5 РАСПОЛОЖЕНИЕ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД В ЗЕМНОЙ КОРЕ, РЕСУРСЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, ОСОБЕННОСТИ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД
5.1 Расположение термальных вод в земной коре
Трудно переоценить значение топлива, тепла, тепловой энергии для народохозяйственных нужд.Один процент экономии топлива составляет выигрыш около десяти миллионов тонн условного топлива в год.Именно поэтому невозможно остаться равнодушным, увидев порой бесхозяйственную потерю тепла или топлива, будь то струя пара, бесцельно выходящая из неисправной арматуры или паропровода, густой черный дым из заводской трубы, свидетельствующий о неполном сжигании топлива, тающий снег над проложенным в земле теплопроводом, указывающий на плохую его теплоизоляцию и т.д.
Ну, а что представляют собой струи пара или фонтаны горячей воды, поднимающиеся на значительную высоту из расселин земли; горячие ключи, бьющие из под земли и сливающие свою воду в холодные ручьи и реки, уносящие ее в еще более холодные моря; парящие источники, растопляющие в месте своего выхода на поверхность снег, а потом замерзающие невдалеке в виде наледей?
Все это - поверхностные проявления глубинного тепла Земли, общие запасы которого неисчислимы. Значительная часть этих огромных запасов, наиболее доступная для человека при современном уровне развития техники, заключена в нагретых глубинных водах, называемых термальными. Запасы глубинных термальных вод в земной коре очень велики. Некоторые исследователи сравнивают их со вторым мировым океаном. Это сравнение не лишено основания. По ориентировочным подсчетам общий запас термальных вод, находящихся в прямом смысле под нашими ногами в земной коре, равен половине объема всех вод на ее поверхности.
Солнце миллиарды лет щедро излучает тепло в космическое пространство. Отдаваемая им тепловая энергия обогревает планеты солнечной системы, в том числе и Землю. Однако, на глубине около 25 м от поверхности Земли влияние теплового излучения Солнца уже не ощущается, и температура породы на этой глубине как зимой, так и летом практически одинакова. Исследования показали, что с углублением внутрь Земли температура увеличивается.
Исследуя глубокие впадины, до 3,3 км, а также самые глубокие буровые скважины, удалось установить, что в зависимости от теплопроводности окружающих пород и условий их залегания с опусканием на каждые 20...40 м температура возрастает примерно на 1 градус Цельсия. Сопоставив сведения многолетнего опыта, люди справедливо сделали выводы, что наша планета располагает собственным внутриземным теплом.
Результаты изучения толщи земной коры указывают на наличие в ней огромного количества глубинных термальных вод. Глубинные воды составляют главную и основную часть подземной гидросферы, в сравнении с которой запасы верхних или грунтовых вод несоизмеримо малы. Глубинные воды проникают во все слои земной коры. При благоприятных структурных условиях они образуют огромные подземные бассейны или заполняют трещины пород (трещинные воды) и водопроницаемые пласты (пластовые воды).
Однородные по возрасту и сходные по составу массивы излившихся базальтов имеют очень низкую пористость. Их водопроницаемость в вертикальном направлении возможна только в местах соприкосновения лавовых потоков или в местах различных включений и прослоек. Однако в горизонтальном направлении, между слоями различных лавовых потоков, часто остаются водопроницаемые пласты, каналы и каверны. Все эти пустоты нередко соединяются между собой и заполняются термальной водой. Что касается метаморфических и в особенности осадочных пород, то они обладают весьма значительной пористостью и водопроницаемостью, поэтому в них распространены и пластовые и трещинные воды, а также встречаются значительные по протяженности бассейны подземных вод.
Земная кора с находящейся в ней гидросферой прогревается в основном тепловым потоком, направленным из глубинных недр, в результате чего и поддерживается тепло термальных вод. Степень их нагрева в обычных условиях зависит от структуры окружающих пород, толщины и теплопроводности подстилающих водонепроницаемых пластов, интенсивности конвективных течений, вызываемых восходящим тепловым потоком и в особенности от глубины залегания.
Теплые или слаботермальные воды температурой 20...40 С распространены обычно на глубине 500...1000 м, горячие термальные воды температурой 40...80 С - на глубине около 2000 м. На глубине от 2000 до 3000 м чаще всего находятся высокотермальные воды температурой 70...100 С и перегретые, температурой более 100 С, бурно кипящие при выходе на поверхность земли.
Однако закономерность увеличения нагрева вод с глубиной их залегания иногда резко меняется. Это происходит в так называемых высокотемпературных термальных районах, находящихся, как правило, в зонах вулканической деятельности, где уже на незначительной глубине породы и находящиеся в них воды имеют температуру, близкую к 100 С. В этих случаях термальные воды нагреваются как благодаря воздействию теплового потока земных недр, так и вследствие близости локальных магматических очагов, причем влияние последних чаще всего бывает значительно более существенным.
Большое значение в указанных местах имеет структура подземных пород. В отличие от влияния сильно нагретых, но мало пористых пород типа базальтовых, в которых циркулирующая вода относительно слабо соприкасается с породой, нагревание в пористых осадочных породах происходит с большей интенсивностью. Воды при циркуляции вторгаются в многочисленные пустоты и поры такой породы и "вымывают" из них тепло,являясь по сути дела теплоносителем. В породах такого типа часто образуется пар [12].
5.2 Ресурсы тепловой энергии
Несмотря на кажущуюся простоту, добыча и использование природной тепловой энергии связаны с возведением разного рода сооружений, их оборудованием, бурением скважин и другими работами. Поэтому до проведения работ по освоению геотермальных ресурсов необходимо хотя бы ориентировочно оценить предполагаемые запасы, определить, на долго ли их хватит, есть ли способы продлить сроки использования этих ресурсов.
Земная кора и ее гидросфера, основную часть которой составляют термальные воды, постоянно снабжаются теплом глубинных недр. Это объясняется процессом разогревания недр, происходящим с весьма малой скоростью. Кроме того, установлено, что встречающиеся в отдельных местах земной мантии озера магмы и их интрузии (подземные массивы магматического происхождения), хотя и называются местными или локальными, но представляют собой огромные по объему расплавленные и раскаленные массы, содержащие большие запасы тепла и отдающие его чрезвычайно медленно вследствие плохой теплопроводности окружающих горных пород.
Известны примеры длительного существования источников глубинного тепла, связанных с вулканической деятельностью и, очевидно, с близостью в этих районах земной коры местных магматических образований. Так, в Тосканской провинции Италии источники термальных вод функционируют уже около 2 тыс. лет, о чем известно из дошедших исторических записей. Деятельность отдельных горячих источников Исландии оценивается в 10...15 тыс. лет.
Ресурсы тепловой энергии, заключенные в термальных водах, настолько велики, что превосходят запасы всех вместе взятых полезных ископаемых, расположенных на доступных глубинах. Эти ресурсы практически неисчерпаемы, они могут снабжать человечество теплом в течении многих тысяч лет.
Месторождения и источники термальных вод обладают одним особенно важным свойством, отличающим их от месторождений любых топливных ископаемых: они способны к естественной возобновляемости. Схематично это представляется так: благодаря конвективным течениям в гидросфере земной коры охлажденные потоки воды поступают к нагретым породам и, получив от них тепло, поднимаются кверху, уступая место новым охлажденным потокам, причем этот процесс происходит непрерывно.
Однако, одним из условий длительного и надежного поступления
к потребителю глубинной тепловой энергии является отбор ее в разумных количествах, подтвержденных в каждом конкретном случае соответствующими расчетами. Зная геологическую структуру данного термального района, можно с достаточной степенью точности оценить так называемые "возобновляемые запасы" с тем, чтобы при их отборе не снимать имеющиеся первоначальные запасы тепла.
Для оценки возобновляемых запасов в термальных районах наиболее существенными факторами является уровень добычи, температура получаемой воды, величина изменения этой температуры в зависимости от увеличения отбора в единицу времени. В каждом отдельном случае строгий хозяйственный подход к вопросу использования запасов подземного тепла, только в этом случае они могут стать практически неисчерпаемыми [13].
5.3 Особенности термальных вод
Совершенно чистой воды в природе нет. Такую дистиллированную воду можно получить только искусственным путем в лаборатории. Даже наиболее чистая дождевая (метеорная) вода содержит растворенные газы, входящие в состав воздуха, и твердые примеси – результат содержания пыли в воздухе. Все природные, а тем более глубинные воды, находящиеся в толще земной коры, в большей или меньшей степени минерализованы и газонасыщены. При прохождении через водопроницаемые пласты, взаимодействии с окружающими породами, газами, микроорганизмами солевой (ионный) газовый и взвешенный состав термальных вод постоянно меняется. Он разлагается и синтезируется, частично расходуется и пополняется в процессе гидратации и дегидратации минералов. Нередки случаи, когда глубинные воды в той или иной степени радиоактивны.
Следует отметить, что местонахождения термальной воды можно характеризовать по ее составу только условно. Дело в том, что этот состав часто оказывается различным даже при отборе воды из скважин, расположенных в одной местности, близко друг от друга, а также при отборе из одной скважины, но с разных горизонтов.
Знать состав термальной воды очень важно, так как содержание различных растворенных компонентов и примесей делает эту воду более или менее пригодной для использования. Кроме того, состав термальных вод, а также их температура подсказывают направления, в которых с наибольшей пользой можно применить те или иные воды.
Для различных целей использования к водам предъявляют разные требования. Например, для добычи химических веществ желательно максимальное их содержание в воде, для лечебных целей нужна менее минерализованная вода, а для теплофикации требуется вода, содержащая как можно меньше солей и газов.
Наиболее повышенные требования предъявляются к составу термальных вод в случае использования их для теплоснабжения, теплофикации и других теплоэнергетических целей.
Естественные выходы и источники термальных вод и пара сравнительно редки. Чаще термальные запасы скрыты в глубине и обнаруживаются лишь при разведке путем бурения скважин. Но и там, где имеются естественные источники, обычно бурят скважины, обеспечивающие наиболее надежную и стабильную добычу. Подземные воды, как правило, обладают напорным режимом и под собственным давлением поступают из скважин. При этом термальная вода значительно меньше охлаждается с поступлением на поверхность, чем при естественном выходе.
Одним из неприятных явлений, затрудняющих в ряде случаев регулярное поступление воды, является зарастание и закупорка скважин образующимися на внутренних стенках плотными отложениями.
Причины образования отложений могут быть различны: химические реакции в результате окисления вблизи устья скважин при соприкосновении с воздухом минеральных и органических веществ, содержащихся в термальной воде (на глубине она почти всегда лишена растворенного свободного кислорода); процессы кристаллизации в результате изменения давления и температуры; биохимические процессы и др. Опыт Исландии показывает, что силикаты и кальциты, растворяемые в глубине пластов, ближе к поверхности склонны выпадать в осадок и забивать скважины.
Поэтому одной из важных проблем при добыче термальных вод является разработка правильной конструкции водоразборов, исключающих или сводящих к минимуму возможность зарастания скважин солями, а также мер по быстрому устранению таких отложений. В каждом отдельном случае, в зависимости от состава воды, они могут быть различны, но всегда должны надежно обеспечивать нормальную подачу воды.
Другой неприятной особенностью некоторых термальных вод является возможность выпадения осадков и шлама в трубопроводах и системах теплоснабжения. После выхода из скважины термальная вода подается в систему трубопроводов того или иного потребителя для дальнейшего использования. При этом напор и скорость движения воды снижаются, возникают благоприятные условия для выпадения содержащихся в воде различных веществ в виде твердых осадков и шлама. Шлам представляет собой неоднородный по составу рыхлый коллоиднообразный осадок, накапливающийся в элементах системы, особенно там, где скорость движения воды мала, например, в отопительных радиаторах. Твердые осадки и шлам ухудшают условия прохождения воды в системах, зачастую закупоривая отдельные участки труб и приборов ;при длительном пребывании и застое они слеживаются, твердеют, прикипают и удалить их становится крайне трудно. Кроме того, значительно ухудшаются условия теплопередач. В конечном итоге возможны аварии систем, требующие длительного ремонта и прочистки.
Для предотвращения накопления осадки и шлам необходимо собирать и удалять до поступления непосредственно в систему. Практически этого можно достичь, установив сборный бак, резкое снижение скорости потока в котором будет способствовать выпадению и концентрации там осадков и шлама. Из бака же их удалить сравнительно легко промывкой, или, как говорят теплотехники, "продувкой" из нижней части бака, где осадки и шлам собираются. Максимальные промежутки времени между продувками в каждом случае лучше определять опытным путем. Следует только иметь в виду, что при слишком больших промежутках осадки и шлам уплотняются и их удалить продувкой невозможно.
Если по каким-либо причинам сборный бак установить невозможно, то приспособление для продувки нужно предусмотреть в других удобных местах систем через удобные патрубки. В наиболее ответственных и подверженных закупорке местах необходимо поставить ревизии со съемными крышками для возможной прочистки.
Для предотвращения выпадения осадка и шлака при непосредственной подаче термальной воды в систему отопления следует поддерживать определенную скорость движения воды во всех элементах этой системы (не менее 0,3 м/с). Желательно применять гладкотрубные простые по конфигурации системы. Арматура также должна подбираться с наименьшими гидравлическими сопротивлениями. Отопительные приборы желательно иметь с последовательным прохождением воды (змеевиковые).
Существуют и специальные способы для предотвращения накипи и отложения шлака в трубах и элементах систем, например предварительная обработка воды при прохождении ее через искусственно создаваемое магнитное или электромагнитное поле, дозирование некоторых химических реагентов, воздействие на воду в сборном баке ультразвуковых колебаний и т.д. Все эти способы необходимо проверить и выбрать наилучший для конкретного случая.
В крайнем случае, когда появление накипи, осадка или шлака предотвратить невозможно, нужно либо использовать тепло термальных вод при помощи водоводяных теплообменников, либо установить отопительные приборы с запасом по поверхности нагрева, а трубопроводы с запасом по сечению.
Наибольшая опасность для трубопроводов и других металлических элементов теплоэнергетического оборудования и систем таится в коррозионной агрессивности некоторых термальных вод. Коррозионные процессы бывают химические и электрохимические. Химические процессы коррозии происходят в результате непосредственного взаимодействия металла с окружающей средой. Электрохимическая коррозия наблюдается при взаимодействии металлов с жидкими электролитами, главным образом с минерализованными водными растворами. Все имеющие место в практике добычи и использования термальных вод коррозионные разрушения металлических труб, сооружений, оборудования являются результатом электрохимических процессов коррозии. Термальные воды с очень малой минерализованностью и коррозионной агрессивностью встречаются довольно редко. Однако, степень коррозионной агрессивности воды характеризуется не только количеством растворенных в ней солей, хотя они и повышают электропроводность раствора и тем самым активизируют электродные процессы. Более важным является химический состав этих солей, концентрация в воде водородных ионов, а также состав и количество растворенных в ней газов. Химический состав важен потому, что некоторые из них интенсифицируют, а некоторые, наоборот, замедляют коррозионные процессы. С этой точки зрения наиболее подходящими являются слабоминерализованные азотные воды или щелочные воды хлориднонатриевого типа.
С уменьшением концентрации ионов водорода, а следовательно, кислотности среды коррозионные процессы активизируются. Кроме того, увеличиваются растворимость продуктов коррозии, образующих иногда защитную пленку на поверхности.
Особо надо иметь в виду газовый состав термальных вод, в который входят азот, углекислый газ, сероводород, аммиак, водород, а также метан и другие углеводороды. Эти газы неодинаково влияют на интенсивность коррозии: наиболее агрессивен по отношению к стали сероводород, хотя бы в малой концентрации и углекислый газ; аммиак разрушающе действуют на цветные металлы и их сплавы.
При использовании термальных вод часто осуществляют разрыв струи, удаляя газы из воды через ее свободную поверхность в какой-либо емкости. Растворенные газы, которые в глубине при значительных пластовых давлениях не могли, выделяется из воды, стремятся это сделать в открытой емкости.
При этом следует не допустить насыщение термальной воды свободным кислородом из воздуха. Термальные воды на глубине в большинстве случаев не содержат кислород. Поэтому в сборном баке или в другой емкости поверхностный слой такой воды, соприкасающийся с воздухом, интенсивно растворяет кислород, а растворенный кислород - главный и наиболее опасный коррозионный агент.
Мероприятие по борьбе с коррозией металлических трубопроводов и оборудования разнообразны и многочисленны. Их можно подразделить на следующие основные группы:
а) уменьшения коррозионной агрессивности воды;
б) изоляция металлических поверхностей от коррозийнной среды путем нанесения на них защитных покрытий;
в) повышение противокоррозионной стойкости металла;
г) комбинированное применение одновременно нескольких противокоррозионных мероприятий.
В случае если вероятность сильной коррозии высока и мало надежд на успех противокоррозионных мероприятий, необходимо так же, как и в отдельных случаях применения высокоминерализованных термальных вод, использовать их тепло при помощи водоводяных теплообменников [14,15].
