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。     

超长重力热管传热性能实验研究

用于干热岩热能开采的增强型地热系统存在投资高、风险大、工质漏损、设备腐蚀、地面沉降等问题,利用超长重力热管进行地热开采可以有效规避这些问题。搭建了超长重力热管实验平台,实验研究了超长重力热管的适宜充液量、运行的稳定性和不同冷却水流量下的传热性能并分析了其可能的原因;研究表明在恒定加热功率下,热管的合适充液量为蒸发容积的40%左右,在运行期间,与传统短热管相比,超长热管展现出了强烈的振荡性,振荡频率与加热功率和充液量息息相关;在恒定加热功率下,随着冷却水流量的增加,热管采出功率先增加后逐渐趋于平缓。此外,特别探讨了热管在极端充液量下的传热性能,研究表明在极端充液量下,热管底部形成一定高度的气柱,由于气柱的持续存在导致热量无法传递到热管顶端。实验结果初步证实了超长重力热管在开采干热岩热能上的可行性,为下一步的实际应用提供了基础支持。     

重力式热管换热器的制造

介绍了重力式热管元件制造的主要工艺过程和简易方法 ,并对重力式热管换热器的设计制造作了简要说明     

CO2羽流地热系统热开采过程热流固耦合模型及数值模拟研究

建立了CO₂羽流地热系统（CPGS）热开采过程的热流固（THM）耦合模型,结合五点布井方案和多岩层三维几何模型,对一理想热储进行CPGS热开采数值模拟。分析了CPGS热开采过程中热储内的岩体变形特征及其对系统采热性能的影响,并研究了THM耦合下热储初始孔隙率对CPGS热开采的影响。结果表明：CPGS的运行会引起岩体的冷却收缩,造成热储表观体积的减小和热储孔隙率的增大,这有助于提高热储渗透率,加快地热开采速率,从而对地热开采产生积极影响。初始孔隙率越小,岩体变形对热开采的影响越明显。在假设初始渗透率相同的情况下,初始孔隙率越小,岩体变形引起的渗透率增幅越大,系统的热开采速率越快。     

CO_2羽流地热系统热开采过程热流固耦合模型及数值模拟研究

建立了CO_2羽流地热系统(CPGS)热开采过程的热流固(THM)耦合模型,结合五点布井方案和多岩层三维几何模型,对一理想热储进行CPGS热开采数值模拟。分析了CPGS热开采过程中热储内的岩体变形特征及其对系统采热性能的影响,并研究了THM耦合下热储初始孔隙率对CPGS热开采的影响。结果表明:CPGS的运行会引起岩体的冷却收缩,造成热储表观体积的减小和热储孔隙率的增大,这有助于提高热储渗透率,加快地热开采速率,从而对地热开采产生积极影响。初始孔隙率越小,岩体变形对热开采的影响越明显。在假设初始渗透率相同的情况下,初始孔隙率越小,岩体变形引起的渗透率增幅越大,系统的热开采速率越快。     

一种钛白粉转窑煅烧尾气余热利用新装置

钛白粉煅烧转窑尾气的高湿、高硫、高酸露点的特性使得转窑尾气余热利用过程中换热器寿命不理想。在总结已有尾气余热利用方式存在问题的基础上,提出了一种长寿命、易维护的套管式热管余热利用装置,该装置由彼此分离的换热套管通过弯头、法兰连接成为整体,尾气垂直横掠双层套管段,与高硫、高湿的尾气通过相变介质的相变完成热量由尾气向取热介质的转移,产生钛白粉生产工艺所急需的蒸汽,双层管的相变换热套管对比单层管的重力热管换热器寿命明显延长;连接换热套管的单层管弯头不与高湿、高硫尾气换热,大大减轻了尾气对单层管的腐蚀。换热器应用在3.6 m×58 m的钛白粉煅烧窑上,每年可以产生0.9 MPa的水蒸气1.12万t,为企业带来可观的经济效益。     

单裂隙热储热流耦合数值模拟分析

为探究影响增强型地热系统(EnhancedGeothermalSystem,EGS)高效运行的各项因素,以单裂隙热储为研究对象,基于裂隙岩体热流耦合数学模型,对单裂隙下EGS热流耦合进行数值模拟,利用有限元软件COMSOL实现对裂隙岩体温度场与渗流场的耦合求解,分析热储层内渗流、温度的分布规律,以及基岩渗透率、热传导系数等岩体热物性参数变化;裂隙宽度、裂隙流流速、开采时间等基本计算参数变化对裂隙岩体渗流与传热的影响,得出在一定范围内基岩渗透率与热传导系数增大会使系统运行寿命提高,裂隙宽度及裂隙流流速对热开采效率的影响呈现正相关性。     

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 m³/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 m³/h提高到60 m³/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。     

保温对地热单井换热性能的影响分析

建立了单井地热传热数学模型,模拟了单井地热流动换热过程,比较分析了不同保温材料及保温深度对采出水温度和取热功率的影响。结果表明：保温材料热导率和保温深度对系统取热功率有很大影响。当保温材料热导率为0.03 W/( m·K)和0.5 W/( m·K)时,平均取热功率分别 为732.08 kW和640.98 kW;采用热导率为0.03 W/( m·K)的保温材料,保温深度1000 m时流体进出口温差为10.33 K,保温深度为2000 m时流体进出口温差为15.98 K,保温深度为3000 m 时流体进出口温差为17.93 K。实际工程中,可以采用各种材料组合安装的形式对采出井进行保温,保温重点为井深较小处,这样既能保证采出水温,又能节约成本。     

保温对地热单井换热性能的影响分析

建立了单井地热传热数学模型,模拟了单井地热流动换热过程,比较分析了不同保温材料及保温深度对采出水温度和取热功率的影响。结果表明:保温材料热导率和保温深度对系统取热功率有很大影响。当保温材料热导率为0.03 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)时,平均取热功率分别为732.08 kW和640.98 kW;采用热导率为0.03 W/(m·K)的保温材料,保温深度1000 m时流体进出口温差为10.33 K,保温深度为2000 m时流体进出口温差为15.98 K,保温深度为3000 m时流体进出口温差为17.93 K。实际工程中,可以采用各种材料组合安装的形式对采出井进行保温,保温重点为井深较小处,这样既能保证采出水温,又能节约成本。     

EGS热储基于微震数据反演模化及其采热性能分析

人工热储的特性对增强型地热系统（EGS）的性能具有决定性影响,正确还原人工热储的结构特征对EGS实际工程具有重要意义。结合Habanero EGS地质、微震数据等信息,重建出热储的渗透率与孔隙率的空间分布,进一步采用自主开发的三维动态模拟软件,对热储中的渗流场、温度场和EGS的采热曲线进行数值模拟,并将其结果与分块均质热储EGS进行比较,当流体循环流量为15 kg/s,EGS运行到第15年时,非均质热储EGS的采出温度比分块均质热储EGS低9.3℃,前者的累积热采出量比后者低3.7%,热储的非均质性会导致EGS采热性能显著下降。     

热储上下岩层热补偿作用对CO2羽流地热系统性能的影响

二氧化碳羽流地热系统（CPGS）能够在直接开采地热的同时实现CO₂的地质封存，热储上侧和下侧岩层的热补偿作用是影响CPGS性能的重要因素。建立了三维盖岩-热储-基岩整体模型，研究了热补偿作用对CPGS采热性能及热储内岩石和流体温度演化过程的影响，为优化CPGS设计、提升CPGS的系统经济性和工程应用提供了理论参考。研究结果表明：热补偿作用减小了生产流体在竖直方向上的温度差异及系统运行后期生产流体温度下降的速率，有效延长系统运行寿命，使系统获得更好的采热性能和更稳定的产能输出；考虑热补偿时系统总热开采量明显提高；与盖岩相比，基岩的热补偿作用更强。     

升膜蒸发管内流型可视化及传热性能

为了探究热流密度、真空度和流量对升膜蒸发器传热性能的影响,以及对升膜加热管内流体流型进行观测和分析,本文建立了升膜蒸发系统传热实验平台,对升膜蒸发器的传热特性和流体流型进行实验研究.实验所用升膜管管长2200mm,升膜管采用镀透明导电膜石英管,工作介质为水;升膜管蒸发侧采用电加热方式;研究了热流密度(6.71kW/m²≤ q≤ 26.79kW/m²)、流量(20L/h≤ M≤ 100L/h)和真空度(0≤ P≤ 15kPa)对升膜加热管流体流型和传热特性的影响.结果表明:通过电加热的方式可以实现石英管内溶液的升膜蒸发,并能观测到泡状流、块状流、弹状流、柱塞流、环状流和雾状流;热流密度低于6.71kW/m²时无法形成升膜蒸发,随着蒸发侧热流密度的增大,升膜管内环状流长度增大,管内传热系数增大;随着流量的增大,升膜管内液体湍流强度增大,管内传热系数增大;真空度对流体流型影响较大.     

三相流闭式重力热管的强化传热

将三相流强化传热技术应用于重力热管,构建了三相流闭式重力热管系统.以水为工质,固含率(体积分数)、固体颗粒的种类、大小及加热功率等作为参数,研究并分析了三相流重力热管的传热性能.结果表明:在一定的条件下,三相流闭式重力热管具有一定的强化传热效果.随着加热功率的增加,等效对流传热系数增大.加入φ5.5 mm的聚甲醛颗粒时...     

小管径重力热管启动特性

实验研究了小管径重力热管启动过程特性,分析了加热功率、倾角、冷却水流量对热管启动特性的影响。实验用热管为铜水重力热管,外径8 mm,壁厚1 mm,总长1500 mm。结果表明,随加热功率增大,热管启动时间缩短,当量热导率到达稳定的时间缩短。在倾角为60°时热管启动特性要优于在30°和90°时的情况,90°时启动温差最大、启动时间最长。冷却水流量在10 L·h^-1时,热管启动温差最大,启动时间最长,当量热导率稳定得最慢,而在其他流量下时,热管的启动温差和启动时间大小关系均为10 L·h^-1＞40 L·h^-1＞20 L·^h-1＞30 L·h^-1。     

蒸汽吞吐井热管采油工艺可行性分析

本文详细的分析了热管采油工艺技术原理,重力热管作为井筒伴热的一种方式是完全可行的,空心抽油杆为工质提供了工作环境;根据重力热管作用原理,并结合蒸汽吞吐的特点,与电加热相比,重力热管无需补充外来能量,因此能够节约大量的能源。在此基础上,分析了增油效果原理,一是井筒中的流动阻力增加的幅度变缓,产量也相对高;另外,延长了流体温度降低到原油滞留温度点的时间,增加周期产量。延长了流体温度降低到原油滞留温度点的时间,相应就延长了油井生产时间,增加周期产量。     

硝酸盐重力热管启动特性初步实验研究

熔盐是一种高效传热工质,广泛应用于太阳能热发电传热、核反应堆传热、金属热处理的工业过程中。以配制的一种混合硝酸熔盐作为热管的传热工质,设计制造了管壳为316L不锈钢、外径Φ22 mm、壁厚2 mm、管壳长度980 mm的硝酸熔盐重力热管,并对硝酸熔盐重力热管的启动性能进行了初步实验研究,分析了混合硝酸盐重力热管的启动特性、稳定性以及倾角对热管启动的影响。然后将采用40 g混合硝酸盐工质的重力热管实验结果与采用40 g萘工质的重力热管的实验结果进行了对比。实验结果表明,混合硝酸盐热管的启动时间比萘热管的时间短,且启动后稳定性高于萘热管;分析认为,该混合硝酸盐的沸点在250℃左右,在倾角为50°时热管启动性能优于在30°、70°、90°时的情况。实验结果初步证明了混合硝酸盐作为热管工质的可行性。