利用废弃油井地热能发电的研究

摘要

近年来，支撑人类文明高速发展的石化能源出现了前所未有的危机，除了其储量的不断减少外，燃烧过后产生的大量温室气体，也是造成全球气候变暖的主要原因，寻找替代的清洁能源迫在眉睫。地热能就是一种较为理想的清洁能源。地热能是蕴藏在地球内部的巨大的天然热能，其储量丰富并且在使用过程中不会对地球环境造成破坏。随着石油、煤炭等传统资源的逐渐枯竭，地热能将成为未来新能源的一个重要组成部分。地热发电是利用工质从地层中获取热能再通过汽轮机将地热能转化成电能。然而钻井所需的巨大成本限制了地热发电的广泛应用。与此同时，随着石油的开采，存在着许多废弃的油井，其内部储存了大量的热能。因此对现有的废弃油井进行改造，使之成为地热井，既可节约钻井花费，减少开发成本，又能解决废弃油井对环境的污染及安全隐患等问题。利用废弃油井地热能发电将成为一种废弃油井综合治理和有效利用地热资源的新途径。
　　本文对利用废弃油井地热能发电进行了系统研究，考虑了地层传热的影响，建立了以瞬态地层导热函数为基础的理论模型。选择R600a为循环工质，并利用同心圆管热交换器从地层中获取热量，然后驱动汽轮机进行发电。对一口井深为6000m的废弃油井进行了模拟计算。研究结果表明:地层导热对利用废弃油井地热能发电系统的性能有很大的影响，工质离开回收时的出口温度随发电系统运行时间的增长而不断降低并最终达到稳定。地层热导率增大或工质进入注入井时的入口流速减小会缩短发电系统到达稳定所需的时间，地层体积比热容对系统达到稳定所需的时间没有明显的影响。系统的总发电量取决于工质离开回收井时的出口温度和获取的总热量，获取的总热量会随着工质进入注入井时的入口流速增大而增大，但工质离开回收井时的出口温度会随之降低;因此对于特定的地温热源，存在一个最佳工质进入注入井时的入口流速使得系统的净发电量达到最大。
　　通过考虑隔热层不完全绝热时注入井和回收井中工质间的热量传递，来进一步完善理论分析模型，并分析了隔热层对利用废弃油井地热能发电系统性能的影响。研究结果表明:对于相同厚度的隔热层，考虑注入井与回收井中工质间的热量传递时，工质的出口温度与隔热层完全绝热时的出口温度之差，随工质进入注入井时的入口流速增大而减小，但随地温梯度或井深的增大而增大。工质离开回收井时的出口温度、工质从地层中获取的总热量和系统的净发电量都随隔热层厚度的增大而增大。0.03m厚的膨胀聚苯乙烯隔热层可以有效地阻止注入井和回收井中工质间的热量传递。
　　最后，基于考虑了地层导热影响的理论模型，对利用废弃油井地热能发电系统的工质进行了评估。针对不同的地温热源，分析了以多种不同有机流体为循环工质的利用废弃油井地热能发电系统的性能。同时，对闪蒸发电系统(FPGS)与直接发电系统(DPGS)进行了比较。模拟结果表明:从井深小于3000m的废弃油井中获取的地热能不宜进行发电利用。对于地温梯度高于0.04K/m、井深大于3000m的废弃油井，采用直接发电系统对离开回收井时处于超临界状态的工质进行利用的效率，要高于通过闪蒸发电系统对离开回收井时处于过冷状态的工质进行利用的效率。R134a和R245fa相比于R600a、R600、propylene、R290和R143a更加适用于利用废弃油井地热能发电系统。