垂直井闭循环地热系统热提取性能和注入优化数值模拟
Simulation of heat extraction and injection optimization from a vertical-well closed-loop geothermal system
马永法 1周学军 2袁利娟 3刘玲 2董俊领 2王旭 2詹涛 4何兰 5刘新 2刘艳 2李昌 6雷宏武7
作者信息
- 1. 黑龙江省生态地质调查研究院,黑龙江 哈尔滨 150030;自然资源部浅层地热能重点实验室,北京 100195;吉林大学 地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心,吉林 长春 130026;吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021;黑龙江省寒区地温能工程技术研究中心,黑龙江 哈尔滨 150027;中国地质学会东北寒区地热能应用技术创新基地,黑龙江 哈尔滨 150027
- 2. 黑龙江省生态地质调查研究院,黑龙江 哈尔滨 150030;黑龙江省寒区地温能工程技术研究中心,黑龙江 哈尔滨 150027;中国地质学会东北寒区地热能应用技术创新基地,黑龙江 哈尔滨 150027
- 3. 自然资源部浅层地热能重点实验室,北京 100195
- 4. 黑龙江省生态地质调查研究院,黑龙江 哈尔滨 150030;中国地质学会东北寒区地热能应用技术创新基地,黑龙江 哈尔滨 150027
- 5. 黑龙江省生态地质调查研究院,黑龙江 哈尔滨 150030
- 6. 黑龙江省生态地质调查研究院,黑龙江 哈尔滨 150030;黑龙江省寒区地温能工程技术研究中心,黑龙江 哈尔滨 150027
- 7. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学和工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071
- 折叠
摘要
为了评价单井闭循环的热提取性能,优化注入参数,文章针对中国东北典型场地,基于井筒-储层耦合数值模拟和场地的运行监测数据,分析了地热系统短期(热响应测试)和长期(一个供暖季)的提热性能,并优化了系统运行注入温度和流量.结果显示,典型东北地区 1 500m长度的地热井在平均注入温度 7℃,注入流量7.7 m3/h条件下,换热孔出口平均功率为 65.2 kW,一个供暖期出口与入口平均温差为 4.9℃,地层温度降低影响最大范围约7m,地层中的降温程度最大为23℃,并可以在非供暖期得到较好的恢复.在不考虑运行成本和可持续开发的情况下,注入温度越低、流量越大,获得的换热功率也越大.在调整注入温度为 5℃和流量为 6.3 m3/h的情况下,可获得同样的换热功率,此时的运行成本最低,比现有方案成本降低 20%.考虑运行成本和可持续开发的优化设计对单井闭循环地热供暖具有现实意义.
Abstract
To evaluate the heat extraction performance and optimize the injection parameters of a single-well Closed-Loop Geothermal System(CLGS),this paper analyzes the short-term(thermal response testing)and long-term(one heating season)heating performance of CLGS and optimizes operation parameters including injection temperature and rate,based on wellbore-reservoir coupling simulation and site operation monitoring data for a typical site in Northeast China.The results indicate that the mean heat extraction rate is 65.2 kW and the average temperature difference between the output and inlet is 4.9 ℃ with an average injection temperature of 7 ℃ and an injection flow rate of 7.7 m3/h for a vertical well of 1 700 m.At the end of a heating season,the maximum range for temperature reduction in the formation is approximately 7 m with the maximum temperature decrease up to 23℃,and it can recovery better during the non-heating period.Without considering operating costs and sustainable development,the low injection temperature and large injection rate result in high heat extraction rate.Setting the injection temperature to 5 ℃ and flow rate to 6.3 m3/h can minimize operating costs while meeting heating needs,reducing costs by 20%compared to the existing solution.The optimization design that considers operating costs and sustainable development has practical significance for a single well closed-loop geothermal system.
关键词
地热供暖/垂直井闭循环地热系统/性能评价/注入优化/数值模拟Key words
geothermal heating/vertical-well closed-loop geothermal system/performance evaluation/optimization of injection/numerical simulation引用本文复制引用
基金项目
自然资源部浅层地热能重点实验室经费资助(KLSGE202301-03)
地热资源开发技术与装备教育部工程研究中心经费资助(23019)
地下水资源与环境教育部重点实验室经费资助(202306ZDKF17)
黑龙江省地质矿产局科研基金项目资助(HKY202310)
黑龙江省地质矿产局科研基金项目资助(HKY202408)
黑龙江省财政资金项目(SRKC-2019002)
出版年
2024
国家科技期刊平台
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