增强型地热系统热开采性能的数值模拟分析

增强型地热系统(EGS)作为一种极富发展潜力的可再生清洁能源利用技术,正逐渐成为世界各国新能源发展的重点关注方向之一。EGS地下采热过程直接影响EGS的产能和寿命。文章使用一套自主开发的三维动态数值模型对不同地质条件下双井EGS的长期热开采运行进行了模拟,额外引入平均产热速率和地热开采率作为采热性能评价指标,结合EGS运行寿命和产热速率综合分析了热储渗透率、循环流体流量和周围热储岩石的热补偿对采热的影响及其作用机理。     

增强型地热系统热开采过程的数值模拟研究

增强型地热系统（EGS）是指采用人工方法在地下3 ~ 10 km内的干热岩体中形成储层、通过灌输采热流体以开采出干热岩中热能用于地面发电的地热利用系统,是一种极富潜力的可再生清洁能源利用技术。循环流体在地下热储中的流动与换热对EGS的采热性能有重要影响。本文首先对EGS数值模型进行了综合评述,然后基于一套自主开发的三维瞬态数值模型模拟了不同渗流条件下EGS地下热储内的热流过程。通过对模拟结果的分析,揭示了均匀压裂的人工热储中流体短路的形成机理,并通过对比双井和三井系统中流场和局部地热开采率分布,结合当前钻井工艺和裂隙激发技术水平,探讨了抑制流体短路、优化EGS采热性能的可能方案。     

增强型地热系统垂直裂隙热储热开采过程数值模拟

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)作为开采深层地热资源最为有效的方法已经成为国际研究热点。充分探究EGS运行时热储内热量的开采过程对评估EGS性能及今后EGS商业开采过程中工程优化控制有着重要意义。文章建立了平行相间的垂直裂隙系统EGS开采模型,运用FLUENT软件对多平行垂直裂隙情形下增强型地热系统热储热开采过程进行了数值模拟。同时,通过改变对热储热开采过程有影响的裂隙宽度和水流速度两个参数,对比研究了其对热储热开采过程的影响。研究结果显示,裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程影响较大,且影响效应几乎一致。当裂隙宽度为1 mm、裂隙水流速度为1 cm/s时,开采20 a时间内无论是裂隙宽度扩大1倍还是水流速度提高1倍,对热储内经济可用热能的开采率提升均超过25%,对热储内热能开采速率提升达到252%。     

基于超临界CO2循环的地热与太阳能混合系统研究

超临界CO₂循环可以耦合较低温度的地热和较高温度的太阳能热组成混合热源发电系统。相比能量分析方法,火用分析方法更便于分析混合系统对提高能量利用率的作用,以及识别造成可用能损失的设备和过程。115℃地热和200℃地热分别与采用槽式聚光集热技术的太阳能热组成混合热源,构成简单回热超临界CO₂循环。分析结果表明：混合系统的火用效率比单纯太阳能热的循环系统提高了5% ~ 10%;太阳能聚光集热器的?损失最大,占80%以上,其次是除预冷器以外的各类换热器以及透平;相比之下,压缩机和预冷器的火用损失较小。减少?损失的关键是提高太阳能聚光集热器和换热器的性能,包括提高集热管运行温度,以及提高换热器效能。     

注入温度对增强型地热系统性能的影响研究

基于考虑增强型地热系统(EGS)流体损失的三维传热传质数值模型,将热提取速率定义为与注入温度无关的函数,对比分析注入温度对以CO2为工质的EGS(CO2-EGS)和以水为工质的EGS(H2O-EGS)的性能的影响.结果发现:对于CO2-EGS,较高的注入温度抑制热开采和CO2损失(即CO2封存);对于H2O-EGS,较...     

增强型地热系统数值模拟研究进展

作为地热领域最有潜力的发展方向之一,增强型(或工程型)地热系统(EGS)的研究受到发达国家的高度重视,但在我国还处于萌芽状态。通过介绍EGS含义及发展,结合EGS数值模拟软件应具备的特点,对目前已经用于和可以用于EGS数值模拟的HDR和水热型地热系统中的典型求解器进行综述,总结其优缺点,讨论目前EGS数值模拟面临的挑战。     

燃气-超临界CO2联合循环发电系统

  [目的]  燃气轮机排气温度高,可增加底循环,利用排气的余热发电,从而提高燃料总的能量利用率。鉴于超临界CO₂循环热效率高,并且具有系统简单、结构紧凑、运行灵活等潜在优势,可与燃气轮机组成新型的燃气-超临界CO₂联合循环。  [方法]  为了充分利用燃气轮机排气余热,提出在简单回热超临界CO₂循环的基础上,再嵌套一个简单回热循环的布置方式,并以PG9351(FA)型燃气轮机为例,对其热效率进行了计算分析。同时,在系统中增加余热利用装置,可将剩余热量用于供热、转换为冷量或发电。  [结果]  结果表明:对于选定的燃气轮机,超临界CO₂循环最高温度可达约600 ℃,循环发电效率约32%,获得余热温度为170 ℃以上,余热热量占燃气轮机排气热量9%,联合循环发电效率约54%。  [结论]  燃气-超临界CO₂联合循环发电系统具有较高的热效率,并且保留部分较高品位的余热,可进一步用于电厂运行。     

增强型地热系统水力压裂与双井连通实验仿真研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）作为未来新能源和清洁能源利用的一个重要方向,受到了世界各国的广泛关注。一直以来,野外试验场的工程实践和数值模拟分析是进行EGS研究的两种主要方式。本文通过实验室规模的小型试验系统,对EGS的水力压裂、裂隙监测、生产井定位和注水测试进行了仿真,成功实现了注入井−热储层−生产井的水力连通,分别以定井口压力和定注水流量进行水力测试。试验结果表明,热储层的裂隙开度会随着水力特性而发生变化,注水压力较大时热储层的裂隙具有更大的开度和渗流能力。从提升热储层经济性的角度考虑,实践中应当在较大注水压力时对热储裂隙结构进行加固处理。     

增强型地热系统中溶解二氧化碳对热储层溶蚀作用的实验研究

增强型地热系统(EGS)是通过人工形成热储层的方式从深部低渗干热岩体中经济地开采地热能的人工地热系统。为了增强热储层的孔隙度和渗透率,需要对热储层的人工裂隙实施化学刺激,增加深部岩体中地热能的采收率。文章针对松辽盆地地热储层岩石对CO_2的反应进行了实验研究,分别对目标储层的流纹岩和花岗岩进行了高温高压水-岩-气研究,结果表明,在溶解CO_2的作用下,石英、钾长石、钠长石和方解石均出现了溶蚀现象,其中方解石的溶蚀最为强烈。实验中发生了石英、伊利石和含"C"新矿物的沉淀反应。     

增强型地热系统中液-岩化学作用数值模拟研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）利用深层岩石中连通的裂隙网络进行流体工质循环,从而实现地热能的持续开采。EGS运行时循环流体工质会与深层岩石产生化学反应,引起岩石中矿物的溶解/沉积,使热储中的裂隙网络形貌产生动态变化,对地下流动与传热过程造成影响。本文分析了EGS中液–岩化学作用特点,详细阐述了在多孔介质热流动模型中耦合入液–岩化学反应的方法,基于已开发成功的EGS传热传质数值模型初步建立了传热–流动–化学（Thermal-Hydraulic-Chemical, THC）多场耦合数值模型,并使用该模型对五井布局EGS的长期运行过程进行了模拟分析,模拟时仅考虑方解石在水流体中溶解和沉积。模拟结果显示,循环流体的注入温度以及注入流体中的矿物离子浓度的设定十分重要。如果二者没有达到较为合适的“平衡”,就会导致注入井附近渗透率和孔隙率的持续变化,对EGS的导流能力造成极大影响。     

小型CO_2热泵系统用气体冷却器仿真研究

CO_2气体冷却器的结构和换热效果对CO_2跨临界循环影响较大.为设计出高效的气体冷却器,有必要对其性能进行模拟和优化.采用有限单元法建立了小型CO_2热泵热水器中气体冷却器稳态分布参数模型,分别对其CO_2侧和水侧的流动与换热进行了数值仿真,运用该模型分别针对CO_2侧进口压力对气体冷却器设计管长和CO_2换热性能的影响进行了分析.结果表明,CO_2侧进口压力在8~12 MPa时,从8 MPa开始每递增1 MPa,换热系数峰值比压力增加1 MPa前的依次递减约57.14%、33.33%、25.00%、9.83%,设计管长比压力增加1 MPa前的依次递减约55.60%、18.75%、11.33%、9.09%.综合考虑管道耗材与CO_2换热能力,针对小型CO_2热泵系统,气体冷却器CO_2侧进口压力取8.5~10 MPa较合理.研究可为气体冷却器设计提供理论指导.     

超临界CO2发电系统循环参数优化设计方法

基于超临界二氧化碳简单循环发电系统热力学模型,对在多工艺参数综合影响下循环效率的变化规律进行研究。结果表明：当系统最高压力低于临界值时,循环效率随入口压力的增加而降低,随入口温度的增加先增加后降低;当系统最高压力大于临界值时,循环效率随入口压力的增加先增加后降低,随入口温度的增加而降低。通过分析循环效率随压缩机入口参数变化规律发生转变的原因,提出循环最高压力临界值的计算方法,提出并验证一种超临界二氧化碳简单循环参数优化设计方法,可显著提高循环参数寻优效率。     

地下热流固耦合对EGS热开采的影响

人工热储的孔隙率及渗透率在增强型地热系统（EGS）地下热开采过程中受温度（T）、水力（H）、应力（M）的综合影响。本文建立了EGS热开采过程THM耦合的三维计算模型,并采用局部非热平衡假设处理液岩对流换热。对一理想的五口井EGS系统采热过程进行了THM模拟计算,分析了岩石温度、孔隙压力对岩石应力场的作用机理,进一步研究了应力场对EGS采热性能的影响。结果表明,开采过程中岩石应力场为热储内孔隙压力和温差综合作用的结果,由孔隙压力造成的岩石应力为压应力,仅集中于注入井附近,由岩石温度变化引起的热应力为拉应力,随着热开采区域的扩展而扩展。液−岩温差是触发工质与岩石热交换的动因,同时也是产生热应力的根本。     

利用水合物法分离捕集二氧化碳研究进展

我国是以煤炭为主要能源的国家,面临着严峻的碳减排挑战。相对于传统气体分离技术,水合物法CO₂分离捕集技术具有环境友好、工艺简单、能耗低等特点,被认为是具有应用前景的CO₂分离捕集技术,因而被广泛研究。综合调研了国内外水合物法分离捕集CO₂的研究,从热力学、动力学、微观分析、分离工艺及分离装备、成本比较等方面对相关研究进行了系统分析及综合评价,并详细讨论了水合物平衡条件和不同类型添加剂对水合物平衡条件的影响。为进一步开发水合物法CO₂分离捕集技术的研究提供指导。     

二氧化碳-氮气混合气体在微粉硅胶中生成水合物的 实验研究

空气中CO₂含量的增加导致了全球气候变暖问题。气体水合物能够有效分离出电厂尾气中的CO₂,对改善环境具有重要意义。考察了微粉硅胶（silica gel）中80mol% N₂与20mol% CO₂混合气体水合物形成特性,选取压力范围为6.0 ~ 8.0 MPa,温度范围为 -20 ~ -5℃。研究发现,N₂与CO₂混合气进入反应釜后,直接生成水合物,诱导时间小于1 min。压力越高、温度越低,生成水合物的相对气体消耗量越大,最大的相对气体消耗量为0.115 (mol/mol),水的转化率最大为77.02mol%,前30 min水合物生成速率与压力无关。水合物气体消耗量越大,反应釜中剩余N₂组分的含量越大,最大为90.95mol%。水合物生成驱动力越低,水合物中CO₂ 组分越高。在6.0 MPa、-5℃下,水合物中CO₂组分最大为65.70mol%。     

Enhanced performance of supercritical CO2 treated Nafion 212 membranes for direct methanol fuel cells

Supercritical carbon dioxide (Sc-CO₂) thermal treatment to enhance performances of both Nafion 212 (NR212) commercial membranes with H-form and Na-form for direct methanol fuel cells (DMFCs) is described. XRD measurements show that the crystallinity of H-form NR212 membranes increases with increasing the treated temperature in the Sc-CO₂ system, however, the crystallinity of Na-form NR212 membranes decreases with increasing the treated temperature. Since the bigger crystallites formed after the Sc-CO₂ treatments, it improves the mechanical strength and dimensional stability of the Sc-CO₂ treated NR212 membranes with H-form and Na-form. Compared with the as-received NR212 membranes, all the Sc-CO₂ treated NR212 membranes show higher proton conductivity and better capacity of barrier to methanol crossover. From Fenton test, it can be found that the Sc-CO₂ treated NR212 membranes have better chemical stability than that of NR212 membranes. Therefore, NR212 membranes treated by the Sc-CO₂ method may be promising candidate electrolytes for DMFC applications.     

微细通道CO_2流动沸腾换热临界热流密度研究

CO2在微细通道内流动沸腾换热过程所具有的临界热流密度(CHF)对于其换热系数有着重要影响。根据国内外现有发表的公开文献的实验数据分析了质量流量、饱和温度、管径等对临界热流密度的影响,并对理论模型与试验数据进行误差分析。发现Bowring预测关联式对小于3 mm管径内临界热流密度预测精度较高,在30%误差范围内可以达到70%预测精度,Wojtan预测关联式具有较小的平均绝对误差。提出了今后CO2在微细通道内沸腾换热CHF的研究方向。