающих также и солнечную радиацию.

Солнечная радиация так же, как и воздух, является достаточно доступным НПИТ и обеспечивает получение таких высоких температур теплоносителя, что может быть использована непосредственно для приготовления горячей воды. Однако поступление солнечной радиации нестабильно, т.к. она отсутствует в ночные часы, резко снижается в зимний период и при наличии облачности и атмосферных осадков, а также эффективность ее поглощения уменьшается с повышением географической широты местности [18].

Поэтому при использовании солнечной энергии в ТСТ необходимо применение теплоаккумуляторов для компенсации неравномерности теплопоступления. Для поглощения солнечной радиации и передачи теплоты теплоносителю используются специальные гелиоколлектора и гелиоконцентраторы. Несмотря на высокую стоимость этих устройств, стремление к экономии топливно-энергетических ресурсов и снижению загрязнения окружающей среды способствовало проведению научных исследований и широкому практическому внедрению ТСТ с использованием солнечной энергии, но часто в комбинации с другими источниками НПИТ.

Использование поверхностных вод в качестве НПИТ, несмотря на свои достоинства ограничено. Это в ряде случаев связано с отдаленностью рек, озер и морей от объектов строительства, а морские водозаборы являются весьма сложными и дорогостоящими гидротехническими сооружениями [19,20]. Тем не менее, накоплен огромный опыт применения ТН, которые в качестве НПИТ используют поверхностные воды

Грунтовые воды имеют практически постоянную и достаточно высокую температуру в течение года, причем с увеличением глубины залегания их температура неуклонно возрастает, примерно на 2 - 5 °С на каждые 100 м [21,22]. Недостатками грунтовых вод являются ограниченная доступность, высокая стоимость бурения скважин, возрастающая в ряде случаев вследствие необходимости бурения компенсационных скважин для обратной закачки воды в пласт, высокая степень риска, связанная с отсутствием данных по химическому составу и температуре воды, высокая минерализация, вызывающая коррозию и отложения на поверхностях теплообмена и ухудшение теплотехнических характеристик ТОА. Эффективность использования грунтовых вод возрастает при достаточной изученности местности, при наличии пробуренных ранее скважин, при пониженной агрессивности воды, при подключении возможно большего числа объектов теплоснабжения к одной скважине [23,24].

Использование теплоты грунта также имеет свои достоинства и недостатки. К первым относятся повсеместная доступность, достаточно высокая стабильность температуры (годовые колебания грунта с увеличением глубины уменьшаются практически до О °С), достаточный запас мощности при условии оптимального технического решения конструкции грунтового теплообменника (ГТ). Основной недостаток данного типа НПИТ заключается в высокой стоимости ГТ. Грунтовые теплообменники представляют собой систему трубопроводов, которые либо горизонтально уложены в грунт, либо установлены в вертикальных скважинах. По трубам, изготовленных из стали, меди (или ее сплавов), полиэтилена или полипропилена циркулирует теплоноситель (вода, хлористый кальций, метанол, этиленгликоль (антифриз)). Количество передаваемой теплоты зависит от следующих условий: интенсивности солнечной радиации, влажности и теплофизических свойств грунта, глубины заложения.

Большой практический интерес представляет использование в качестве

НПИТ коммунальных сточных вод. Промышленные предприятия, общественные учреждения и жилищно-коммунальный сектор ежедневно сбрасывают огромное количество теплоты в виде сточных вод с температурой не ниже 30 °С. Как правило, все эти потоки собираются либо на крупных городских канализационных станциях (КНС), либо на очистных сооружениях отдельных объектов, которые часто выполняют функцию дополнительных городских КНС.

Можно привести много примеров ТСТ, в которых в качестве НПИТ используются сточные воды [17,23,25-27]. Достаточно перспективно использование ТНУ для теплоснабжения плавательных бассейнов и катков с искусственным ледовым покрытием [28-30]. Как показано в [28], утилизация теплоты сбросной воды и выбросного вентиляционного воздуха снижает электропотребление плавательного бассейна на 80 %.

Состав и свойства сточных вод

Сточные воды, отводимые с территорий промышленных предприятий, по своему составу делятся на три вида.

1) Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в различных технологических процессах. Их количество, состав и концентрации загрязняющих веществ определяются следующими факторами: видом промышленного производства характером технологического процесса, составом исходного сырья и выпускаемой продукции, составом исходной свежей воды, режимами технологических процессов. Концентрации загрязняющих веществ в сточных водах различных предприятий неодинаковы, колеблются в широких пределах во времени в отдельных цехах или на предприятии в целом. Неравномерность притока сточных вод и их концентрации ухудшает работу очистных сооружений и усложняет их эксплуатацию.

В зависимости от степени загрязнения производственные сточные воды можно разделить на три основные категории:

- условно-чистые, которые не приводят к изменениям физико-химического состава воды водоема и не требуют очистки. Эти воды обычно поступают от теплообменных аппаратов, а также образуются при охлаждении оборудования и продуктов производства;

- нормативно очищенные - воды, прошедшие очистку до ПДК загрязняющих веществ, сброс которых не приводит к изменению качества воды в водоеме;

- загрязненные - воды, сбрасываемые без очистки или недостаточно очищенные, с концентрациями загрязняющих веществ, превышающими ПДК, в расчете на процессы разбавления и самоочищения в водном объекте. Загрязненные сточные воды обычно делят на три группы: загрязненные преимущественно органическими примесями, загрязненные преимущественно минеральными примесями и загрязненные смесью этих примесей. Большинство предприятий имеет как минеральные, так и органические загрязнения сточных вод в различных соотношениях.

Производственные сточные воды являются наиболее опасными для водных объектов. Они значительно труднее поддаются очистке, чем городские сточные воды, для этого требуются сложные и дорогие очистные сооружения. Разнообразие состава и характера загрязнений производственных сточных вод обусловливает применение для их очистки различных методов, как физико-химических и химических, так и биологических.

2) Атмосферные (ливневые) сточные воды (поверхностный сток с территорий предприятий) образуются в результате смыва примесей, скапливающихся на территории, дождевой, талой и поливочной водой. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко выраженная

К основным санитарно-химическим показателям загрязнения сточных вод относятся: [32]

- температура;

- окраска, запах, прозрачность;

- реакция среды;

- сухой и плотный остатки;

- взвешенные вещества;

- потери при прокаливании, зольность твердых примесей;

- химическая и биохимическая окисляемость;

- соединения азота и фосфора;

- сульфаты и хлориды, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ);

- растворенный кислород;

- токсичные вещества;

- биологические загрязнения.

Для очистки бытовых и производственных сточных вод используют следующие методы:

- механические;

- химические;

- физико-химические;

- биологические.

Метод очистки и состав очистных сооружений выбирают в зависимости от требуемой степени очистки, состава загрязнений, проп скной способности очистной станции, грунтовых условий и мощности водного объекта с соответствующим технико-экономическим обоснованием.

В настоящее время требования к степени очистки сточных вод повышаются. В связи с этим их подвергают дополнительной более глубокой очистке (доочистке). В процессе очистки предусматривают также обработку осадков сточных вод и обеззараживание сточных вод перед сбросом в водоем.

Таблица 1. Сезонные колебания температуры скважинной продукции

Дата	Время суток	Температура на выходе из трубы	Дата	Время суток	Температура на выходе из трубы
01.11.2015	1000час.	+ 16,50	02.12.2015	1000час.	+ 16,70
	2200час.	+ 16,40		2200час.	+ 16,80
11.11.2015	1000час.	+ 16,40	12.12.2015	1000час.	+ 16,80
	2200час.	+ 16,60		2200час.	+ 17,00
21.11.2015	1000час.	+ 16,60	22.12.2014	1000час.	+ 16,90
	2200час.	+ 16,70		2200час.	+ 16,70

Дата Время суток Температура на выходе из трубы Дата Время суток Температура на выходе из трубы

01.11.2015 1000час. + 16,50 02.12.2015 1000час. + 16,70

2200час. + 16,40 2200час. + 16,80

11.11.2015 1000час. + 16,40 12.12.2015 1000час. + 16,80

2200час. + 16,60 2200час. + 17,00

21.11.2015 1000час. + 16,60 22.12.2014 1000час. + 16,90

2200час. + 16,70 2200час. + 16,70

2. Технико-технологическая часть

2.1 Теоретические предпосылки выбора метода повышения коэффициента преобразования тепла

Для того чтобы тепловой насос был эффективным, он должен давать тепловой энергии больше, чем потреблять электрической. Это соотношение называется коэффициентом преобразования. Коэффициент преобразования может меняться в зависимости от разницы температур входного и выходного контура. Чем холоднее снаружи, тем менее эффективна система. Для разных типов тепловых насосов коэффициент преобразования может варьироваться от 1 до 5. Для объективной оценки теплового насоса требуется дополнительный параметр годовой эффективности.

Эффективность конкретного теплового насоса будет зависеть от множества факторов, и ее расчет достаточно сложен. Дать обобщенную формулу, которая бы работала всегда, практически невозможно. Поэтому каждый конкретный случай требует обращения к экспертам, которые в зависимости от поставленной задачи и ее условий подберут необходимый тип теплового насоса и объем хладагента.

Сферы применения и степень распространения

Тепловые насосы востребованы прежде всего в случаях, когда другие способы организации системы отопления обходятся значительно дороже. Растущая распространенность тепловых насосов на производстве и в быту связана со следующими их преимуществами:

Экономичность. Для передачи в отопительную систему 1 кВт*ч тепловой энергии, установке требуется в среднем затратить всего 0,2-0,35 кВт*ч электроэнергии.

Простота эксплуатации.

Упрощение требований к системам вентиляции помещений, повышение уровня пожарной безопасности.

Возможность переключения с зимнего режима отопления на летний режим кондиционирования.

Компактность и бесшумность, что делает тепловой насос привлекательным для отопления частного дома.

По данным Европейской ассоциации тепловых насосов, до недавнего времени европейский рынок этого оборудования был в основном сосредоточен во Франции. В последние несколько лет рынки стали расширяться в Германии, Великобритании и Восточной Европе. По оценке Мирового энергетического комитета, уже в ближайшие пять лет доля отопления и горячего водоснабжения от тепловых насосов будет составлять в развитых странах не менее 75%.

Общий недостаток тепловых насосов - не очень высокая температура нагреваемой воды. Как правило, она составляет 50-60 oС.

2.2 Разработка технологической схемы теплообменника- испарителя для передачи тепловому насосу тепла низкопотенциальных источников

Давайте рассмотрим как работает тепловой насос. Ключевым элементом в работе теплового насоса является хладагент. Процесс передачи тепловой энергии возможен благодаря свойству хладагента кипеть при небольших температурах и увеличению его давления с помощью компрессора. Циркуляция хладагента осуществляется по закрытому контуру. Когда он попадает в теплообменник (испаритель) начинается процесс испарения, даже под воздействием низкой температуры (8-12°C) грунтовой или речной воды. В этом процессе хладагент принимает тепловую энергию воды на себя и кипит. Образовавшийся пар втягивается компрессором и сжимается. После этого разогретый и находящийся под высоким давлением хладагент поступает во второй теплообменник (конденсатор), где передает энергию контуру отопления. В процессе отдачи тепла хладагент переходит в состояние жидкости и попадает в расширитель, где его давление понижается. Находящийся под низким давлением и охлажденный хладагент готов пройти следующий цикл работы.

Источником низкопотенциальной энергии для работы теплового насоса может быть тепло естественного природного происхождения. К таким источникам относятся наружный воздух; грунтовые, артезианские и термальные воды; речные, озерные и морские воды.

Для обеспечения надежной и бесперебойной работы в комплект теплового насоса входит система управления и автоматики. Благодаря этой системе есть возможность выставить необходимый режим работы, который будет контролироваться и поддерживаться автоматически.

Тепловой насос это одна из самых современных систем отопления. При правильной разработке и установке, он требует минимальных текущих затрат. Рабочий процесс теплового насоса проходит без выброса вредных веществ в атмосферу. Летом тепловой насос может использоваться для кондиционирования воздуха в помещениях. Автономные системы отопления на основе теплового насоса используют только 25% от общей полезной энергии отопления, которые используются для привода компрессора теплового насоса. Оставшиеся 75% тепловой насос забирает от энергии солнца, которая накоплена в воздухе, воде или земле

2.3 Оптимизация параметров и режима работы теплонасосной установки для системы теплоснабжения месторождения

Энергосбережение - одна из основных проблем, решаемых мировым сообществом в настоящее время. Преследуются две цели - сохранение невозобновляемых энергоресурсов и сокращение вредных выбросов в атмосферу продуктов сгорания, являющихся, в частности, основным фактором глобального потепления. Одним из важнейших направлений решения указанной проблемы является использование энергосберегающих технологий на основе применения тепловых насосов. Тепловые насосы, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, утилизируют низкопотенциальную теплоту естественных, промышленных и бытовых источников, генерируют теплоту высокого потенциала, затрачивая при этом в 1,2 - 2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива.

На месторождении Кенбай существует обычная система сбора и внутрипромыслового транспорта нефти. Дополнением к ней был предусмотрен промежуточный подогрев нефти на групповой установке для обеспечения её транспортировки до головных сооружений. В зависимости от времени года подогрев нефти на ГУ осуществляется до температуры 50-65°С. Для работы печи, часть нефти из общего потока отводится на газосепаратор, где происходит частичная сепарация и отбор газа. Отбор газа и работа печи автоматические. Нефть из газосепаратора соединяется с общим потоком. На УСП продукция с нескольких ГУ поступает в сепарационную установку первой ступени, где происходит отделение жидкости от газа при давлении 0,6МПа. Отделившийся нефтяной газ поступает в аналогичную сепарационную установку для удаления из него взвешенной влаги и направляется в газосборный коллектор для транспортировки его по газопроводу .Вторая сепарациооная установка одновременно является и резервной на случай пропарки и ремонта рабочей. Нефть с обводненностью до 30% из сепарационпой установки за счет избыточного давления поступает в обезвоживающую установку типа УДО, где осуществляется термохимическое обезвоживание. Нагрев эмульсии производится до 80°С, время отстоя -- 2 часа. В установку вводится химический реагент диссольван с удельным расходом 50 грамм на тонну нефти. Обезвоженная нефть с остаточным содержанием воды 1-2% из УДО автоматически сбрасывается в буферную емкость и откачивается насосами на головные сооружения промысла - вторую ступень сепарации электрообезвоживания и обессоливания. Пластовая вода из обезвоживающей установки сбрасывается в напорный отстойник для улавливания взвешенной нефти, а затем за счет избыточного давления поступает на площадку подготовки..

Нефть со скважин поступает на «Спутник» уже остывший с низкой температурой (20-30°С), поэтому часто происходит забивание загустевшей нефтью и парафином переключателя скважин (ПСМ) и замерной емкости типа «импульс». Для нагрева переключателя скважин от линии горячей нефти, идущей в нефтесборный коллектор к «Спутник» были проложены байпасные линии, по которым постоянно циркулируется горячая нефть. В качестве буферной емкости на групповой установке, где происходит первая ступень сепарации нефти, используется емкость 50-80 м. Буферная емкость оборудуется линиями ввода и выхода нефти и газа, предохранительными клапанами и автоматом откачки. Для предупреждения застывания нефти в буферной емкости к последней подведена линия горячей нефти, после печи групповой установки применяются насосы 9МГР, однако центрабежные насосы обеспечивают нормальную откачку нефти только при непрерывной работе. Если же насос остановить на непродолжительное время (до 1 часа), нефть в насосе застывает и пустить его в работу без подогрева не представляется возможным. Для подогрева нефти на групповых установках применяются огневые трубчатые печи с поверхностью нагрева 58м2 конструкции «Гипрогрознефть».

Тот факт, что при проведении сепарации в оптимальных условиях нефти может быть получено на 3-5% больше, не всегда учитывается на промыслах.

Выбор оптимальных условий сепарации определяется целью процесса: это или

1) максимально возможный выход нефти из единицы объема смеси или

2) максимальное содержание пропан-бутановых (С3-С4) фракций в газе сепарации.

В первом случае газ используется как топливо. Во втором - газ идет на переработку и ее эффективность в значительной мере зависит от наличия пропан-бутановых компонентов в товарном газе промысла. Потери в весе товарной нефти в данном случае окупаются утилизацией пропан-бутановых фракций.

Актуальным с точки зрения ускорения процесса обезвоживания и исключения возможности потери нефти является необходимость подогрева для повышения эффективности процессов очистки скважинной продукции за счет уменьшения рабочего времени на получение единицы продукции и снижения материальных и энергетических затрат при улучшении качества продукции.

Поэтому расширение области применения и повышения эффективности тепловых устройств является одним из острых проблем внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий и защиты окружающей среды.

Учитывая эти обстоятельства, на месторождении Кенбай предлагается для получения тепла вместо огневых трубчатых печей использовать тепловые насосы, работающие с использованием низкопотенциальной энергии скважинной продукции и применение конструкции теплообменного аппарата опытной установки с тепловым насосом для теплоснабжения установок предварительного сброса воды и групповых замерных установках в системе сбора и подготовки скважинной продукции[1].

Тепловые насосы - устройства, в которых тепловая энергия от источника низкого потенциала переносится к источнику более высокого потенциала, то есть имеет место трансформация тепловой энергии. Принцип работы их основан на термокомпрессии. Применяя тепловой насос, можно из тепловой воды, циркулирующей в обратных системах водоснабжения и поступающей на градирни с температурой 35 - 40 С получить горячую воду с температурой 70 - 90 С. [2]Экономическая эффективность ТСТ во многом определяется выбором низкопотенциальных источников теплоты (НПИТ), который должен удовлетворять следующим требованиям: доступность, стабильность, достаточный запас мощности и низкая стоимость. В свою очередь, свойства НПИТ оказывают влияние на выбор схемного решения системы теплоснабжения: применение того или иного типа ТН, использование моно - или бивалентной схемы, решение схемы автоматизации системы, необходимость применения теплоаккумуляторов.

Давайте рассмотрим как работает тепловой насос. Ключевым элементом в работе теплового насоса является хладагент. Процесс передачи тепловой энергии возможен благодаря свойству хладагента кипеть при небольших температурах и увеличению его давления с помощью компрессора. Циркуляция хладагента осуществляется по закрытому контуру. Когда он попадает в теплообменник (испаритель) начинается процесс испарения, даже под воздействием низкой температуры (8-12°C) грунтовой или речной воды. В этом процессе хладагент принимает тепловую энергию воды на себя и кипит. Образовавшийся пар втягивается компрессором и сжимается. После этого разогретый и находящийся под высоким давлением хладагент поступает во второй теплообменник (конденсатор), где передает энергию контуру отопления. В процессе отдачи тепла хладагент переходит в состояние жидкости и попадает в расширитель, где его давление понижается. Находящийся под низким давлением и охлажденный хладагент готов пройти следующий цикл работы.

Источником низкопотенциальной энергии для работы теплового насоса может быть тепло естественного природного происхождения. К таким источникам относятся наружный воздух; грунтовые, артезианские и термальные воды; речные, озерные и морские воды.

Грунтовые воды имеют практически постоянную и достаточно высокую температуру в течение года, причем с увеличением глубины залегания их температура неуклонно возрастает, примерно на 2 - 5 °С на каждые 100 м [2]. Недостатками грунтовых вод являются ограниченная доступность, высокая стоимость бурения скважин, возрастающая в ряде случаев вследствие необходимости бурения компенсационных скважин для обратной закачки воды в пласт, высокая степень риска, связанная с отсутствием данных по химическому составу и температуре воды, высокая минерализация, вызывающая коррозию и отложения на поверхностях теплообмена и ухудшение теплотехнических характеристик ТОА.

Рисунок 2. Схема теплового насоса

Эффективность использования грунтовых вод возрастает при достаточной изученности местности, при наличии пробуренных ранее скважин, при пониженной агрессивности воды, при подключении возможно большего числа объектов теплоснабжения к одной скважине [3]. Наличие большого количества выведенных из эксплуатации скважин на месторождении позволяет в полной мере использовать дешевый источник низкопотенциальной энергии. Сбор тепла осуществляется с помощью зондов, вмонтированных в скважины. Для установки этого оборудования требуется небольшая площадь. Изготавливаются вертикальные тепловые зонды из расчёта: 30-50 Вт на 1м глубины в зависимости от типа грунта. Расчёт количества и глубины зондов (от 30м до 100м) зависит от требуемой мощности системы. Для оптимальной работы теплового насоса площадь, занимаемая одной скважиной, должна быть не менее 36 м.кв. Это позволяет обеспечить теплом групповую замерную установку вместе с дожимными насосами.

Температура подземных вод (от 6 до 13°C) остается практически неизменной в течение всего года, что объясняет экономическую целесообразность установки подобных систем. Вода возвращается в тот же горизонт и в тех же количествах, не входя в контакт с окружающей средой, но теряя в температуре порядка 3°C.

Для обеспечения надежной и бесперебойной работы в комплект теплового насоса входит система управления и автоматики. Благодаря этой системе есть возможность выставить необходимый режим работы, который будет контролироваться и поддерживаться автоматически.

Тепловой насос это одна из самых современных систем теплоснабжения. При правильной разработке и установке, он требует минимальных текущих затрат. Рабочий процесс теплового насоса проходит без выброса вредных веществ в атмосферу. Автономные системы теплоснабжения на основе теплового насоса используют только 25% от общей полезной энергии отопления, которые используются для привода компрессора теплового насоса. Оставшиеся 75% тепловой насос забирает от энергии солнца, которая накоплена в воздухе, воде или земле.

В сравнении с топливными котлами сжигающими кислород, при работе тепловой насос нет выбросов углекислого газа, отсутствуют какие-либо выбросы в окружающую среду, не оказывается вредного воздействия на организм человека. Используемое тепло от возобновляемых источников энергии позже возвращается в окружающую среду через теплопотери зданий и сооружений без вредных выбросов в атмосферу. При этом отсутствуют расходы на хранение топлива, и нет необходимости в оборудовании дымохода.

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических, газовых и дизельных генераторов тепла заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды.

Подобные системы могут быть использованы не только для отопления и горячего водоснабжения, но и для охлаждения зданий, причем одновременно, то есть это полноценная система контроля климата в помещении. Один аппарат для отопления и охлаждения: возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом, т.е. использования „холода“ земли для климатизации здания в летний период.

Упрощение требования к системам вентиляции помещений и повышение уровня пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования. Тепловой насос взрыво- и пожаробезопасен. Возможность пассивного использования холода земли (при вертикальных зондах). Очень хороший КПД при активном охлаждении через тепловой насос, так как конденсационная теплота отводится через землю, при этом достигается значительно более низкий температурный уровень, чем при обычных кондиционерах.

2.4 Рекомендации к производственному применению тепловых насосов при разработке проектов на строительство и реконструкцию систем теплоснабжения где используются неочищенные, необработанные источники тепла.

Основная характеристика тепловых насосов -- это коэффициент преобразования (COP), который взависимости от режима работы, находится в диапазоне от 4 до 5. Это значит, что тепловой насос, потребляя 1 кВт электрической энергии, передает системе отопления 4 -5 кВт тепловой энергии. Этахарактеристика делает тепловой насос, самым эффективным теплогенератором на сегодняшний день, нотребует высокого профессионализма в проектировании и монтаже таких систем, чтобы добитьсяпаспортного коэффициента преобразования.

В первую очередь, тепловой насос обеспечивает максимальную экономичность и высокий комфорт в обеспечении дома теплом. Тепловой насос дает возможность, полностью отказаться от применения газа, качество и давление которого просто катастрофические. Отказ от газа повышает безопасность и независимость, а так же избавляет от необходимости общения с газовыми службами и сервисными службами котлов. Применение тепловых насосов избавляет от необходимости газификации участка, монтажа дымоходов и обустройства помещения котельной с жесткими требованиями к помещению. Высокая надежность компрессора теплового насоса, обеспечивает долгий срок службы, а в случае выхода из строя, легко производится замена. Практически бесплатным бонусом, является возможность автоматического перехода летом, на охлаждение, в помещениях с теплым полом или с установленными фан-койлами. Системы отопления на тепловых насосах, достаточно просто обеспечиваются резервным питанием, т.к. имеют относительно невысокую мощность.

...