2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會集

中國工程熱物理學(xué) 傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會議 編號：183302中地?zé)峋聯(lián)Q熱器試驗(yàn)研（1.機(jī)械，（2.中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃? E- ：本文對中地?zé)峋聯(lián)Q熱器（deepDownholeHeatExchanger，DDHE）的換熱取熱過程進(jìn)行了現(xiàn)場：地?zé)?；井下?lián)Q熱器；取熱功率；強(qiáng)迫對高溫地層的熱儲層。這意味著在人類居住的大多數(shù)地區(qū)，獲取地?zé)峒夹g(shù)上是可行的。地3%的可再生替代能源增長比例中，1/3（1%的可再生能源比例增加）將由地?zé)豳Y源的開發(fā)利用來完成。中地?zé)岬拈_發(fā)利用將是未來的主要發(fā)展趨勢。地?zé)嵫芯堪l(fā)展熱的另外一個重要原因是我國華部分地區(qū)冬季天氣增加較快，盡管形成的物理機(jī)理還不清楚，不足等問題已影響到一些居民的冬季供熱需求。為此，在去年出爐的十三五地?zé)崮茉窗l(fā)2000萬噸標(biāo)煤（2015年利用當(dāng)量）4000萬噸標(biāo)煤（2020年。而在新設(shè)立的雄安新區(qū)（京津冀地區(qū)）或許將占一半的新增裝機(jī)容量。要想實(shí)現(xiàn)這一宏大目標(biāo)，僅憑現(xiàn)有的地?zé)崂眉夹g(shù)會有一定的，因此，研發(fā)新型可持續(xù)眾所周知在開發(fā)中地?zé)豳Y源利用當(dāng)中鉆井費(fèi)用要占總供熱系統(tǒng)費(fèi)用的一半以上，傳統(tǒng)的中地?zé)崂弥饕浅楣嗉夹g(shù)。由于地質(zhì)條件的限制，一些沉積砂巖層回灌比較困難，這就造成了局部地區(qū)“多抽少灌甚至“只抽不灌。長期利用勢必影響當(dāng)?shù)厮Y源，造成水位逐年下降，甚至有地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)。以地區(qū)為例，全市400多眼開采井對3010米。因此，研發(fā)只取熱不取水的井包括：地埋管換熱技術(shù)（BoreholeHeatExchanger,BHE），井下?lián)Q熱器(DownholeHeatellSCW)研究主要針對的是有較高地溫梯度的淺層地?zé)峋甗1-4].而地埋管換熱（BHE）技術(shù)更是針對200BHE的取熱必須結(jié)合熱泵技術(shù)進(jìn)行冬夏兩季的交替取放熱才可持續(xù)[5]早期的地?zé)峋峒夹g(shù)與淺層套管埋管技術(shù)相同但只以單純的基金資助：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 取熱為目的，如1992由和科學(xué)家在夏威夷島進(jìn)行的地?zé)崛嵩囼?yàn)68，從取熱原理上講，仍然屬于BHE而不是E。判斷換熱裝置是埋管換熱器（BHE）還（EU形管還是同軸套管，只要管外壁與地層接觸換熱我們通常稱之為埋管換熱器，而井下（E形成自然對流，可以采用對流增速管增強(qiáng)換熱能力1]，也可以是部分抽取地?zé)崴膹?qiáng)迫對或眼井因此一般來講井下?lián)Q熱器的取熱負(fù)荷要遠(yuǎn)大2kW6kW的換熱能力，而單口地?zé)峋聯(lián)Q熱器的熱負(fù)荷可以達(dá)到百千瓦甚至兆瓦級2（BHE與井下?lián)Q熱（E或地?zé)釗Q熱器（，E）的區(qū)別[5。種強(qiáng)迫流動下的地?zé)峋聯(lián)Q熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)該設(shè)計(jì)中采用深井泵驅(qū)動內(nèi)管地?zé)崴鞒龅刂械責(zé)峋聯(lián)Q熱器的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)被測試的地?zé)峋挥诰嗍袇^(qū)53公里東的塘沽區(qū)，這是一口于2014年完鉆的地?zé)幔?460噸/138米左右，距離該井另有一水平偏移距離約462米，如圖1所示。成井為2070米，二開結(jié)構(gòu)，下層套管位置下至1860米左右，以下為眼井口。一開井內(nèi)徑為300mm左右的內(nèi)徑口，二開套管的內(nèi)徑約/100511所示,由于試驗(yàn)是在去年的冬季,為了節(jié)省試驗(yàn)開支采用空冷塔作為冷源，地面器的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為2000kW,為了檢測井下溫度隨取熱過程的邊變化，在200米，1000了可以實(shí)施信號遠(yuǎn)傳熱德國熱計(jì)量儀表，每隔5秒同時測量流量與溫度。207020702313可以看出總體的水溫變化趨勢，4到5天的時間里，地?zé)峋鏊疁囟认陆当容^3四天時間里的進(jìn)出水溫基本3.0℃/100米左右。圖3地?zé)崴畟?cè)循環(huán)水溫隨時間的變

H圖4H、為了進(jìn)一步分析研究該地?zé)峋聯(lián)Q熱的取熱規(guī)律本文也建立了二維軸對稱坐標(biāo)系地層的熱物性參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地面控制運(yùn)行參數(shù)去求解最大的取熱量，而是通過本文、(cT)1(rT)(rT

(cTdw)

r

環(huán) (cTup

內(nèi)套 其中：S1和S2分別為內(nèi)套管、環(huán)形通道截面面積。角標(biāo)“dw”,“up”表示向動和向上流部有Tup(H)=Tdw(H).內(nèi)套管內(nèi)外的對流換熱系數(shù)采用Gnielinski經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算112.7112.7f/8(Pr2/3f

其中：cPrf)001Prf（0.05~

Re[2300,106tfPr(0.6,105)f

與試驗(yàn)結(jié)果相匹配的最佳地層物性參數(shù)。通過計(jì)算得到地層導(dǎo)熱系數(shù)與熱容為(3.1W/mK,7所示。56圖7 本文對一種以強(qiáng)迫對流形式換熱的井下?lián)Q熱器傳熱特性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究建立CulverG,LundJW,DownholeHeatExchangers[J].Geo-HeatCenterQuarterlyBulletin,KlamathFalls,OR,1999,20:1-11.LundJW.ExamplesofIndividualDownholeHeatExchangersSystemsinKlamathFalls[J].GHCBulletin,1999,LundJW.TheuseofDownholeHeatExchanger[J].Geothermics,2003,32:535- [J].GRCTransaction,2011,35:1077-1080.DaiC,ChenY,2008.Classificationofshallowanddeepgeothermalenergyresources[J].GRCBulletin,2008,32:317-320.MoritaK,BollmeierKS,MizogamiH.Anexperimenttoprovetheconceptofthedownholecoaxialheatexchanger(DCHE)inHawaii[J].GRCTransactions,1992,16:9-16.KohlT,BrenniandR,EugsterW,Systemperformanceofadeepboreholeheatexchanger[J].Geothermics,2002,31:687-708.SliwaA.S.,RosenMA,GonetA,SliwaT.DeepBoreholeHeatExchangers–AConceptualReview[C]..ProceedingsWorldGeothermalCongress2015,Melbourne,Australia,19-25April2015,p.1-11.學(xué)報(bào)，2017,12,4741-Gnie