文章来源
Asai P , Panja P , Mclennan J , et al. Effect of Different Flow Schemes on Heat Recovery from Enhanced Geothermal Systems (EGS)[J]. Energy, 2019, 175(MAY 15):667-676.
全文导读
运行优化是提高增强型地热系统(EGS)热提取效率的关键。尽管以往的设计在开发经济系统方面效率很高，但仍有一个主要问题需要解决，即当EGS储集层的热能被提取出来时，由于地下为补充储集层而进行的换热速率比热提取速率慢，储集层的原位温度下降。这意味着，随着时间的推移，地热发电厂的发电量将会减少，这与同期能源需求的上升是相悖的。这意味着，要么需要安装更多的EGS系统，要么必须依赖其他能源来平衡这种下降。在本研究中，分析了不同流动方案在30年的时间内对产热率的影响。研究了在数学函数基础上发展的7种流动方案(4种连续函数，即恒流、线性流、指数流、镜像指数流，以及6个月、3年和10年的步长函数)。利用商业热储层模拟器模拟了单裂缝的双态EGS模型。地热储层和井的数据来自犹他州米尔福德的FORGE(地热能研究前沿观测站)。根据采出水的温度下降曲线和整个时期的总采出热量对结果进行了分析。
图1 裂缝和储层的传热示意图
结果讨论
本研究着重于不同喷射流方案对EGS发电的影响，评估了七种不同的流动方案。所有其他性质包括注入温度和流体循环总量保持恒定。从图2可以看出，不同流量方案在不同时间达到温度峰值时的温度下降曲线不同。各自的流动方案计算出的累积热量表明，所有情况下30年的总采热量是相同的。比较七种不同流量方案时选择瞬时功率输出为标准。如图3所示，每种方案在不同时间的输出功率不同。恒流方案初始最高功率约3.2??MW?，而其他方案为1.6?MW。这是因为恒流方案的流量是其他方案的两倍，因此可以提取更多的热量，从而产生更多的热量。恒流的输出功率随时间逐渐减小，在30年后最低。对于线性流、步进流(6个月、3年、10年)，起始和结束都在同一个点，且始终递增。这是因为在步进流中，即使流量随着步长而增加，其增长本质上仍然是线性的。当指数有界时，输出功率增加到一定时间，达到最大值后开始下降。但在指数流模式下，功率输出几乎随时间线性增长。输出功率从1.6 ?MW开始到30年后的4.2 MW，在整个时期内增长了62.5%。这是由于指数流动具有指数增长的流量，弥补了平均储层温度随时间的下降的不足。虽然在这个流动方案中，热量不是在最大功率下产生的，但这样的功率增长足以满足EIA预测的30年48%的能源增长需求。
图2 不同流量方案下的温度下降曲线
图3 不同流量方案的瞬时功率
此外，确定一段时间内循环的最佳流体量也很重要，因为总流体循环量的增加会导致单位流体体积所提取的热量减少，从而使该过程可能不够经济。图4 (a)为三种不同情况下不同方案的累计采热量。随着30年以上的循环液体总量的增加，提取的热量总量也随之增加。这是因为储层的平均温度随着总流量的增加而进一步下降。但是拥有更多的工质流动并不总是最佳情况。图4(b)显示了单位体积流体所提取的总热量。可以推断出，随着总流体量的增加，单位体积的采热量减少。这可能导致运行结果经济性不佳。因此，在累积热量和单位体积采热量之间找到正确的平衡是非常重要的一环。EGS的成功实施为数十年的可持续、可再生能源提供了潜力。最重要的运行参数之一(流量)的优化将确保随着时间的推移发电量增加以满足需求。
图4 (a)三种不同情况下提取的累积热量；(b)每单位液体体积提取的热量
