利用废弃油井和高温溶腔进行地热发电的数值模拟

摘要

借鉴有机工质朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）发电系统低沸点工质的发电特点，可以将低沸点有机工质通过废弃油井直接注入高温溶腔，采出的高温高压工质经过一定的热力循环可以将所携带的热能转化为机械能和电能。本文简要分析了基于废弃油井和地下高温溶腔地热发电系统的组成及工作原理，并讨论了与传统有机工质朗肯循环发电系统的不同及优点，在此基础上系统地进行了以下研究:
　　研究了以废弃油井做为注入井和采出井，以高温溶腔做为主要热储的换热系统，对于注入井和采出井，利用地温梯度近似代替临近岩层竖直方向的温度分布，同时考虑其轴对称性，在柱坐标系下建立了油井竖直方向及其临近岩层水平方向的一维换热模型，二者温度场通过对流边界相互耦合，利用有限差分法和有限体积法离散了能量偏微分方程，最后借鉴用交替半隐式算法(ADI)的思想，利用MATLAB软件编程并调用REFPROP物理性质软件，求解了这两个不同方向的温度场。对于高温溶腔，在GAMBIT中建立了其三维换热有限元模型，考虑了对称性和多孔性，最后利用有限元分析软件FLUENT完成了高温溶腔换热模型的数值求解，求解过程中的工质类型使用了FLUENT内置的NIST实际气体模型。
　　在MATLAB中将一维的注入井模型、三维的高温溶腔模型和一维的采出井模型集成在一起，同时实现了不同工况下的GAMBIT参数化建模、油井温度场的参数化求解、高温溶腔温度场参数化求解，编写了相关的参数化分析M文件。
　　探究了流体出口温度随运行时间、地温梯度、进口压力、进口温度、质量流量、岩层导热系数、工质种类等因素的变化规律，讨论了针对本问题的最佳时间步长，分析了油井及高温溶腔内的温度场和流场的特点，研究结果表明，影响工质出口温度最重要的因素为人口温度、地温梯度和质量流量，在实际开采过程中应重点考虑这几个因素。进口压力和进口温度对工质温度影响则相对较小，主要通过环境温度来合理选取。
　　根据换热分析结果，详细计算了不同工况下整个地热发电系统的净发电功率和效率，并对比了不同条件下功率和效率的变化情况，总结了最优的发电参数及运行方案。研究结果表明，对于特定的系统，存在着一个能使系统净发电功率最大的闪蒸温度和工质流量;进口压力越小越好，但应至少保证工质的入口状态为液态;进口温度越小越好，应尽量在冬季让系统运行，在夏季关井回温或间歇运行;若能解决好系统密封问题，应优选有机工质作为系统的发电工质。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究工作

第二章 地热发电系统概述及其数值分析方法

2．1 传统有机工质朗肯循环发电系统的组成

2．2 基于废弃油井和地下高温溶腔地热发电系统的组成

2．3 流体换热与计算流体力学

2．3．1 流体换热过程的控制方程

2．3．2 偏微分方程的离散方法

2．3．3 求解线性方程组的TDMA算法

2．3．4 FLUENT软件及UDF

2．4 本章小结

第三章 废弃油井及高温溶腔换热模型的建立及求解

3．1 注入井和采出井换热模型的建立

3．1．1 注入井能量方程

3．1．2 采出井能量方程

3．1．3 井壁对流换热系数

3．1．4 井内压力控制方程

3．1．5 岩层控制方程

3．1．6 工质状态方程

3．1．7 边界条件及初始状态

3．2 地下高温溶腔换热模型的建立

3．3 换热模型的求解

3．3．1 注入井换热模型的求解

3．3．2 采出井换热模型的求解

3．3．1 高温溶腔换热模型的求解

3．4 本章小结

第四章 废弃油井及高温溶腔换热模型的参数化

4．1 GAMBIT参数化建模技术

4．2 FLUENT参数化分析技术

4．3 MATLAB与REFPROP的联合编程

4．4 在MATLAB中实现联合仿真

4．5 本章小结

第五章 废弃油井及高温溶腔换热模型的求解及结果分析

5．1 时间步长无关性探究

5．2 油井临近岩层的温度分布

5．3 各部分出口温度随时间的变化

5．4 井内工质的流场及温度场

5．4．1 井内工质温度随深度的变化

5．4．2 井内工质密度和压力随深度的变化

5．4．3 井内工质速度随深度的变化

5．5 高温溶腔内的流场及温度场

5．6 不同工况下出口温度随时间的变化

5．6．1 不同流量下的出口温度

5．6．2 不同地温梯度下的出口温度

5．6．3 不同进口压力下的出口温度

5．6．4 不同进口温度下的出口温度

5．6．5 不同岩层导热系数下的出口温度

5．6．6 不同工质种类下的出口温度

5．7 结果验证

5．8 本章小结

第六章 基于废弃油井和地下高温溶腔的地热发电系分析

6．1 地热发电系统分析

6．1．1 地热发电系统的组成及工作原理

6．1．2 地热发电系统的热力分析

6．2 地热发电系统在不同工况下的净发电功率

6．2．1 净发电功率随闪蒸温度的变化

6．2．2 净发电功率随时间的变化

6．2．3 净发电功率随流量的变化

6．2．4 净发电功率随进口压力的变化

6．2．5 净发电功率随进口温度的变化

6．2．6 不同工质下的净发电功率

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况