关中地区中深层同轴套管换热器换热能力及提升措施研究

同轴套管换热器是实现中深层地热能井下高效取热技术之一,其换热能力对地热系统的可持续开发至关重要。以关中地区为例,考虑地层不均匀性建立中深层地热井同轴套管传热计算模型,研究注入温度、注入流量、埋管深度等因素对其取热性能的影响,探讨间歇开采工况下注入温度和注入流量对热储层温度恢复的影响。结果表明:随着注入流量增加,出口流体温度下降,但整个系统的取热功率提高;当注入温度较高时,可有效提高出口流体温度,但系统取热功率降幅较大;随着地层深度增加,出口流体温度和取热功率逐渐上升;减小内管管径,增加外管管径,可有效提高出口流体温度和取热功率;热储层温度恢复能力随注入流量和注入温度的升高而提高;通过降低内管导热系数或选用双内管结构可以降低内管流体沿程温度损失,提高系统的出口流体温度。

增强型同轴套管换热器热响应试验及换热对比分析

以3口120m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为研究对象,开展了现场热响应对比试验。结果表明,与原状土样的实验室测试值相比,单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高约7.3%和14.7%。增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片,其环状槽道会不同程度增加流程长度,因此在利用线热源模型进行数据处理时需要修正计算;修正后的测试岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。就单位井深换热量而言,大小顺序如下:增强型同轴套管>双U形地埋管>单U形地埋管。

中深层同轴套管换热器冬季取热性能数值模拟研究

基于能量守恒和热传导理论,建立了2000 m深度同轴套管换热器的地下取热换热模型,开展了数值模拟,并与实测结果进行了对比分析。获得了不同流量条件下同轴套管换热器的进出口温差、换热性能以及沿深度方向上水温变化规律。结果表明,模拟与试验结果吻合较好。在当前模拟条件下,同轴管套的稳态换热量变化范围为110~210 kW(55~105 W/m)。增大流量可以获得120 W/m甚至更高的延米换热量,但需要考虑水泵功耗对系统能效的影响。由于深层地温较高,地温恢复快,同轴套管换热器更适合于间歇运行,以便发挥其高效换热能力的优势。同轴套管换热器实际工程设计时,管间距离应不低于10 m为宜。

天津地区深层同轴套管换热器取热换热性能测试研究

在天津地区开展了2000 m深度同轴套管换热器的取热性能实验,获得了钻孔地温分布情况,测试了不同工况下同轴套管换热器的实际换热能力。结果表明,钻孔平均地温梯度为3.05℃/100 m,钻孔底部温度为72.7℃,属于典型的中低温地热资源类型。钻孔的最大换热量为276.8 kW,最大延米换热量为138.4 W/m。随着管内流量的增加,同轴套管的进出口温差呈降低趋势,而单位延米换热量呈增加趋势,但趋势逐渐变得平缓。在实际工程应用中,建议尽量避免“大流量+小温差”运行模式。

地下渗流场对中深层水平井同轴套管取热性能的影响

为提高中深层地热井取热效率,设计了一种水平井同轴套管换热器,考虑地下渗流场作用,研究了渗流速度、渗流方向、水平段长度等因素对水平井同轴套管换热器取热性能的影响。结果表明:水平井同轴套管换热器的出口温度和取热功率比传统垂直井同轴套管换热器提高了12.6%和42.9%;间歇开采工况下取热系统的出口温度降幅较小,且地层温度恢复更好;当含水层的渗流速度大于5×10^(-8)m/s时,系统出口温度高于无含水层,渗流速度过低不利于地热井取热;渗流方向垂直于水平段,对系统取热性能的提升效果强于与水平段同向工况;适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度,可有效提高地热井取热量。

雄安新区地热井同轴套管闭式循环取热技术研究

地热能是一种含量丰富、成本相对低廉且分布广泛的可再生能源.雄安新区地热储量丰富,亟需高效取热的技术.地热井同轴套管闭式循环取热技术是一种适用于中深层地热、兼具换热效率高和“取热不取水”等优点的新型地热开发模式.单井同轴套管闭式换热系统由钻入地热地层中的垂直井以及井筒中呈同轴位置关系的中心管组成.在此系统中,循环工质从地面通过高压泵被注入环空,通过热对流和热传导从井壁提取热量,然后通过中心管返回地面流经热交换器被利用.本文针对雄安新区地热储层,首先完成同轴套管保温结构、高导热水泥的设计与研发;然后根据设计结果,对地热储层最大产能、井下换热系统取热效率及关键参数的影响规律进行了数值模拟研究;最后在研究基础上,开展同轴套管闭式循环取热技术的现场试验,完成针对中低温地热资源的同轴套管闭式循环取热技术研究及分析,并基于现场情况对不同热储条件和保温结构进行了经济性分析.研究结果表明,地热井同轴套管闭式循环取热技术可以满足对中深层地热能的开发需求,设计的保温结构和高导热水泥对取热供热有积极作用,形成了包括井身结构设计、保温结构设计、井下高效取热装置开发等在内的地热井高效取热完整技术体系.

深部矿井煤炭−地热协同开采系统研究

在煤炭资源深部开采趋势下,矿井高温热害问题日益严重,引起矿井高温热害的热源实质为可持续利用的地热能,在进行煤炭开采的同时将深部矿井地热能提取并进行资源化利用,是建设绿色矿山、降低矿井碳排放的创新途径。总结了国内外深部矿产和地热能共采现状,从工艺流程和关键设备方面分析了煤炭−地热协同开采的可行性,最终提出一种煤炭−地热协同开采系统。该系统总体采用闭式循环,包括地面热能利用系统和井下取热系统,通过在预采煤层水平钻孔并布置同轴套管换热器提取煤层地热能,并由地面热泵机组将从井下开采的低品位地热能进行利用。秉承“先采热、后回采”的时间和空间协同原则,预先在回采工作面前向划分采热工作面,提出顺序采热、交替采热2种模式,确保采热过程对采煤过程无干扰。分析了空间协同设计、煤层钻孔、高效采热和智能监控调控等关键技术,对煤炭开采和地热能提取进行井下空间协同设计,提出基于煤层注水的同轴套管换热器布置工艺,使用快捷装配式同轴套管换热器可进行多种组合实现高效采热,构建智能监控调控平台并提出相关优化模型,构建取热量计算模型,提出智能控制采热方式。简化煤系地层传热过程,构建煤层采热传热模型,可根据回采工作面实际情况和出口风流参数对回采工作面采热能力进行计算评估。根据煤层采热传热模型,分析得出煤层初始温度、煤炭运输量、回采工作面出口风流温度、风流含湿量变化量是决定煤层采热量的关键参数。定义回采工作面风流含湿量不变且回采工作面出口风流等效温度不高于28℃时的采热量为煤层最大采热量。系统的应用将会使深部矿井热害资源化,不仅解决了煤炭开采热害问题,而且实现了深部矿井地热能综合利用。

黄土塬区中深层无干扰地热能技术应用研究

本文通过黄土塬区某学校中深层无干扰地热能供暖项目的测试数据,分析了该技术在黄土塬地质环境的应用特点及前景。项目供暖面积28 513 m^(2),配置2孔2 520 m深的同轴套管换热井,实测孔底温度76.1℃。其中黄土层0~210 m地温梯度为5.22℃/hm,说明黄土层可能具有较好的控热作用。实测单井换热功率为271.62 kW,与计算结果基本一致。耗电成本为2.28元/m^(2)·月,全系统COP为4.45,每个采暖期可减少CO_(2)排放785.22 t。中深层无干扰地热能技术在黄土塬区建筑碳减排中具有较好的应用前景。

中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能分析

为了探讨不同因素对中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能的影响,采用了一种中深层同轴套管式地埋管换热器数值模型,利用交替方向隐式法和追赶法,并结合邯郸地区现场测试数据,对该模型进行了求解.分析了环腔流体流速、管径比、内管导热系数、回填材料导热系数、岩土导热系数及井孔深度对套管换热器换热量及出口水温的影响规律.结果表明,增加环腔流体流速、减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高换热量;减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高出口水温.因此,在实际工程中,应选择高热阻的管材作为内管、选择导热系数较大的回填材料、岩土导热系数较大的地区有利于地热能开发、选择管径之比较小的套管、环腔流体流速的大小在允许范围内宜取大、较深井孔宜作为地热开采井,同时要综合考虑换热量、循环水泵功耗、钻井成本和实际负荷需求及热泵机组性能匹配.