中深层相变取热系统中携液问题的数值研究_张梁.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0110-0121地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P张梁，赵通，梁政，等2023 中深层相变取热系统中携液问题的数值研究 地球物理学进展，38(1):0110-0121，doi:106038/pg2023GG0131ZHANG Liang，ZHAO Tong，LIANG Zheng，et al 2023 Numerical study on liquid carrying problem in the middle-deep phase change heat extractionsystem Progress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0110-0121，doi:106038/pg2023GG0131中深层相变取热系统中携液问题的数值研究Numerical study on liquid carrying problem in the middle-deep phase changeheat extraction system张梁，赵通，梁政，郑继禹ZHANG Liang，ZHAO Tong，LIANG Zheng，ZHENG JiYu收稿日期2022-06-18;修回日期2022-12-04投稿网址http:/www progeophys cn基金项目干热岩地热资源开发方案设计及热流固耦合机理研究(2020JDC0088)资助第一作者简介张梁，男，1981 年生，硕士，副教授，研究方向为流体机械工程、节能降耗与高效传热技术 E-mail:28190729 qq com西南石油大学机电工程学院，成都610500School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China摘要针对中深层相变取热系统存在的携液问题，通过数值方法，研究了液态 CO2在蒸发段的相变过程，分析了产生携液问题的原因，同时分析了进口流速、管内压力、热储层温度对蒸发率和携带率的影响 结果表明:管内液体呈液滴状分布在管中，一部分液滴随气体携带出系统，另一部分液滴回落井底形成液池 管内气体温度从井底到出口先升高后下降 气体压力相差较小，但在 6 8 m 的管段存在较高压力 积液质量随时间增长逐渐稳定，但被携带出去的液体质量将不断升高 蒸发段的取热效率和出口温度在系统运行初期存在峰值 通过研究，采用较低的入口流速，能够明显改善携液情况 当热储层温度为 105 时，进口流速为0.05 m/s 和 0.45 m/s，管内压力应当分别控制在6.7 MPa 和 4.7 MPa，对改善蒸发和携液情况更有利当管内压力为 3.7 MPa 时，进口流速为 0.05 m/s 和0.45 m/s，携液问题最小时的井底温度分别为145 和125 关键词地热能;CO2;携液;相变;VOF 模型中图分类号P314文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0131AbstractAt present，the research and transformation ofultra-long thermosiphon to extract middle-deep geothermalenergy mainly focused on the overall heat extractionperformance research But there are fewer articles aboutthe evaporation sectionIn this paper，a middle-deepphase change heat extraction system is proposed based onthe ultra-long thermosiphon and the problem of liquidcarrying in the evaporation section is studied The phasetransition process of the liquid CO2at the evaporationsection is studied by numerical methods and the reasons forthe problem of liquid carrying are analyzed At the sametime，the effects of inlet flow rates，pressure in the tube，and temperature of the thermal reservoir on the evaporationrate and the carrying rate are analyzed The results showthat liquid CO2is distributed in the pipe in the form ofdroplets Some droplets are carried out of the system withthe CO2vapor，and the other part of the droplets fall backto the bottom of the tube to form a liquid pool The gastemperature in the tube increases and then decreases fromthe bottom of the tube to the outletThe pressuredifference in tube is very small，and there is a highpressure in the tube section of 6 8 m The peak value ofheat extraction efficiency and outlet temperature exists inthe early stage of system operation The mass of liquidaccumulation in the tube is stable with time，but the massof liquid carried by the gas will increase continuouslyThrough the study，the problem of carrying liquid can bereduced by adopting a lower inlet velocityWhen thetemperature of the thermal reservoir is 105，the inletflow rate is 0.05 m/s and 0.45 m/s，and the pressure inthe tube should be controlled at 6.7 MPa and 4.7 MPa Itis beneficial to improve the evaporation rate and reduce thecarrying rate The inlet flow rate is 0.05 m/s and 0.45 m/sat the pressure of 3.7 MPa，and the temperatures are145 and 125 at the minimum of the fluid carryingproblemKeywordsGeothermal energy;CO2;Liquid carrying;Phase transition;VOF model2023，38(1)张梁，等:中深层相变取热系统中携液问题的数值研究(www progeophys cn)0引言地热能作为自然界中储量巨大的自然资源，已经成为 21 世纪不可忽视的可再生资源之一 地热资源按照分布位置和赋存状态，可分为浅层地热能、水热型地热能和中深层地热能(王沣浩等，2021;Houet al，2018;Dincer and Acar，2015)中深层地热能是指地下 200 3000 m 的地层中蕴含的热能资源，具有储量大、分布广、稳定可靠等优点，因而受到了广泛关注(鲍玲玲等，2020，2022;单丹丹等，2021;高俊义，2020)热管是一种高效传热器，能够利用管内工 质 的 相 变 将 热 量 从 一 端 传 输 到 另 一 端(Srimuang and Amatachaya，2012)由于重力热管具有结构简单，传热性能好等优点，被广泛应用于地热能的开采(张军等，2011;林红，2016;Ebeling et al，2017;Hartmann et al，2015)近些年，有较多学者针对超长重力热管应用于中深 层 地 热 能 的 开 采 进 行 了 研 究 Ochsner 等(2008)针对 CO2热管为建筑物供暖进行了研究 通过现场试验发现，CO2热管具有空间需求小，对环境友好，可靠性高等优点 但该研究并未对热管内部运行情况进行探究 李庭樑等(2018，2020)针对超长重力热管开采地热能的方案，搭建了实验平台，研究了超长重力热管的适宜充液量、运行稳定性等问题研究表明:在恒定加热功率下，热管充液量在蒸发容积的 40%时，蒸发温度较小且液体能够很好地润湿壁面，而且在不同充液量下，热管表现出不同频率的震荡性 尽管实际工程中加热功率并不恒定，但该研究也说明热管积液对其运行有较大影响 考虑到积液的静压会影响蒸发温度，Wang 等(2019，2020)基于压力相变模型对超长重力热管开采地热能进行了瞬态模拟，研究了不同充液量下重力热管的相变传热行为 研究表明:由于静水压力的影响，重力热管内部沸腾从液池表面开始，逐渐向下移动 充液率大于 20%时，液池下部将出现无法沸腾的情况 黄文博等(2021)、Huang 等(2018)模拟了管长4500 m 的重力热管地热系统，并与套管式地热系统进行了对比 研究表明:对于单井式采热系统，重力热管采热量是套管式地热系统的 1.8 倍，发电量是后者的2.4 倍 这说明相变采热方案比单相采热方案更有优势 该研究中假定重力热管内部不存在积液和气液卷携作用，这与超长重力热管的实际运行有较大差别为解决超长重力热管运行时的积液和气液卷携等问题，VasilEv(1990)提出在重力热管内部安装液体回流管路，使气液相互分隔开，气体上升过程中不与下落液体接触，减小了气体流动阻力，解决了重力热管中存在的气液卷携问题 Mashiko 等(1994)针对重力热管积液问题，在 VasilEv 的基础上进一步提出在液体回流管路安装喷嘴，将液体直接喷淋到蒸发段管壁，使液体迅速蒸发且不会形成较深液池影响蒸发温度 Zhang 等(2019)针对一种带有内管和管翅，充注了液体 CO2和纳米流体混合物的新型重力热管，搭建了实验平台，研究了其换热性能 张龙(2016)以井深 3000 m 的超长重力热管为研究对象，进行现场试验，研究发现重力热管可以通过安装分流管、同心套管、铁丝网芯等方式显著提升换热效果 蒋方明等(2020)发明了无积液效应的阶梯式重力热管地热开采系统，其内外管之间设置分隔板和液位控制管等装置，使得该系统无积液和气液卷携问题目前针对重力热管提取地热能的研究和改造主要集中在对整体取热性能的影响，而对蒸发段局部研究较少 重力热管在增加内管后，尽管使气液流动分隔开，但在蒸汽采出过程中仍存在携液，这会导致气体流动阻力增加，采气效率降低等问题 因此，本文提出了一种重力热管改造方式，即中深层相变取热系统 同时基于 VOF 模型，建立了考虑蒸发段工质相变传热的数值模型