增强型地热系统在碳酸盐岩型深层地热能开发利用中的应用进展

地热能是一种储量大、分布范围广、清洁环保的可再生能源,其中深层干热岩地热能最具开发潜力。增强型地热系统是开发深层干热岩地热能的有效手段,在碳酸盐岩热储区已广泛应用,取得了良好的经济社会效益。系统总结了国内外增强型地热系统在碳酸盐岩型地热开发中的进展和经验,分析了国内发展现状,认为加强基础理论研究、核心技术攻关和工程示范,尽快形成具有中国特色的深部地热能开采方案,是今后工作的重点方向之一。

中深层地热供暖系统的设计应用

中深层地热能是一种稳定可再生的清洁能源,应用于城镇供热中,可替代煤、天然气等化石能源的消耗,减少二氧化碳等温室气体的排放,实现很好的经济和环境效益。天津市拥有良好的中深层地热资源,在实际的地热能开发利用中也积累了较多的经验和方法。本项目以深层地热能系统热源替代传统市政热源,在深层地热供热站建站规模、地热系统设计和整装式机房应用等方面进行了优化设计,降低了项目建设投资和运行成本,实现了较好的经济和环境效益。

PV/T耦合中深层地源热泵供暖系统运行特性研究

为解决中深层地源热泵系统(GSHP)地温衰减的问题,以邯郸市某民用节能建筑为研究对象,基于TRNSYS建立一种PV/T耦合中深层地源热泵系统(PV/T-GSHP),并与GSHP系统对比,模拟分析运行20 a PV/T-GSHP系统运行特性。探究PV/T组件的相关参数对土壤平均温度的影响。最后,将PV/T-GSHP系统与其他系统进行能耗对比。研究结果表明:与GSHP系统相比,PV/T-GSHP系统机组COP从6.44提高到6.81,但由于增加了泵功,系统COP降到2.38,但考虑发电量,平均每年可获得10015.831元收益;相似结构建筑PV/T组件屋顶铺设占比越大,集热泵流量越小,土壤平均温升越快;不考虑发电量时,PV/T-GSHP系统比燃气锅炉系统能耗高8.46%,与燃煤锅炉和电锅炉系统相比,分别可节约11.04%和48.55%的能耗;综合发电量时,20 a实际获得的发电量收益折合成燃煤量为210.05 t。

储热对中深层套管式地埋管供热系统能效提升的影响

针对中深层套管式地埋管供热系统长期运行存在地下岩土冷堆积、系统取热能力下降等问题,文章建立了中深层套管式地埋管换热器传热数值模型,基于有限差分法对控制方程进行离散,采用实验数据验证模型的准确性。分别研究了储热水温以及储热水质量流量对次年供暖季地埋管取热功率、系统能耗和系统能效的影响。研究结果表明:储热首先应确定储热水温的阈值,进口水温低于阈值将无法实现向岩土储热,该研究工况下的储热水温阈值为50℃,运行500 h后,当进口水温从50℃增加到80℃时,取热功率、系统能耗、能效分别提高54.41 kW,8.96 kW,0.17;当储热水质量流量从1 kg/s提高到7 kg/s时,取热功率、系统能耗、能效分别提高7.71%,6.34%,1.19%。因此,建议采用小流量高水温进行储热,能够提高储热效果并减少能耗。该研究为中深层地源热泵系统储热提供理论基础。

中深层地埋管地热供热系统长期取热性能评价与经济性分析

使用开源数值模拟软件OpenGeoSys建立了中深层地埋管换热器三维数值模型,探究了不同钻井深度下的中深层地埋管换热器长期取热性能并进行了系统经济性分析。结果表明:随着中深层套管式地埋管换热器钻井深度的增加,其取热能力明显提升,但与此同时初投资与运行成本也将增加;综合考虑系统初投资及耦合热泵和循环水泵运行成本,在给定参数条件下,钻井深度为2600 m的中深层地埋管地热供热系统具有最低的平均能源成本,系统投资回收期为10 a左右。

西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。

分阶段变流量调节策略在农村中深层地热供暖系统中的应用

我国北方农村供暖方式较为原始,会对环境造成严重破坏,而农村地区拥有丰富的可再生能源,因地制宜地应用可再生能源对农村供暖具有重要意义。中深层地热供暖作为一种清洁能源的供暖方式,其系统耗电量较大,运行成本较高,在农村地区的应用案例较少。为此依托河北雄县某农村地热站集中供暖工程,通过对供暖季实测数据的分析,发现因农村建筑围护结构热工性能较差,单位建筑面积耗能量较高为0.53 GJ/(m^(2)·a);该项目通过管理人员的经验来调节系统运行模式,分析运行数据发现用户侧水泵流量超出设计值的时间段并非十分严寒,说明用户侧水泵以人工经验调节有所不当,导致系统耗电量较大;通过分阶段变流量热量调节策略对系统运行模式进行优化后,单位供暖面积水泵耗电量指标由6.5 kW·h/m^(2)降低到4.9 kW·h/m^(2),可节约25%的运行耗电量;在农村地区实行地热供暖将大大减少污染物排放,对改善农村环境起到重要作用。

中深层地热毛细管辐射的空调系统研究与设计

在建筑节能问题的研究中,中深层地热地源热泵+毛细管辐射的空调系统以其优异的舒适性、节能性、创新性以及环保性能,逐渐成为现代建筑学研究中新的亮点。文章以陕西咸阳地区某创新中心项目的中深层地热毛细管辐射的空调系统为例,对该空调系统的工作原理、形式、设计要点进行了阐述。

裂隙分布及井间距对增强型地热系统采热性能的影响

中高温岩热型储层开采属于增强型地热系统,开采方式主要通过回注井、生产井、裂隙储层来实现,井间距的布设和裂隙参数将直接影响到流体的流动路径,进而影响着回灌量和换热效率,由此我们考虑通过对裂隙参数与井间距的组合变化对采热性能影响的研究,优选出对生产最有利的裂隙分布与井间距组合参数,为人工造储提供裂隙网络目标,为布井设计提供井间距参考.本次研究采用TOUGH2软件在建立水热力多场耦合模型的基础上,在储层设置了16组不同的裂隙参数组合,进行了48组试验模拟,分析了200 m、300 m、500 m井间距条件下运行30年不同裂隙参数组合对采热性能的影响,结果显示储层和采热温度受井间距影响较大,储层压力受裂隙参数影响较大.不同裂隙参数组合条件下,200 m井间距开采30年生产井温度由初始的81℃下降到47℃左右,300 m井间距开采30年生产井温度下降到55℃左右,500 m井间距开采30年生产井温度下降到67℃左右.不同裂隙参数条件下储层压力相差较大,最大由初始的24 MPa上升到98 MPa,最小上升到28 MPa.根据模拟结果我们得到80 m厚储层最佳压裂开采参数组合为井间距500 m、裂隙开度0.8e^(-4)~0.9e^(-4)m、裂隙条数在10~15条之间、裂隙间距10 m时为最佳开采方案.该研究结果可应用于增强型地热系统(EGS-Enhanced Geothermal Systems)开发中,为高效压裂开采中高温低渗储层提供指导,提高采热效率的同时延长系统使用寿命.

增强型地热系统(EGS)

干热岩(HDR),也称增强型地热系统(EGS),或称工程型地热系统,是一般温度大于200℃,埋深数千米,内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。这种岩体的成分可以变化很大,绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩,但也可以是中新生代的变质岩,甚至是厚度巨大的块状沉积岩。干热岩主要被用来提取其内部的热量,因此其主要的工业指标是岩体内部的温度。

利用中深层地热实施城镇集中供热系统探讨

简要阐述了我国在使用中深层地热实施城镇集中供热系统的方式和设计原理,并通过对工程实例的探讨,分析了利用地热水供热的经济性和节能减排的效益。

中深层深井换热器实验测试及传热特性模拟研究

中深层地热能现已成为地热能开发利用的重点内容。文章基于实验测试,得到初始土壤温度分布及深井换热器进、出口温度变化情况,分析了中深层地热热泵供暖系统的供热特性。开发了一种二维深井换热器传热模型,考虑了实测地温梯度以及井底流动与传热过程,具有较高的计算精度。依据模型研究了内管管长,循环流量及管内流向对深井换热器传热特性的影响。结果表明:深井换热器内管管长由1890 m增至1950 m时,其取热能力增加2%~7%;循环流量为11.25~56.25 m^(3)/h时,深井换热器取热量随循环流量的增加先升高再降低,同深度处内管与环腔流体温差随循环流量的升高而降低,流体随埋深的温度变化率随循环流量的升高而降低;深井换热器环腔进水内管出水比内管进水环腔出水时取热性能更优但其热短路现象更为严重。

关于开发利用中深层地热取热不取水技术的思考

本次研究主要以中深层地埋管换热系统、异井抽灌换热系统和同井抽灌换热系统为基础,提出中深层地埋管“d”型井换热系统、异井抽灌换热系统双层热储开发模式和同井抽灌换热系统双层热储开发模式,并对三种换热系统的经济可行性进行对比分析。结果表明:异井抽灌系统经济性最好,同井抽灌系统次之,中深层地埋管换热系统最差;取热不取水系统不同于抽采取热系统,其不但会降低地层温度,存在井距、开采强度及冷堆积问题,而且在径流条件好的地区还可能存在冷迁移问题;为降低系统全寿命周期成本、提高系统能效和系统可持续性,可考虑系统分层取热模式。

世界地热发电开发新动向

近年来世界地热发电发展迅速,全球地热发电装机容量从2000年的8594MW,增加到2014年的12594MW。亚太地区与北美地区地热发电装机容量居主导地位,分别为4.5GW和3.4GW。美洲地热发电市场以美国、墨西哥和尼加拉瓜为主。亚太地区的地热发电市场主要有印尼、日本、菲律宾和新西兰。美国拥有全球最多的地热资源,估计地热储量约为30000MW,地热能开发规模最大,地热发电居世界第一。北欧冰岛是全球地热开发的楷模,约1/3的电力来自地热发电,地热在一次能源中占54%。菲律宾是发达的地热发电国家,地热发电量仅次于美国,约占国内总发电量的20%。印尼的活火山数和地热潜能居世界第二位。2014年印尼地热发电装机容量居世界第三。目前地热发电量占印尼全国总用量的3%,印尼的地热储量约为29000MW,占全球总量的40%。肯尼亚地热发电开发以惊人的速度向前推进,2014年装机容量达到590MW,肯尼亚的地热发电量占总用电量的49%。地热发电仍以普通型干蒸汽方式与闪蒸方式为主。最近10年利用中-低温地热能的双工质方式发电发展较快。美国不少地热发电企业采用双工质发电方式。近10年来,美国科学家倡导研发了增强型地热系统技术。美国第一个商业增强型地热系统（EGS）项目已成功并网供电。据估计,EGS将使美国100~500GW的潜在地热资源获得利用。

寒冷地区分布式清洁供暖技术研究进展

分布式清洁能源已应用于北方寒冷地区供暖中,本文分析了我国北方现有分布式清洁供暖技术的优劣,包括太阳能供暖、空气源热泵、污水源热泵、土壤源热泵、中深层无干扰地热和天然气供暖等,并对其在清洁供暖中存在的共性问题进行分析,探讨解决路径。研究发现:太阳能供暖多作为常规采暖的辅助热源;准双级压缩可解决空气源热泵室外机结霜问题;地源热泵可为唯一供暖热源方式,应用受周围可提供热源的限制;天然气供暖热保证率好,造价高。受国家鼓励机制影响,多能互补、系统集成将是今后清洁供暖领域发展的热点。

地源热泵技术与深部地热供暖对比分析

目前河南省地热资源开发利用主要集中在中深层地热资源方面,开采方式以凿井取热为主,开采深度,大部分在800~1800m。详细介绍了土壤热泵技术、浅层地下水源热泵技术和中深层地下热水供暖技术,并结合工程实例进行了说明。通过调查统计与分析对比,认为浅层地热资源更具开发利用潜力。

干热岩热能的热管开采方案及其技术可行性研究

常规增强型地热系统(EGS)通过流体工质在裂隙热储中的循环流动来开采岩石中的热能,需要消耗大量的泵功,存在工质流失、管道腐蚀结垢等问题,而且常常由于裂隙网络的井下连通性不够造成EGS建设的失败。为避免这些问题,本文首次提出采用热管来提取干热岩热能的技术方案。为强化热管蒸发段与周围岩石的传热,特别提出在目标热储内充填CO_2流体工质、借助其自然对流强化干热岩热能开采,进一步通过数值仿真及理论分析探讨该方案的技术可行性。数值模型考虑了超临界CO_2的变物性,研究了其在目标热储内的自然对流对热管采热的影响,模拟并比较了在不同条件下热管的采热速率。结果表明,调低热管的采热温度可以显著提高热管采热速率,并且当热储渗透率大于1×10^(-9)m^2时CO_2的自然对流作用会明显提升热管采热速率。本文还比较了热管加热段水平布置与竖直热管的性能差异,发现前者可以提高1.5~2.3倍的采热速率。另外,对该系统中水工质重力热管的携带极限以及管内蒸汽流阻进行了分析探讨。

全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3~10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2%、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用“一井一策”的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.

可可盖煤矿多能互补“地热+”零排放研究

因项目建设环境发生重大变化,供暖方案需要重新设计。在国家能源加速向低碳、零碳方向演进的趋势下,可可盖煤矿超前谋划,结合煤矿资源特点,公司投资2.5亿元,构造以可再生能源为主的“地热+”多能互补能源系统,着力打造全国首个绿色循环“无烟”示范矿区,全面助力“双碳”目标的实现,有效推动可可盖煤矿的高质量、可持续发展。