储能同轴深井换热器岩土热响应试验及换热性能分析

本文主要针对储能同轴深井换热器的换热性能问题,采用岩土热响应试验和数据分析方法进行了研究。在同轴深井换热器的基本结构和换热原理基础上,通过试验井的岩土热响应试验,获得了土壤初始平均温度和土壤热物性等实验数据,接着,文章进一步对换热器的换热能力进行了分析,包括释热工况、吸热工况以及换热能力分析。研究结果表明,本文提出的储能同轴深井换热器具有较高的换热性能,为今后同轴深井换热器的研究提供了有益的参考。

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。

基于高导热材料填充漏失构造的深井换热器性能分析

地热供暖可有效缓解北方雾霾天气。干热岩虽然储量丰富,但增强型地热技术由于开发费用较高,裂隙控制以及避免诱发地震的技术尚不成熟,现阶段还不能商业化应用。水热型地热开发技术虽较成熟,但受资源条件的限制,开发规模较小。对于大多地区,受地质构造和资源禀赋的控制,单井产水量较低或者回灌难,开发经济效益较差。深井换热器(DBHE)技术是开采地热水低产区或回灌难地区热能的有效方式,但受制于岩石导热系数低,单井输出功率小,投资回收期长。为提高DBHE的输出功率,本文提出了增强型深井换热器(EDBHE),通过主动将高导热性能的复合填充剂流进漏失构造的方式提高岩石的导热性能,通过调节回压、密度和黏度来控制漏失量。研究结果表明,单井EDBHE十个采暖季的平均取热功率为1002.34 kW,是DBHE(424.45 kW)的2.36倍。而双井EDBHE十个采暖季的平均取热功率更是达到了27501.61 kW,且热输出稳定,每年的衰减率0.95%。EDBHE技术有效利用了出水量低或回灌难的水热型热储,大幅提高了其出力,扩大了地热供暖的应用范围。

同轴套管式深井换热器的换热性能分析

同轴套管式深井换热器是一种开采地热能的有效方式,为了提高其换热器的换热性能,采用有限体积分析方法,开展了同轴套管式深井换热器传热性能研究。通过建立近地热源区域的同轴套管式深井换热器三维传热模型,分析了入口流速、入口温度以及保温管距井底距离等关键因素对换热器采热功率的影响,结果表明:入口流速由0.1 m/s增加到1 m/s,采出温度降低了9.82 K,采热功率增加了7倍;入口温度从288 K增加到308 K,采出温度增加了13.61 K,采热功率下降了17.2%;距井底900 mm距离降低到100 mm,采出温度增加1.91 K,采热功率增加了6.57%。

富水型热储层深井套管式换热器传热特性研究

基于所建立的深井套管式换热器井孔内、外非稳态传热模型,推导得到富水型热储层地下水渗流作用下深井换热器进(出)水管、固井水泥温度以及热储层过余温度的瞬态解析解。以示范工程现场监测数据与有限体积法数值计算结果为验证依据,探究热储层中渗流过程对于深井换热器传热特性的影响。计算得到,当深井换热器循环水量稳定在30 m^(3)/h时,热储层中达西流速由0提高到5×10^(-6)m/s时,平均换热量增大55 kW。然而在忽略热储层中渗流过程时,循环水量由30 m^(3)/h提高到60 m^(3)/h,平均换热量增大34 kW,循环水泵耗功提高20.6 kW。研究表明:随着渗流速度的增大,热储层中的传热机制发生改变,从而强化深井换热器的传热过程;同时降低了循环水流量对于深井换热器换热性能的影响程度。

中深层井下换热器联合热泵供暖系统性能提高技术途径分析

目前,我国地热资源出水量少、干孔以及回灌难,市场上缺乏有效的利用手段,深井换热器(DBHE)是利用该种资源的有效方式之一。针对出水量少、干孔以及回灌难的地热资源,为全面了解DBHE,本文通过试验和数学模拟的手段研究其性能,计算了其20年的运行情况,结果表明DBHE的取热性能年均衰减率低于0.5%。分析了岩石的温度分布和热阻,指出了岩石导热系数小是限制DBHE性能提高的主要因素。针对固井水泥、保温管、井身结构和系统运行,给出了优化设计方案和运行建议。同时,在开源方面,提出了采用填充高导热材料进入漏失构造的方案来提高地层的导热系数和输出热功率;在节流方面,充分利用废弃油气井改造为DBHE进行地热开发。

基于热流固耦合的单井增强地热系统数值模拟

为提高深井换热器的取热效率,借鉴干热岩的开发思路,本文提出了一种单井增强地热系统。对单井套管底部岩体进行小范围压裂改造,将单井套管由封闭式系统改为开式系统来提高单井系统的取热性能。建立了热-流-固耦合的三维非稳态数值模型,研究了单井增强地热系统的系统性能表现和各关键参数的影响。结果表明:与传统深井换热器相比,单井增强地热系统的取热性能有较大提升,相同注入工况下,生产温度和取热功率分别提高了62.21℃和2 612.99 kW;从地热工程周期和优化角度出发,单井增强地热系统流量控制在10 kg/s较为适宜,过小的单井增强地热系统流量导致取热效率较低,过大使得系统运行寿命较短;增大井筒封隔间距、减小内管导热系数是提高系统取热性能的有效方法。本文研究可为单井增强地热系统的理论分析和实际应用提供参考。

深井地埋管换热器配置参数模拟计算研究

针对深井地埋管换热系统运行原理,根据地埋管换热器热阻-热容优化模型,建立深井地埋管井孔内、外非稳态柱坐标传热模型。基于环渤海湾盆地埋深1000~2000 m热储层水文地质条件,采用双连续介质空间耦合有限元数值计算方法,分析深井地埋管典型配置参数取值对于地埋管换热性能的影响程度。研究结果表明:深井地埋管换热性能随着系统运行时间的推移出现衰减趋势,至供暖季末期(120.0 d)深井地埋管换热量下降20%左右;当深井地埋管循环水量由10增大到60 m^(3)/h时,深井地埋管平均换热量提高150.80 kW,同时循环水泵耗功率也相应提高26.00 kW;深井地埋管埋深由1600提高到2400 m时,平均换热量提高113%,耗功率提高50%;当进水套管直径由168提高到299 mm时,平均换热量提高10%,耗功率降低27%。

单井地热联合太阳能供暖系统性能模拟

为获得单井地热联合太阳能供暖系统的性能,本文建立了单井地热存取热以及太阳能集热器和热泵系统的数学模型,采用三对角矩阵算法对模型进行了求解。研究结果表明:单井地热的输出功率调节主要是由注入水温度和流量决定的;单井地热具有宽负荷调节能力,最小输出功率是最大值的72.61%,两者相差223.50 kW。利用地热的宽负荷调节能力可解决太阳能的不稳定性;太阳能集热器的功率和面积由地热的负荷调节能力决定。3 km深地热井,热泵平均输出功率720.81 kW,匹配的太阳能集热器功率约95.00 kW,集热器面积270 m^2;非供暖季的储热虽不能明显提高供暖时的取热功率,但可以缓解取热功率随时间的衰减。研究结果可为单井地热联合太阳能供暖系统的设计和运行提供指导。

单井增强型地热系统性能分析

为了解决深井换热器单井换热功率不高的问题,提出了一种单井增强型地热系统(single-well enhanced geothermal system,SEGS),SEGS通过在地热单井的钻孔周围建立人造热储来强化单井的换热能力。利用数值模拟的方式对SEGS进行了分析,研究了SEGS应用于建筑供暖的表现。结果表明:当换热流体采用由内管流入外管流出的流动方向布置形式时,SEGS的换热效果最好;此时单井单个供暖季平均换热功率为1603.6kW,是深井换热器的2.2倍。SEGS的换热功率随着人造热储半径的增大而增大,人造热储半径由50m提升至90m时,半径每增加10m带来的平均换热功率提升分别为102.7kW、67.0kW、43.8kW和29.2kW。单井换热功率随人造热储的厚度增加呈现先上升后略有下降的趋势,考虑到初投资问题建议热储厚度设计为400m。SEGS的换热功率随入口温度的降低以及入口流量的升高而增加。对于SEGS深度小于1500m的部分,需要考虑外管的保温。

地热单井连续和间歇供暖性能

目前国内的地热单井供暖(SWGH)工程实践遇到了单井换热量小和投资回收期长的问题.再加上SWGH的运行数据在公开场合没有报道,导致很多企业家不了解其性能,限制了SWGH的快速推广.本文建立了SWGH取热和热恢复过程的数学模型,分析了间歇和连续运行工况下取热温度和功率的变化以及岩石温度场的衰减和恢复.研究结果表明:连续供暖整个供暖季平均出口温度和取热功率分别为18.16℃和635.68 kW.出口温度和取热功率在前两周剧烈减小,两周后逐渐趋于稳定.由于岩石导热系数小、热阻大,连续取热导致岩石温度降低,越靠近井壁,岩石温降越大.非供暖季的热恢复是保障地热单井连续出力的有效手段.由于有热恢复时间,间歇供暖能部分克服岩石导热系数小的难题,大幅提高单井取热功率.间歇供暖的平均取热功率为920.21 kW,比连续供暖提高44.76%.由于总取热量小于连续供暖,间歇供暖工况下岩石温度场的衰减及恢复均好于连续供暖.3000 m的地热井,连续和间歇运行工况下的静态投资回收期分别为6.18和4.37年.因此,采用间歇供暖模式,将会促进SWGH的快速推广,可为我国北方雾霾的解决做出巨大的贡献.