Станция для использования геотермальной энергии

1 Область техники Изобретение относится к станции для использования геотермальной энергии посредством прокачивания воды по замкнутой системе через геологическую формацию на глубине, по меньшей мере, 1000 м под поверхностью земли,включающей, по меньшей мере, одну подающую скважину, которая ведет от поверхности вниз до указанной формации, по меньшей мере,одну отводную скважину для транспортирования нагретой воды от указанной формации к поверхности и систему поглощения тепла, соединяющую подающую и отводную скважины,причем указанная система включает поверхность теплообмена, через которую тепло передается от указанной формации воде. Уровень техники Пример такой энергетической станции раскрыт в патентах США 3863709 и 4223729, последний из которых, как и другие патентные документы, упоминаемые далее,включены в данное описание посредством ссылки на них. Патент США 4223729 относится к эксплуатации геотермальной энергии формаций горячей сухой скальной породы(ГСП). Вследствие низкой теплопроводности таких формаций общепринятым было мнение,что извлечение тепловой энергии с достаточной мощностью невозможно без наличия в геологической формации очень большой поверхности теплообмена. До настоящего времени во всех известных станциях для получения энергии из ГСП стремились к созданию такой очень большой поверхности теплообмена путем формирования зон трещиноватости между подающей и отводной скважинами либо посредством расширения существующих зон трещиноватости за счет взрыва взрывчатыми веществами скальной породы между скважинами, либо посредством создания системы трещиноватости за счет использования гидростатического давления и/или тепла. Однако даже если такие зоны трещиноватости могут быть созданы, они дают плохо предсказуемые условия для водного потока,поскольку вода стремится выбрать путь наименьшего сопротивления и не проходит через более узкие трещины трещиноватой зоны. Сущность изобретения В разрез с общепринятым мнением, при разработке настоящего изобретения было установлено, что если геотермальная энергетическая станция данного типа должна иметь продолжительный срок службы, то величина поверхности теплообмена не является критическим фактором. Вместо этого, решающим фактором является наличие большого объема скальной породы в непосредственной близости к поверхности теплообмена. Таким образом, можно полагать,что геотермическая энергетическая станция,например, предназначенная для нагрева воды,должна иметь на каждый киловатт получаемой 2 энергии, по меньшей мере, 15000 м 3 скальной породы в радиусе 50 м от поверхности теплообмена. Для более мелких станций в неблагоприятных породных условиях этот объем приближается к 60000 м 3/кВт. Соответственно, в одном из своих аспектов изобретение предусматривает создание станции для эксплуатации геотермальной энергии по описанному выше типу. Станция характеризуется тем, что имеет заданную номинальную мощность в МВт, определяемую как тепло, поглощаемое указанной системой теплообмена после одного года эксплуатации, причем указанная поверхность теплообмена включает, по меньшей мере, один пробуренный теплопоглощающий канал, а объем указанной формации в пределах 50 м от указанного теплопоглощающего канала составляет, по меньшей мере, 10 х 106 м 3,предпочтительно 20 х 106 м 3, умноженный на указанную номинальную мощность. Указанные числа намного превышают массу скальной породы, которая предусматривалась любой рентабельной станцией такого типа, известной из уровня техники. При создании настоящего изобретения было обнаружено, что наиболее эффективным путем организации достаточно обширного объема скальной породы вблизи поверхности теплообмена является использование пробуренного канала в качестве такой поверхности. Однако такой канал должен иметь значительную длину для того, чтобы пронизывать требуемый объем скальной породы, и затраты на бурение были бы огромными, так как предполагалось бы, что поверхность теплообмена должна быть большой,т.е. канал должен иметь большой диаметр для обеспечения требуемого теплового потока от скальной породы к протекающей в канале воде. С учетом всего этого был произведен расчет теплообмена между большим цилиндром скальной породы и потоком воды в центральном канале цилиндра с использованием дифференциального уравнения, которое приведено авторами H.S Carslaw, J.C. Jaeger в работе "Conduction of Heat in Solids", Second Edition, Oxford(включенной в данное описание посредством ссылки на нее). По имеющимся данным, подобный расчет ранее никем не проводился. Было установлено, что в период 30-40 лет температура скальной породы на расстоянии 100 м от скважины практически не изменится. Что еще более удивительно, было обнаружено, что энергию можно извлекать в течение всего этого периода с помощью канала, который в аспекте теплообмена имеет диаметр 10 см и даже меньше. Дальнейший анализ показал, что увеличение диаметра канала до 1 м, что должно было бы увеличить поверхность теплообмена в десять раз, при прочих равных условиях, увеличит вероятную скорость извлечения тепла меньше чем вдвое. Однако площадь поперечного сечения такого канала, а следовательно и масса удаляе 3 мого материала увеличилась бы при этом в сто раз. Соответственно, наиболее экономичным решением представляется использование наименьшего диаметра канала, пробуренного на дальнее расстояние. По современной технологии этот наименьший диаметр составляет около 10 см. Однако даже для самой мелкой рентабельной станции длина такого теплопоглощающего канала превысила бы 5 км и, кроме того, примерно на такое же расстояние должны были бы проходить подающая и отводная скважины. Далее, перепад давления и соответствующие потери насоса были бы слишком высокими для очень длинных тонких каналов. Для решения указанных проблем было предложено разделить теплопоглощающий канал на множество параллельно соединенных каналов, достаточно разнесенных друг от друга, чтобы обеспечить достаточный объем скальной породы для получения желаемого количества тепла в течение всего требуемого срока службы станции. Таким образом, согласно своему второму аспекту изобретение обеспечивает создание станции для эксплуатации геотермальной энергии посредством прокачивания воды по замкнутой системе через геологическую формацию на глубине, по меньшей мере, 1000 м под поверхностью земли, включающей, по меньшей мере,одну подающую скважину, которая ведет от поверхности вниз до указанной формации, по меньшей мере, одну отводную скважину для транспортирования нагретой воды от указанной формации к поверхности и систему поглощения тепла, соединяющую подающую и отводную скважины, при этом указанная станция отличается тем, что указанная система поглощения тепла включает множество пробуренных теплопоглощающих каналов с параллельным гидравлическим потоком, причем существенная часть каждого теплопоглощающего канала лежит на расстоянии, по меньшей мере, 50 м, предпочтительно 100 м от ближайшего теплопоглощающего канала, а общая длина теплопоглощающих каналов предпочтительно превышает 5000 м. Согласно еще одному аспекту изобретения станция для эксплуатации геотермальной энергии, охарактеризованная в ограничительной(вводной) части предыдущего абзаца, отличается тем, что система теплообмена включает множество пробуренных теплопоглощающих каналов с параллельным гидравлическим потоком,причем указанные теплопоглощающие каналы проходят вниз под углом от подающей скважины к отводной скважине. Наклон теплопоглощающих каналов облегчает их бурение, например, посредством использования пробойника с водяным приводом и гибкого спирального трубопровода. Весовая нагрузка на буровой инструмент легче поддается управлению, поскольку трение гибкого спирального трубопровода о стенки канала может в 4 значительной мере поддерживать вес трубопровода. Это может существенно увеличить долговечность бурового инструмента и снизить затраты на бурение. Вследствие того, что температура повышается с увеличением глубины, направление потока воды вниз через наклонные каналы обеспечит повышение температуры воды потока вслед за повышением температуры окружающей скальной породы, так что разница между температурой скальной породы и температурой воды сохраняется постоянной. Этот эффект может быть приравнен к противоточной системе теплообмена и позволяет сократить длину теплопоглощающего канала при оптимальном поглощении тепла от скальной породы. Можно ожидать, что противоточная система позволит извлекать тепло из той же скальной породы в 2-3 раза дольше, чем эквивалентная прямоточная система теплообмена. Величина угла наклона будет зависеть от нескольких факторов, например, от градиента температуры в скальной породе, длины теплопоглощающего канала и расхода потока воды. Вычисление угла наклона лежит в пределах компетенции специалиста в данной области и здесь не приводится. В нормальном случае угол наклона лежит в пределах от 20 до 50, предпочтительно составляет около 40. Далее, в целях максимального извлечения тепла из данного объема скальной породы, по меньшей мере, существенные участки теплопоглощающих каналов проходят параллельно друг другу. Более предпочтительным является расположение теплопоглощающих каналов в один слой, а при необходимости их располагают в несколько вертикально разнесенных слоев. Создание системы из нескольких вертикально разнесенных слоев, в которой каждый слой содержит множество теплопоглощающих каналов,позволяет увеличить мощность станции без распределения каналов по широкой площади. Это имеет особую важность, если невелик объем земли, имеющейся в распоряжении для эксплуатации. Предпочтительно расстояние между соседними каналами в каждом слое такое же, что и расстояние между соседними вертикально разнесенными каналами, и составляет, по меньшей мере, 50 м, предпочтительно, по меньшей мере, 100 м. С другой стороны, расстояние должно быть меньше чем примерно 150 м, чтобы ограничить физическую протяженность станции. Станция в соответствии с изобретением может иметь единственную подающую скважину и единственную отводную скважину. Однако станция может содержать также множество подающих скважин, расположенных в наиболее предпочтительном случае равномерно по окружности вокруг общей отводной скважины. Так например, в одном из вариантов три подающие скважины могут быть расположены 5 вокруг одной отводной скважины. Следует отметить, что отводная скважина может быть выполнена в виде единственной пробуренной скважины или в виде пучка тесно сгруппированных скважин меньшего диаметра, которые по тепловым потерям примерно эквивалентны одной скважине большего диаметра. Предпочтительно верхние концы подающей скважины и отводной скважины могут быть расположены близко друг к другу с расхождением скважин с глубиной для образования значительного расстояния между концами проходящих теплопоглощающих каналов, которые проходят между ними. Предпочтительно это расстояние составляет, по меньшей мере, 500 м. Такая компоновка обеспечивает компактность наземной части станции при обеспечении необходимой длины теплопоглощающих каналов. Поскольку теплопоглощающие каналы бурят,начиная от подающей скважины, ее целесообразно делать примерно вертикальной, что позволит достичь максимальной возможной глубины (и температуры), допускаемой при данной максимальной длине буровой плети. При использовании гибкого спирального трубопровода максимальная длина практически может быть равной 6-8 тыс.м. Как уже упоминалось, раньше считалась необходимой очень большая поверхность теплообмена для извлечения тепловой энергии, и примером этому служит попытка создания большой поверхности трещиноватости по патенту США 4223729. Однако в связи с тем, что неожиданно было обнаружено, что тепло может извлекаться вполне удовлетворительно через теплопоглощающие каналы диаметром порядка 10 см и даже меньше, система по изобретению сама по себе является новой. Еще в одном аспекте изобретения станция указанного во введении типа отличается тем, что система теплообмена включает множество пробуренных теплопоглощающих каналов, имеющих диаметр меньше 14 см,предпочтительно номинальный диаметр 10 см. Изобретение предусматривает также способ для использования при проектировании геотермальной станции, охарактеризованный в п.15 формулы изобретения. Другие особенности изобретения отражены в зависимых пунктах формулы изобретения. В международной публикацииWO 96/23181 описана попытка использовать заброшенные морские нефтяные скважины для извлечения тепловой энергии для ее преобразования в электроэнергию и снабжения ею потребителей. В данном случае в качестве подающей и отводной используются две скважины глубиной 3000 м, нижние концы которых соединены, по существу, горизонтальным пробуренным замкнутым ходом длиной 1000 м и диаметром 21,5 см. По замкнутому ходу прокачивают воду с расходом 700 м 3/ч при температуре 20 С на 6 входе. В заявке сделано простое допущение, что вода в отводе будет иметь температуру 90 С,что соответствует температуре формации в месте расположения соединительного хода, и это будет давать 40 МВт тепловой энергии. Такое допущение в высшей степени неточно. С использованием описанного выше метода анализа было установлено, что температура отводимой воды была бы всего на несколько градусов выше температуры подвода и что для получения 40 МВт энергии замкнутый соединительный ход должен быть длиннее в 60 раз. Это наглядно демонстрирует полезность, важность и неожиданный эффект настоящего изобретения. Краткий перечень фигур чертежей Для лучшего понимания изобретения оно будет описано далее на примерах осуществления со ссылками на чертежи, на которых фиг. 1 представляет схематичное перспективное изображение геотермальной станции в соответствии с изобретением; фиг. 2 схематично изображает станцию по фиг. 1 на виде сбоку; фиг. 3 показывает в плане более мощную геотермальную станцию по изобретению; фиг. 4 представляет вид в разрезе по линииIY-IY на фиг. 3. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения В двух представленных примерах выполнения одинаковые части обозначены одинаковыми позициями. Представленная на фиг. 1 и 2 станция в своей основной части находится в геологической формации 1 под поверхностью 2 земли. Формация имеет теплопроводность 3 Вт/м С. Станция включает подающую скважину 3 диаметром 15 см и отводную скважину 4 диаметром 15 см. Подающая и отводная скважины 3, 4 соединены четырьмя теплопоглощающими каналами 5, каждый диаметром 10 см и длиной около 2000 м. Расстояние между каналами 5 может составлять 100-150 м. Каналы пробуривают от подающей скважины 3 с окончанием у отводной скважины 4 или вблизи нее. В этой области создают зону 6 трещиноватости для обеспечения гидравлического сообщения между скважинами 4, 5, поскольку трудно было бы точно попасть в обратную скважину 4 при бурении поглощающих каналов 5. Верхние части подающей и отводной скважин 3, 4 оснащены обсадными трубами 7,которые проходят в землю примерно на 300 м для изоляции скважин от окружающей формации в этой области. На поверхности подающая и отводная скважины 3, 4 подсоединены к одной стороне сепараторного теплообменника 8, а в подающей скважине 3 встроен перекачивающий насос 9. Вспомогательный насос 10 расположен у нижнего конца обсадной трубы 7 отводной скважины 4 и предназначен для снижения давления в 7 отводной скважине с тем, чтобы предотвращать просачивание воды в формацию 1. Другая сторона сепараторного теплообменника 8 имеет гидравлическое сообщение с различными потребителями тепла, представленными здесь в качестве примера радиатором 11, нагревателем 12 воздуха и резервуаром 13 для горячей воды. Для целей практического применения на фиг. 1 и 2 представлены различные значения температуры, скорости и расхода потока, а также размеры геотермальной станции. Кроме того,на фиг. 1 указано, что теплопоглощающие каналы 5 поглощают энергию в количестве 0,21 кВт/м. С учетом общей длины теплопоглощающих каналов около 8000 м количество извлекаемой из скальной породы энергии приближается к 1,7 МВт. Такое же значение может быть получено при умножении расхода воды на разность температур в подающей и отводной скважинах. Однако для станции такого мелкого масштаба потери тепла от отводной скважины в окружающую среду не будут незначительными,так что чистая мощность станции будет предположительно около 1,5 МВт. Как показано на фиг. 2, подающая скважина 3 вертикальная и имеет длину примерно 3200 м. Теплопоглощающие каналы 5 проходят вниз под угломк горизонтали, равным примерно 45. С учетом их длины около 2000 м плюс некоторое увеличение длины на криволинейные концевые участки указанные теплопоглощающие каналы могут быть пробурены с помощью пробойника и спиральных гибких труб длиной около 5000 м. При определении тепловой энергоемкости теплопоглощающих каналов в 0,21 кВт/м были использованы результаты расчетов, упомянутых во вводной части описания. Эти расчеты, включающие некоторые приближения малого практического значения, дали следующее уравнение:Q - поглощаемое из канала тепло в Вт;K - константа, значение которой находится между 1,7 и 2,0;k - теплопроводность скальной породы в Вт/м С; ТG - исходная средняя температура геологической формации вдоль теплопоглощающего канала;t - время работы станции в годах. Уравнение (1) предполагает теплообмен противоточного типа и не будет точным для прямоточных условий. Невысокий показатель степени 0,2 для диаметра D указывает на малое влияние диаметра на теплопоглощение, в то время как показатель степени -0,1 для времени 8 работы говорит о том, что станция теряет около 1% мощности в год после первого года эксплуатации. Уравнение может быть использовано также для расчета с достаточной степенью точности потерь тепла от отводной скважины 4. Поскольку уравнение (1) показывает, что влияние диаметра очень невелико, а по экономическим соображениям желательно иметь диаметр как можно меньше, а также ввиду того,что понижение тепла в скальной породе будет происходить крайне медленно, уравнение (1) можно упростить далее до следующего вида:(2),где С - константа со значением между 0,6 и 2,4 с нижними значениями для более мелких станций и низких температурных градиентов в скальной породе и высокими значениями для более крупных станций и высоких температурных градиентов. В варианте осуществления по фиг. 3 и 4 геотермальная станция рассчитана на номинальную мощность 50 МВт со средней мощностью 40 МВт за 240 тыс.ч эксплуатации (60 лет по 4 тыс.ч в год). Температура подачи воды составляет 40 С, температура отводимой воды 100 С, расход потока составляет около 200 кг/с. Геологическая формация имеет теплопроводность 4 Вт/м С, температурный градиент равен 30 С/км. Для получения необходимой общей длины теплопоглощающих каналов 5 они расположены тремя группами, разнесенными между собой на 120 по окружности с подходом к общей отводной скважине 4. Каждая группа теплопоглощающих каналов 5 состоит из семи слоев, по три канала 5 в каждом слое. Расстояние между каналами 5 составляет около 100 м по горизонтали и 100-150 м по вертикали. Каждый канал имеет диаметр 10 см и длину около 2300 м. Канал проходит под угломк горизонтали, равным примерно 40. Подающая скважина 3, питающая каждую группу теплопоглощающих каналов 5, имеет диаметр 25 см, а диаметр отводной скважины 4 равен примерно 40 см. Это означает, что скорость воды в отводной скважине 4 в четыре раза превышает скорость потока в теплопоглощающих каналах 5. В целях упрощения наземное оборудование станции на земной поверхности 2 не показано. Если после многолетней эксплуатации станции теплота скальной породы вокруг теплопоглощающих каналов 5 понизилась, новые группы теплопоглощающих каналов могут быть пробурены в секторах между существующими группами каналов или под ними. Прокладка новых каналов под существующими будет также естественным методом увеличения мощности или модернизации станции по фиг. 1 и 2. Следует отметить, что теплопоглощающие каналы 5 в примере осуществления по фиг. 3 и 4 9 имеют общую длину около 145 км. Однако они дают такую же тепловую мощность, которая ожидается от одного километра теплопоглощающего канала в решении по патентному документуWO 96/23181. Очевидно, что описанные примеры осуществления ни в коей мере не ограничивают изобретение, различные варианты и модификации возможны в пределах сферы его действия, определяемой пунктами формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Станция для эксплуатации геотермальной энергии посредством прокачивания воды по замкнутой системе через геологическую формацию (1) на глубине, по меньшей мере, 1000 м под поверхностью (2) земли, содержащая, по меньшей мере, одну подающую скважину (3),ведущую от поверхности (2) вниз до указанной формации (1), одну отводную скважину (4) для транспортирования нагретой воды от указанной формации к поверхности и теплособирающую систему, имеющую поверхность теплообмена,через которую тепло передается от указанной формации к указанной воде, и соединяющую подающую и отводную скважины (3, 4) посредством, по меньшей мере, одного пробуренного теплопоглощающего канала (5), отличающаяся тем, что отношение длины единственного или всех теплопоглощающих каналов к заданной номинальной мощности станции после одного года эксплуатации, выраженной в МВт, выбрано равным или превышающим 1300 м/МВт, предпочтительно равным или превышающим 2600 м/МВт. 2. Станция по п.1, отличающаяся тем, что теплособирающая система содержит множество пробуренных теплопоглощающих каналов (5),соединяющих подающую и отводную скважины(3, 4) с параллельным гидравлическим потоком,причем существенная часть каждого теплопоглощающего канала (5) лежит на удалении, по меньшей мере, 50 м, предпочтительно на удалении 100 м от ближайшего теплопоглощающего канала (5), а общая длина теплопоглощающих каналов (5) предпочтительно превышает 5000 м. 3. Станция по п.2, отличающаяся тем, что все теплопоглощающие каналы (5) направлены под угломвниз от подающей скважины (3) к отводной скважине (4). 4. Станция по п.3, отличающаяся тем, что указанный уголсоставляет примерно от 20 до 50, предпочтительно 40. 5. Станция по любому из пп.2-4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, существенная часть теплопоглощающих каналов (5) проходит параллельно друг другу. 6. Станция по любому из пп.2-5, отличающаяся тем, что теплопоглощающие каналы (5) расположены в один слой (14) или в несколько вертикально разнесенных слоев (14). 10 7. Станция по п.6, отличающаяся тем, что теплопоглощающие каналы (5) расположены в несколько вертикально разнесенных слоев (14),причем расстояние между соседними теплопоглощающими каналами (5) в каждом слое (14) примерно такое же, что и расстояние между соседними каналами (5) по вертикали. 8. Станция по п.6 или 7, отличающаяся тем, что указанное расстояние между указанными слоями (14) меньше, чем примерно 150 м, и предпочтительно составляет 100 м. 9. Станция по любому из пп.2-8, отличающаяся тем, что содержит множество подающих скважин (3), расположенных вокруг общей отводной скважины (4). 10. Станция по любому из пп.2-8, отличающаяся тем, что верхние концы подающей скважины (3) и отводной скважины (4) расположены вблизи друг от друга, причем одна из указанных скважин проходит, по существу, вертикально, а другая отклоняется от вертикали с обеспечением существенного удаления между концами указанных теплопоглощающих каналов. 11. Станция по п.10, отличающаяся тем,что указанное удаление составляет, по меньшей мере, 500 м и предпочтительно превышает 1 км. 12. Станция по любому из пп.2-11, отличающаяся тем, что теплопоглощающие каналы(5) имеют диаметр меньше 18 см. 13. Станция по п.12, отличающаяся тем,что теплопоглощающие каналы имеют диаметр меньше 14 см, предпочтительно меньше 12 см. 14. Станция по п.12 или 13, отличающаяся тем, что каналы (5) имеют номинальный диаметр 10 см. 15. Способ формирования теплособирающей системы при строительстве станции для эксплуатации геотермальной энергии посредством прокачивания воды по замкнутой системе через геологическую формацию (1) на глубине,по меньшей мере, 1000 м под поверхностью (2) земли, причем указанная станция содержит, по меньшей мере, одну подающую скважину (3),ведущую от поверхности (2) вниз до теплособирающей системы, и, по меньшей мере, одну отводную скважину (4) для транспортирования нагретой воды от теплособирающей системы к поверхности (2), отличающийся тем, что теплособирающую систему формируют в виде множества теплопоглощающих каналов (5) с параллельным гидравлическим потоком, причем размеры указанных теплопоглощающих каналовQC(TG - TW)kl,соответствующей приближенному решению дифференциального уравнения переноса тепла от цилиндра однородного материала скальной породы воде, протекающей через центральный канал в указанном цилиндре, где С - константа со значением между 0,6 и 2,4, 11TG - исходная средняя температура геологической формации вдоль теплопоглощающего канала,TW - средняя температура воды, протекающей в теплопоглощающем канале,k - теплопроводность скальной породы в Вт/м С,l - длина канала, м. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что размеры указанных теплопоглощающих каналовQКk0,93D0,2 (0,12 + (t + 1)-0,1) (ТG - TW)l,где К - константа, значение которой находится между 1,7 и 2,0,D - диаметр канала, м,t - время работы станции в годах. 17. Способ по п.15 или 16, отличающийся тем, что, по меньшей мере, основные участки теплопоглощающих каналов (5) бурят с использованием пробойника и плети спиральных гибких труб.