СКВАЖИННАЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2009 года по МПК F03B13/06 F03B13/10 

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения электроэнергии без сжигания для этого топлива. Оно может быть использовано для производства электрической энергии и организации электроснабжения потребителей в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы заявляемой скважинной гидроаккумулирующей электростанции (далее - СГАЭС), в том числе для децентрализованного электроснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций потребителей. Использование ее наиболее эффективно в условиях неравномерного - преимущественного потребления электроэнергии в летний период (при этом СГАЭС работает в турбинном режиме) и отсутствия электропотребления в зимний период (СГАЭС работает в насосном режиме). СГАЭС позволяет снабжать вырабатываемой с ее использованием электрической энергией без подвода для этого энергии извне. Она может работать с использованием поверхностных или подземных вод, расположенных в верхних интервалах земных недр, либо при их сочетании. Заявляемая СГАЭС позволяет расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Известна скважинная гидроэлектростанция (Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, Кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.). Скважинная гидроэлектростанция включает источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидравлическую машину, например гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, водовод образован горной выработкой, например буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, водоводы снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками, а электрогенератор сообщен кабелем, установленным в буровой скважине, с дневной поверхностью у устья скважины.

В изобретении устранены характерные для гидроэлектростанции с плотинной схемой недостатки. Они заключается в том, что требуемый напор воды достигается без высокозатратного сооружения плотины и связанных с этим отрицательных последствий экономического, хозяйственного, социального, эколого-климатического характера. Кроме того, изобретение позволяет расширить условия его применения - беспроблемную эксплуатацию в условиях резко континентального климата в морозный и паводковый периоды, а также работу не только с использованием поверхностных источников вод, но и подземных либо при их сочетании. Перечисленные последствия имеют существенное значение и финансовый эквивалент.

Гидравлическая мощность потока скважинной гидроэлектростанции создается в буровой скважине, пробуренной до поглощающего интервала, в результате формирующегося при этом перетока воды из вышерасположенного источника в поглощающий интервал. Высота потока в скважине и, как следствие, его напор может составлять большую величину - от метров до километров, а напор - от десятых долей МПа до десятков МПа. Без сооружения плотины известное техническое решение (по прототипу) позволяет получить высокое значение напора потока в скважинной гидроэлектростанции и при одинаковых расходах воды (в сравнении с низконапорными, плотинными) - высокие гидравлические и вырабатываемые электрические мощности (без сооружения плотины).

Источниками потока воды в буровой скважине могут быть соединенные с ней либо поверхностные (река, озеро, море, болото, водохранилище, продукты таяния ледников, накопители технической воды и др.), либо перебуренные скважиной и соединенные с ней подземные водоносные зоны, или их сочетания. Формирование рабочего потока воды скважинной гидроэлектростанции в земных недрах, имеющих круглогодичную положительную температуру, позволяет эксплуатировать скважинную гидроэлектростанцию и вырабатывать электрическую энергию круглогодично в условиях резко континентального климата.

Известная скважинная гидроэлектростанция может бесконечно долго работать, когда зоной стока является пересечение проницаемого интервала с земной поверхностью горного рельефа, расположенное выше речного стока, либо ею обеспечивается прием бесконечно большого объема воды, когда поглощающая зона является мощным проницаемым интервалом, как правило, представленным песчаниками, песками или карстовыми и кавернозными породами в карбонатных породах. Такие мощные поглощающие интервалы могут распространяться на значительные расстояния (до десятков и сотен километров) и способны принять большие объемы воды (Гордеев П.В., Шемелина В.А., Шулякова O.K. Гидрогеология. М., «Высшая школа», 1999 г., стр.326-332), на практике они часто используются для захоронения отходов в течение десятилетий, а при использовании их в качестве зоны стока скважинной гидроэлектростанции могут обеспечить бесконечно длительный период ее работы. Недостаток известной скважинной гидроэлектростанции заключается в том, что условия ее применения ограничены.

Объясняется это тем, что зона стока в ней может быть представлена подземной емкостью ограниченного объема, при заполнении которого в последующем заполняется скважина вплоть до ее устья, а гидродинамический напор воды в скважине, воздействующий на гидротурбину, принимает нулевое значение (поскольку условия для движения воды в скважине отсутствуют). Такие условия реже имеются в гористой местности и чаще в равнинных условиях. Известно существование подземных емкостей природного происхождения, а также геотехнологии формирования подземных емкостей (Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. М., Недра, 1986 г., стр.16-17; 266; 269): гидравлический разрыв пласта; взрывное разрушение; бурение системы горизонтальных скважин; образование емкостей - подземным растворением, подземным выщелачиванием, подземной выплавкой. Эффективным представляется геотехнология, предусматривающая образование подземной емкости, например, путем выщелачивания с последующим обрушением ее сводов (Дядькин Ю.Д. Проблемы освоения тепловой энергии горячих горных пород. Физические процессы горного производства, вып.12, 1982 г., стр.12). Известны рекомендации по увеличению длительности периода использования подземных коллекторов (там же, стр.14), предусматривающие создание нескольких рассредоточенных по площади коллекторов с поочередным вводом по мере их заполнения. Однако, ввиду ограниченности объемов их заполнения, условия применения известной скважинной гидроэлектростанции ограничены.

Известны гидроаккумулирующие электростанции (Бабурин Б.Л., Глезин М.Д., Красильников М.Ф., Шейнман Л.Б. Гидроаккумулирующие электростанции. Под ред. Л.Б.Шейнмана. - М.: Энергия, 1978 г.), применяемые в качестве маневренных регулирующих мощностей: суточных, внутринедельных, внутригодовых. Гидроаккумулирующая электростанция включает расположенные на различных высотах верхний и нижний бассейны, соединенные водоводом с установленными в нем гидроагрегатом - обратимой гидромашиной и задвижкой. Верхний бассейн не имеет притока воды, а работа станции происходит с использованием одного и того же объема воды, перекачиваемого из нижнего бассейна в верхний (насосный режим) и срабатываемого в турбинном режиме, при котором вода из верхнего бассейна перетекает в нижний. При этом лишь небольшие потери воды происходят в результате испарения и инфильтрации. В турбинном режиме вырабатываемая станцией электроэнергия поступает на покрытие дефицита мощности энергосистемы, в периоды избытка мощности энергосистемы ее доля используется для обеспечения работы станции в насосном режиме, при котором вода из нижнего бассейна гидроагрегатом - обратимой гидромашиной перекачивается в верхний бассейн - происходит гидроаккумулирование, необходимое для последующего обеспечения работы станции в турбинном режиме (очередного цикла регулирования мощности). Принцип работы известной гидроаккумулирующей электростанции интересен и может быть использован для расширения условий работы скважинной гидроаккумулирующей электростанции, однако его техническая реализация не очевидна.

За прототип заявляемой скважинной гидроэлектростанции принята скважинная гидроэлектростанция по патенту США (Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, Кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.). Она содержит источник воды, сообщающийся с ним водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидромашину, кинематически соединенную с электромашиной, электрическую линию связи электромашины с электрокоммутационным преобразовательным щитом на дневной поверхности у устья скважины, водовод образован буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами.

Недостаток ее в том что, она не является скважинной гидроаккумулирующей электростанцией, и условия ее использования ограничены. Она не может быть применена для надежной выработки электроэнергии в условиях ограниченного объема подземного коллектора, являющегося зоной стока воды.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании скважинной гидроаккумулирующей электростанции, обладающей более широкими условиями применения в условиях ограниченного объема подземного коллектора, в сравнении с прототипом, и являющуюся (для потребителя с нагрузкой только в летний период и расположенного на территории с благоприятными ветроэнергетическими ресурсами в зимний период) комплексным автономным нетрадиционным возобновляемым источником электрической энергии.

Достигается поставленный технический результат в заявляемой скважинной гидроаккумулирующей электростанции тем, что в принятой за прототип скважинной гидроэлектростанции, включающей источник воды, сообщающийся с ним водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидромашину, кинематически соединенную с электромашиной, электрическую линию связи электромашины с электрокоммутационным преобразовательным щитом на дневной поверхности у устья скважины, водовод образован буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, в ней гидромашина и электромашина агрегатированы и составляют скважинный гидроагрегат, выполненный с возможностью работать в турбинном режиме, при этом электромашина выполнена в виде электрогенератора, а гидромашина - в виде гидротурбины, или в насосном режиме, при этом электромашина выполнена в виде электродвигателя, а гидромашина - в виде центробежного насоса, скважинный гидроагрегат снабжен фиксатором, а зоной стока является сообщенный с ней поглощающий интервал природного или искусственного происхождения скважинный гидроагрегат установлен под динамический уровень, создающий напор, достаточный для выработки электроэнергии, источник электроэнергии, выполненный с возможностью его подключения для подъема воды из поглощающего интервала и подачи ее в источник воды, либо к электромашине скважинного гидроагрегата, работающего в насосном режиме; либо к электродвигателю погружного насоса, соединенного с нижним концом водоподъемной колонны труб, установленной в добычной скважине, которой перебурен поглощающий интервал и сообщенный с ней; либо к электродвигателю компрессора пневматического водоподъемника, содержащего источник сжатого воздуха - компрессор, нагнетательную скважину, пробуренную до поглощающего интервала и сообщающуюся с ним, а также с источником сжатого воздуха, водоподъемную скважину, пробуренную до поглощающего интервала и сообщающуюся в нижней части с ним, а в верхней своей части сообщающуюся с источником воды, при этом водоподъемная скважина сообщена с поглощающим интервалом ниже сообщения с ним нагнетательной скважины; а буровая, водоподъемная и добычная скважины соединены с источником воды, при этом пересечение буровой скважины с поглощающим интервалом оборудовано дистанционно управляемым перекрывающим устройством, а источником электроэнергии является ветровая энергетическая установка.

В скважинной гидроаккумулирующей электростанции буровой скважиной могут быть перебурены несколько не сообщающихся между собой поглощающих интервалов, а скважинный гидроагрегат (гидроагрегаты) выполнен с возможностью его установки у кровли любого из поглощающих интервалов либо у каждого из них одновременно.

В воду, движущуюся и циркулирующую в скважинной гидроаккумулирующей электростанции, может быть введена добавка, снижающая гидросопротивления воды, например сульфонол.

Источником воды в скважинной гидроаккумулирующей электростанции может быть расположенная на дневной поверхности питательная емкость с водой.

Признаки заявляемой скважинной гидроаккумулирующей электростанции позволяют получить желаемый результат. В частности, снабжение ее различными (альтернативными) подъемниками воды из поглощающего интервала, электродвигательные приводы которых подключены к ветроэнергетической установке, позволяет многократно использовать ограниченный по объему подземный поглощающий интервал и этим расширить условия применения СГАЭС. Кроме того, для потребителя с нагрузкой, имеющей место только в летний период, и расположенного на территории с благоприятными ветроэнергетическими ресурсами в зимний период, при объеме подземного поглощающего интервала, достаточного для работы станции (и покрытия требуемой электрической нагрузки) в течение всего летнего периода, признаки заявляемой СГАЭС позволяют «сделать» комплексный нетрадиционный источник возобновляемым и осуществлять надежное энергообеспечение на долгосрочных временных, в том числе годовых, интервалах.

Перебуренные скважиной несколько не сообщающихся между собой поглощающих интервалов и выполнение скважинного гидроагрегата (гидроагрегатов) с возможностью его установки у кровли любого из поглощающих интервалов либо у каждого из них одновременно позволяют расширить условия ее применения путем увеличения объема поглощающего интервала.

Добавки к воде, например, сульфонола, движущейся (циркулирующей) в элементах скважинной гидроаккумулирующей электростанции (буровой, водоподъемной, добычной скважинах, поглощающем интервале и др.), позволяют снизить гидросопротивления (Мирзаджанзаде А.Х., Караев А.К., Ширинзаде С.А. Гидравлика в бурении и цементировании нефтяных и газовых скважин. М., Недра, 1977 г., стр.86) на 18-20% и затраты энергии на их преодоление, а этим - повысить ее энергоэффективность и достичь энергосбережения. Кроме того, добавки поверхностно активного вещества (ПАВ), например сульфонола, позволяют исключить возникновение отложений солей жесткости на поверхностях микротрещин и пор проницаемых пород, по которым движется вода по проницаемому подземному интервалу. В присутствии ПАВ не образуются плотные откладывающиеся на поверхности каналов движения воды отложения. С этим связано сохранение (не ухудшение) условий движения воды в проницаемом интервале со временем.

На фиг.1-6 в качестве примера приведены схемы работы предлагаемой скважинной гидроаккумулирующей электростанции, в дальнейшем - СГАЭС. На фиг.1 изображена схема СГАЭС с гидроагрегатом, являющимся обратимой гидромашиной. На фиг.2 изображена схема СГАЭС с добычной скважиной с водоподъемной колонной труб и погружным насосом в ней; на фиг.3 - схема СГАЭС с пневматическим водоподъемником; на фиг.4 - схема скважинного дистанционно управляемого перекрывающего устройства в открытом его положении; на фиг.5 - схема скважинного дистанционно управляемого перекрывающего устройства в закрытом его положении. На фиг.6 изображена схема СГАЭС, гидроэнергетической скважиной которой перебурены три поглощающих интервала с водоподъемниками разных типов.

На фиг.1-6 введены следующие обозначения: 1 - буровая скважина; 2 - источник воды природного или искусственного происхождения, расположенный на земной поверхности или выше нее (поверхностный источник воды); 3 - подземный источник воды - подземная водоносная зона; 4 - скважинный поток, движущийся после скважинного гидроэлектроагрегата к зоне стока (к интервалу поглощения 16, 17 или 18); 5 - гидромашина; 6 - электромашина; 7 - рычаги фиксатора скважинного гидроагрегата (фиксатор); 8 - ступенчатый интервал скважины; 9 - электрическая линия связи (электрокабель в скважине); 10 - головка; 11 - электрокоммутационный преобразовательный щит; 12 - обсадная перфорированная труба с отверстиями 13; 13 - отверстия в обсадной трубе 12; 14 - перфорированное кольцо с отверстиями 15; 15 - отверстия в перфорированном кольце 14; 16, 17, 18 - поглощающие интервалы, соответственно, первый, второй и третий; 19 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ); 20 - ветроколесо; 21 - электрогенератор ВЭУ; 22 - первый электрокабель ВЭУ; 23 - электропреобразователь ВЭУ; 24 - второй электрокабель ВЭУ; 25 - добычная скважина; 26 - водоподъемная колонна труб; 27 - перфорированный отрезок трубы с погружным (электродвигательным) насосом; 28 - оголовок; 29 - манометр; 30 - вентиль; 31 - линия к источнику воды; 32 - компрессор с электродвигательным приводом; 33 - нагнетательная скважина; 34, 35 - нагнетательные скважины до второго и третьего поглощающих интервалов, соответственно; 37 - сжатый воздух; 38, 39 - сжатый воздух в нагнетательных скважинах 34 и 35, соответственно; 40 - перфорированная часть нагнетательной скважины в поглощающем интервале; 41, 42 - перфорированные части нагнетательных скважин 34, 35 во втором и третьем поглощающих интервалах, соответственно; 43 - обратный дистанционно управляемый клапан; 44, 45 - обратные дистанционно управляемые клапаны в нагнетательных скважинах 34 и 35, соответственно; 46 - устьевая герметизирующая головка; 47, 48 - устьевые герметизирующие головки нагнетательных скважин 34, 35, соответственно; 49 - вентиль; 50, 51 - вентили нагнетательных скважин 34, 35, соответственно; 52 - водоподъемная скважина; 53, 54 - водоподъемные скважины пробуренные до 2^го и 3^го поглощающих интервалов; 55 - вода; 56, 57 - вода в водоподъемных скважинах 53 и 54, соответственно; 58 - перфорированная часть водоподъемной скважины; 59, 60 - перфорированные части водоподъемных скважин 53 и 54, соответственно; 61 - вентиль; 62, 63 - вентили в линиях от скважин 53 и 54, соответственно; 64 - линия к источнику воды; 65 - обратный дистанционно управляемый клапан; 66, 67 - обратные дистанционно управляемые клапаны в скважинах 53 и 54, соответственно; 68, 69 - линии к источнику воды от скважин 53 и 54; 70 - заполненная водой часть поглощающего интервала (подземной емкости-коллектора); 71 - воздушный объем подземной емкости-коллектора; 72 - поглощающий интервал, прилежащий к перекрывающему устройству; 73 - наружная труба с перфорированным участком; 74 - перфорационные отверстия; 75 - часть наружной трубы без перфорации; 76 - пружинные фиксаторы; 77 - перекрывающий сплошной патрубок; 78 - покрытие из эластичного материала; 79 - кольцевая канавка; 80 - вода в скважине; I - место установки гидроагрегата у первого поглощающего интервала; II - место установки гидроагрегата у второго поглощающего интервала; III - место установки гидроагрегата у третьего поглощающего интервала; Н_д - динамический уровень воды в скважине; Н_н1, Н_н2, Н_н3 - напоры, создаваемые «столбами» воды в месте установки гидроагрегата в скважине, соответственно, у первого, второго и третьего поглощающих интервалов.

Устройство СГАЭС

Выработка электроэнергии СГАЭС осуществляется при ее работе в турбинном режиме гидроагрегата, установленного в буровой скважине. Вариант его осуществления является единственным.

Элементы, обеспечивающие турбинный режим. Пробуренная до зоны стока скважина 1, устье которой сообщено с источником воды 2 природного происхождения, например озером (фиг.1), оборудуется определенным образом. При этом на устье скважины устанавливается обсадная труба 12, перфорированная по высоте (соответствующей глубине озера - верхней его части) у устья скважины отверстиями 13. На обсадной трубе установлено кольцо 14, перфорированное отверстиями 15 в интервале, соответствующем перфорации обсадной трубы 12. Кольцо выполнено поворотным, причем в положении «закрыто» перфорационные отверстия 15 в кольце 14 не совпадают с отверстиями 13 в обсадной трубе 12, а в положении "открыто" - совпадают. Интервал скважины 8 над поглощающим интервалом, в месте установки гидромашины 5 с электромашиной 6 (скважинного гидроагрегата), имеет ступень изменения диаметра скважины. Гидромашина 5 выполнена в виде гидротурбины, а электромашина 6 - в виде электрогенератора. В качестве электрогенератора использован электродвигатель электробура, используемый при электробурении, который при вращении его якоря может работать в режиме электрогенератора. В качестве гидротурбины использован турбобур, используемый в турбинном бурении. Турбобур и электробур приспособлены для работы в скважинных условиях.

С использованием лебедки, применяемой при бурении со съемными керноприемниками, на тросике (с дистанционно управляемым «захватом») в скважину спускают агрегатированные электромашину 6 в виде электрогенератора с гидромашиной 5 в виде гидротурбины (составляют гидроагрегат) и фиксируют в ступенчатом интервале 8 скважины посредством рычагов 7 фиксатора. Отсоединение от тросика осуществляется посредством специальной конструкции «захвата», спускаемого на тросике, и головки 10 на электромашине в виде электрогенератора. Конструкция лебедки для осуществления скважинного съемного гидроагрегата аналогична конструкции скважинного съемного керноприемника (Козловский Е.А. и др. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: в 2 томах под общей редакцией проф. Е.А.Козловского; том 1, стр.364-368; том 2, стр.56-85. - М.: Недра, 1984). Конструкция такого устройства позволяет соединиться посредством «захвата» на тросике с головкой 10 на гидроагрегате для подъема его вместе с гидромашиной 5 в виде гидроагрегата (скважинный гидроагрегат), при необходимости. Электрическая линия связи (электрокабель) 9, приспособленный для работы в скважинных условиях, посредством каротажной лебедки опускают в скважину одновременно со спуском гидроагрегата. Соединенный с электромашиной 6 в виде электрогенератора, на дневной поверхности он подключен к электрокоммутационному преобразовательному щиту 11. Следует отметить, что гидроагрегат в скважине может быть установлен на бурильных трубах, верхний конец которых закреплен на устье скважины согласно известному устройству (заявка на изобретение «Гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции», №2006128649 от 02.11.2006 г. F03B 13/06, F03B 13/10.

В заявляемой СГАЭС возможны три варианта подъема воды из поглощающего интервала в питательную емкость (при этом станция работает в водоподъемном режиме или, по терминологии гидроаккумулирующих электростанций - в насосном режиме): 1) скважинный гидроагрегат является обратимой гидромашиной, при этом гидромашина выполнена в виде центробежного насоса, а электромашина - в виде электродвигателя, а для подъема воды используется та же буровая скважина, фиг.1; 2) для подъема воды используется специальная добычная скважина, которой перебурен поглощающий интервал и в которой установлена водоподъемная колонна труб с погружным насосом на ее нижнем конце, фиг.2; 3) для подъема воды используются специальные нагнетательная скважина, пробуренная до поглощающего интервала, и водоподъемная скважина, которой перебурен поглощающий интервал, фиг.3.

Подъем воды по первому варианту (фиг.1). В электрокоммутационном преобразовательном щите 11 выполняется коммутация цепей, в результате которой вторым электрокабелем ВЭУ 24 к ВЭУ 19 подключена электромашина 6 гидроагрегата, выполненная в виде электродвигателя. Гидромашина 5 выполнена в виде центробежного насоса. При подаче на электромашину 6 электрического напряжения от ВЭУ 19 она способна работать в режиме электродвигателя. Ее якорь соединен с ротором гидротурбины 5, который работает как центробежный насос. Обратимая гидромашина (скважинный гидроагрегат) находится в скважине в воде ниже ее статического уровня, а скважина сообщена с поглощающим интервалом 16.

Подъем воды по второму варианту (фиг.2). Узел скважинного дистанционно управляемого перекрывающего устройства, установленный в пересечении буровой скважины 1 с поглощающим интервалом 16, приводится в закрытое положение (фиг.5). Осуществляется эта операция после освобождения скважины от гидроагрегата с последующим применением путем спуска в скважину бурильной колонны с установленным на ее нижнем конце гидравлической труболовки. При этом в перекрывающем сплошном патрубке 77 гидравлическая труболовка расширяясь соединяется с патрубком 77, фиг.4. Последующим подъемом буровой колонны с гидравлической труболовкой перемещается вверх и патрубок 77 до его возможного верхнего положения (фиг.5) - до упора. При этом пружинные фиксаторы 76 входят в канавку в патрубке 77 и последний фиксируется в верхнем положении. При этом, ввиду того, что патрубок является сплошным, контактирует с частью наружной трубы с перфорационными отверстиями 74, перекрывает их и этим прекращается сообщение скважины с поглощающим интервалом 16. Таким образом, прерывается сообщение объема скважины с поглощающим интервалом.

Следует отметить, что при необходимости поглощающий интервал дополнительно может быть сообщен с атмосферой посредством вспомогательной скважины.

Добычная скважина 25 пробурена так, что ею перебурен поглощающий интервал 16. В скважину 25 спущена водоподъемная колонна труб 26 с установленным на ее нижнем конце перфорированным отрезком трубы 27 с погружным насосом. Подключен электродвигатель погружного насоса в скважине с использованием электрического кабеля, соединенного на поверхности с электрокабелем вторым 24 от ВЭУ. Верхний конец водоподъемной колонны труб 26 посредством вентиля 30 и водопроводной линии 31 сообщен с источником воды 2.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 19 содержит опору, на которой установлено ветроколесо 20. Вращение ветроколеса 20 передается соединенному с ним электрогенератору ВЭУ 21, а выработанное электрическое напряжение по электрокабелю первому ВЭУ 22 передается на электропреобразователь ВЭУ 23. Электропреобразователь ВЭУ 23 предназначен для преобразования выработанной ВЭУ электроэнергии до требуемого качества.

Подъем воды по третьему варианту (фиг.3). Узел перекрывающего устройства переводится в закрытое положение в последовательности, аналогичной с предыдущим случаем.

До поглощающего интервала 16 пробурена нагнетательная скважина 33. В ней установлены обсадные трубы с перфорированным участком в нижней ее части и обратным дистанционно управляемым клапаном 43, к которому по скважине подведен электрокабель. В верхней части нагнетательной скважины установлена устьевая герметизирующая головка 46. Устьевая герметизирующая головка 46 соединена посредством трубопровода и вентиля 49 с компрессором 32.

Электродвигатель компрессора 32 подключен посредством электрокабеля второго ВЭУ 24 к электропреобразователю 23, соединенному с ВЭУ.

Подъем воды по разным вариантам на фиг.6. Изображенная на фиг.6 буровая скважина 1, которой перебурены поглощающие интервалы 16, 17, 18, предусматривает водоподъем: с использованием добычной скважины 25 из первого поглощающего интервала 16; с использованием водоподъемных скважин 53 и 54 из второго 17 и третьего 18 поглощающих интервалов. Устройства подъема воды на фиг.6 с использованием вододобычной и водоподъемных скважин аналогичны приведенным выше на фиг.2 и фиг.3.

Работа СГАЭС

Турбинный режим. (Работа в этом режиме единообразна для всех вариантов водоподъема СГАЭС фиг.1, 2, 3, 5, 6). Работает СГАЭС следующим образом. Гидроагрегат посредством электрокоммутационного преобразовательного щита 11 отключен от цепи ВЭУ. Как правило, СГАЭС работает либо в турбинном, либо в водоподъемном режимах, которые по времени не совпадают.

Перфорированное кольцо 14 устанавливается в положении "открыто". При этом вода из поверхностного источника воды 2 (природного или искусственного происхождения) поступает в скважину 1, по скважине ниже скважинного гидроагрегата она движется к зоне стока 4 по направленно пробуренной скважине (искривление скважины может быть осуществлено на участке скважины ниже места установки скважинного гидроагрегата). Ввиду того, что скважинный гидроагрегат создает определенное гидросопротивление, уровень воды в скважине несколько повышается и при расходе поступающей в скважину воды Q₁, спустя переходный период, устанавливается на определенном значении, равном Н_д. На интервале от Н_д до зоны стока устанавливается поток с расходом Q₁, в котором в любом сечении наблюдается его сплошность. Поток воды вращает ротор гидромашины 5 (гидромашина 5 работает в режиме гидротурбины). Вращение от ротора гидромашины 5 передается соединенному с ним якорю электромашины 6 (электромашина работает в режиме электрогенератора). Рычажный 7 фиксатор препятствует перемещению соединенных гидромашины-электромашины (гидротурбины-электрогенератора - скважинного гидроагрегата) вниз под действием его веса и потока воды, а также (благодаря силам трения о стенки скважины) воспринимает реактивный крутящий момент, возникающий при вращении ротора гидротурбины и якоря электрогенератора под действием потока воды, и передает его на стенки скважины. Электрогенератор является маслонаполненным и герметичным. Электромашиной 6 (в виде электрогенератора) вырабатывается напряжение электрического тока, которое по электрической линии связи 9 из скважины передается на дневную поверхность, в частности на электрокоммутационный преобразовательный щит 11. СГАЭС снабжена регулятором частоты и амплитуды вырабатываемого напряжения - формирователем электрического напряжения требуемого качества. От щита напряжение нормированного качества подается на преобразование и отпуск потребителям.

Гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из следующего выражения (Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. М., Энергоатомиздат, 1985 г.):

N_r=P_н·Q₁,

где N_r - гидравлическая мощность, развиваемая гидротурбиной, кВт;

Р_н - давление воды, воспринимаемое гидротурбиной, Па;

Q₁ - расход воды через гидротурбину, м³/с.

Отработав, скважинный поток воды 4 после гидроагрегата движется к зоне стока - поглощающий интервал, в котором она аккумулируется.

При работе СГАЭС в турбинном режиме напряжение от электропреобразователя ВЭУ 23, как правило, не подается на электрокоммутационный преобразовательный щит 11 (фиг.1; 6) и электродвигатели приводов погружного насоса в перфорированном отрезке трубы 27 (фиг.2; 6) и компрессора 32 (фиг.3; 6).

Подъем воды по первому варианту (фиг.1). В режиме подъема воды по первому варианту узел скважинного перекрывающего устройства находится в открытом положении (фиг.4). Перфорированное кольцо 14 поворачивается в положение «закрыто», при котором вода из источника воды 2 не поступает в скважину 1. Вырабатываемое ВЭУ 19 электрическое напряжение с электропреобразователя ВЭУ 23 подается на электромашину 6 скважинного гидроагрегата (обратимой машины), выполненного в виде электродвигателя. Вращение якоря электромашины передается ротору гидротурбины, которая выполнена в виде центробежного насоса и работая как насос подает воду из скважины на дневную поверхность, в источник воды 2. Поскольку скважина 1 сообщена с поглощающим интервалом 16, вода из него перекачивается в ее источник 2. Контролируется расход и количество перекаченной воды по показаниям расходомера-счетчика количества воды, который на фиг.1 не показан ввиду высокой плотности графического материала. После того как весь прогнозируемый объем воды из поглощающего интервала 16 перекачен в источник воды 2, обратимая гидромашина (электромашина-гидромашина 6-5) отключается от цепи электропитания ВЭУ. После этого СГАЭС готова к очередному циклу ее работы в турбинном режиме.

Подъем воды по второму варианту (фиг.2). В режиме водоподъема по второму варианту (фиг.2) перекрывающее кольцо 14 поворачивается в положение «закрыто», при котором вода из источника воды 2 не поступает в скважину 1, а узел скважинного перекрывающего устройства находится в закрытом положении (фиг.5).

Вырабатываемое ВЭУ 19 электрическое напряжение с электропреобразователя ВЭУ 23 подается по электрокабелю второму ВЭУ 24 и электрокабелю кабелю в скважине на электродвигатель погружного насоса в перфорированном отрезке трубы 27. При подаче напряжения на погружной насос в перфорированном отрезке трубы 27 последний подает воду с забоя добычной скважины 25 на дневную поверхность и далее через вентиль 30 по трубопроводу 31 в источник воды 2. Контролируется расход и количество перекаченной воды по показаниям расходомера-счетчика количества воды, который на фиг.2 не показан ввиду высокой плотности графического материала. После того как весь прогнозируемый объем воды из поглощающего интервала 16 перекачен в источник воды 2, погружной насос в перфорированном отрезке трубы 27 отключается от цепи электропитания ВЭУ. После этого СГАЭС готова к очередному циклу ее работы в турбинном режиме.

Подъем воды по третьему варианту (фиг.3). В режиме водоподъема по третьему варианту (фиг.3) перекрывающее перфорированное кольцо с отверстиями 14 поворачивается в положение «закрыто», при котором вода из источника воды 2 не поступает в скважину 1, а узел скважинного перекрывающего устройства находится в закрытом положении (фиг.5).

Вырабатываемое ВЭУ 19 электрическое напряжение с электропреобразователя ВЭУ 23 подается по электрокабелю второму ВЭУ 24 на электродвигатель компрессора 32. Сжатый воздух от компрессора 32 через вентиль 49 подается в нагнетательную скважину 34 и по ее каналу сжатый воздух 37 поступает через обратный дистанционно управляемый клапан 43 и перфорированную часть нагнетательной скважины в поглощающем интервале 40 в обсадных трубах нагнетательной скважины 33 в поглощающий интервал 16 (верхнюю ее часть). По мере роста давления он (сжатый воздух) вытесняет воду из поглощающего интервала в водоподъемную скважину 52, которая поступает в нее через перфорационные отверстия перфорированной части водоподъемной скважины 58 и обратный дистанционно управляемый клапан 65. Далее вода поднимается на поверхность до устья скважины, а от него через вентиль 61 по линии к источнику воды (трубопроводу) 64 - в источник воды 2.

После того как весь прогнозируемый объем (контролируется по расходомеру-счетчику количества на устье скважины, который условно не показан) из поглощающего интервала 16 перекачен в источник воды 2, перекрывается вентиль 49 и двигатель компрессора 32 отключается от сети ВЭУ. После этого СГАЭС готова к очередному циклу ее работы в турбинном режиме.

Работа СГАЭС, в которой перебурены три поглощающих интервала 16, 17, 18, приведенная на фиг.6, предусматривает «отработку» каждого из поглощающих интервалов, аналогична рассмотренным выше режимам и вариантам работы.

Реализация СГАЭС позволяет достичь поставленный перед изобретением технический результат.

Она может использоваться как для маневренного регулирования электрической мощности в энергосистеме, а в условиях, когда нагрузка имеется только в летний период и потребитель расположен на территории с благоприятными ветроэнергетическими ресурсами в зимний период, заявляемая СГАЭС может являться нетрадиционным возобновляемым источником электрической энергии. Это могут быть расположенные в регионах с резко континентальным климатом рекреационные объекты, объекты ландшафтного туризма, популярные для посещения в летний период, объекты сезонных (летних) работ. Причем в этих местностях в зимнее время имеются достаточные ветроэнергетические ресурсы. Примером такого объекта могут быть заповедные, природные особоохраняемые места, прилегающие к озеру Байкал.

Работа заявляемой СГАЭС наиболее эффективна в местностях децентрализованного энергообеспечения, где имеются необходимые для ее работы условия.

Ее применение позволит снизить затраты на осуществление «северного завоза» органического топлива.

Ввиду того, что заявляемая СГАЭС базируется на экологически чистой технологии производства электрической энергии, а ее внешний вид не формирует впечатления промышленно-индустриального объекта с традиционными для них дымовыми трубами и сооружениями (отрицательно искажающих природные ландшафты местности), она с успехом может быть использована в районах размещения рекреационных объектов отдыха и лечения, ландшафтного туризма, а также в особоохраняемых природных территориях - заповедниках и заказниках.

Кроме того, заявляемая СГАЭС является более скрытной и неуязвимой в сравнении с традиционными энергоисточниками, предусматривающими сжигание топлива.

Относительно скрытности. В настоящее время обнаружение энергообъектов легко осуществляется с использованием инфракрасных, в том числе оптических систем. Предлагаемая СГАЭС (за исключением ВЭУ) не может быть обнаружена такими системами, так как тепловое излучение ее энергосиловых устройств, установленных глубоко под землей, экранируется слоем земных недр.

Относительно неуязвимости. Расположенная над энергоагрегатами СГАЭС (за исключением ВЭУ) в скважине земная масса велика, велика и мощность (по глубине) расположенных сверху пород, и разрывы снарядов на земной поверхности (при попытках ее уязвимости) не сказываются на ее работоспособном состоянии. Этим объясняется большая живучесть заявляемой СГАЭС, а также возможность двойного применения ее в гражданских технологиях и в военных целях, в том числе в военные периоды.

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения электроэнергии без сжигания для этого топлива, и является источником возобновляемой энергии (ВИЭ). Работа электростанции включает два процесса: выработки электроэнергии (ВЭ) и подъема воды (ПВ), не совпадающие по времени, причем ПВ осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетической установкой 19 (ВЭУ). ВЭ осуществляется гидроагрегатом, включающим гидромашину 5 в виде гидротурбины, соединенную с электромашиной 6 в виде электрогенератора, установленным в буровой скважине, в которой действует гидроэнергетический поток воды (ГЭП), гидравлическая мощность которого преобразуется гидроагрегатом в электрическую энергию и передается на дневную поверхность. ГЭП формируется потоком воды из вышележащего источника воды 2, сообщенного с буровой скважиной 1, а зоной ухода воды из скважины является сообщенная с ней зона стока, расположенная ниже источника воды. Зоной стока может быть подземный коллектор, пустотное образование, зона поглощения 16, 17 или 18 и др., объем ее ограничен. Гидротурбина, электрогенератор и электрическая линия связи 9 скважинного гидроагрегата с электрокоммутационным преобразовательным щитом 11 на дневной поверхности приспособлены для работы в скважинных условиях. ПВ предусматривает три варианта подъема воды из поглощающего интервала: скважинный гидроагрегат является обратимой гидромашиной, при этом гидромашина выполнена в виде центробежного насоса, а электромашина - в виде электродвигателя, а для подъема воды используется та же буровая скважина 1; для подъема воды используется специальная добычная скважина 25, которой перебурен поглощающий интервал и в которой установлена водоподъемная колонна труб 26 с перфорированным отрезком 27 с погружным насосом на ее нижнем конце; для подъема воды используются нагнетательные скважины 34 и 35, пробуренные до поглощающих интервалов 17 и 18, и водоподъемные скважины 53 и 54, которыми перебурены поглощающие интервалы 17 и 18. Достигаемый технический результат заключается в создании СГАЭС, обладающей широкими условиями применения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Скважинная гидроаккумулирующая электростанция, включающая источник воды, сообщающийся с ним водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенной ниже точки сообщения водовода с питательной емкостью, установленную в нижней части водовода гидромашину, кинематически соединенную с электромашиной, электрическую линию связи электромашины с электрокоммутационным преобразовательным щитом на дневной поверхности у устья скважины, водовод образован буровой скважиной, пробуренной до зоны стока, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина, или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, в ней гидромашина и электромашина агрегатированы и составляют скважинный гидроагрегат, выполненный с возможностью работать в турбинном режиме, при этом электромашина выполнена в виде электрогенератора, а гидромашина - в виде гидротурбины, или в насосном режиме, при этом электромашина выполнена в виде электродвигателя, а гидромашина - в виде центробежного насоса, скважинный гидроагрегат снабжен фиксатором, а зоной стока является, сообщенный с ней, поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, скважинный гидроагрегат установлен под динамический уровень, создающий напор, достаточный для выработки электроэнергии, источник электроэнергии, выполненный с возможностью его подключения для подъема воды из поглощающего интервала и подачи ее в источник воды, либо к электромашине скважинного гидроагрегата, работающего в насосном режиме, либо к электродвигателю погружного насоса, соединенного с нижним концом водоподъемной колонны труб, установленной в добычной скважине, которой перебурен поглощающий интервал и сообщенный с ней, либо к электродвигателю компрессора пневматического водоподъемника, содержащего источник сжатого воздуха - компрессор, нагнетательную скважину, пробуренную до поглощающего интервала и сообщающуюся с ним, а также с источником сжатого воздуха, водоподъемную скважину, пробуренную до поглощающего интервала и сообщающуюся в нижней части с ним, а в верхней своей части сообщающуюся с источником воды, при этом водоподъемная скважина сообщена с поглощающим интервалом ниже сообщения с ним нагнетательной скважины, а буровая, водоподъемная и добычная скважины соединены с источником воды, при этом пересечение буровой скважины с поглощающим интервалом оборудовано дистанционно управляемым перекрывающим устройством, а источником электроэнергии является ветровая энергетическая установка.

2. Скважинная гидроаккумулирующая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что буровой скважиной перебурены несколько не сообщающихся между собой поглощающих интервалов, скважинный гидроагрегат (гидроагрегаты) выполнен с возможностью его установки у кровли любого из поглощающих интервалов, либо у каждого из них одновременно.

3. Скважинная гидроаккумулирующая электростанция по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в воду, движущуюся и циркулирующую в ней, введена добавка, снижающая гидросопротивления, например сульфонол.