一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法技术

本发明专利技术涉及一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，包括如下步骤：步骤1、建立中深层同轴套管井换热模型；步骤2、计算在热提取期间中深层同轴套管井的进、出口温度；步骤3、计算在停歇期间中深层同轴套管井的进、出口温度；步骤4、确定热泵机组季节性能系数；步骤5、确定热源侧季节性能系数；步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力；该方法开发了长周期热提取的高效计算模型；提出以热泵机组季节性能系数和热源侧季节性能系数的双指标运行性能评价准则，分析在全生命周期内的运行性能；提出确定中深层同轴套管井高效可持续热提取的最优运行参数与最佳供热能力的设计方法。数与最佳供热能力的设计方法。数与最佳供热能力的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法


[0001]本专利技术属于暖通空调
，具体涉及一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法。

技术介绍

[0002]中深层同轴套管井主要提取位于地表以下2000
‑
3000m的地热能为建筑供热，其换热具有“取热不取水”的特点，在保护地下水方面具有积极作用，符合我国的生态文明建设理念。
[0003]中深层同轴套管井由注入井和采出井组成，如图1所示，其组成部分由中心向外分别是内管、环腔和回填材料(图2)。在换热过程中，较低温度的流体从注入井流入，与具有温度梯度的中深层岩土体进行热交换，直至套管井底部结束换热。在采出井中，流体自下向上流动被输送至地表，在井内完成换热的流体与热泵机组进行热交换，最后将热量供给热用户。
[0004]中深层同轴套管井近年来受到供热行业的高度关注，但由于不同地区地热地质条件的差异性，应用于不同地区的供热能力存在差异。为确保中深层同轴套管井可以高效可持续热提取，需对其进行针对性运行设计。一些学者提出了中深层同轴套管井的数值仿真模型，旨在预测其供热能力，为运行设计奠定了技术支撑。当前，数值仿真计算也成为了预测中深层同轴套管井供热能力并进一步进行设计参数选取的基本方法。
[0005]目前针对中深层同轴套管的设计基于单个供暖季的换热性能，没有充分考虑在长周期热提取期间换热性能的变化情况，进而无法确保全生命周期热提取的可行性和节能性。在当前中深层同轴套管井的运行设计中，尚未考虑在“供暖季取热、非供暖季停歇运行”特点导致供热性能变化的影响，认为中深层岩土体温度在非供暖季期间可以快速恢复，可以保证中深层同轴套管井的长期稳定供热。然而，根据目前研究表明，中深层同轴套管井在长期供热期间存在一定程度的衰减，在设计之前需要对其进行分析。在当前中深层同轴套管井运行参数的确定中，仅考虑其对热泵机组COP的影响，没有充分考虑运行参数对热源侧整体能效的影响。同时，目前对COP影响的分析仅局限于短暂时期的热提取阶段，而中深层同轴套管井具有热响应时间长的特点，其对COP的影响是全生命周期内的，因此，当前的设计结果很可能导致系统能效低下。中深层同轴套管井影响因素众多，尚未厘清其中运行设计参数与供热能力、供热性能之间关系，没有形成完备的高效可持续热提取的运行设计方法。

技术实现思路

[0006]为了克服现有中深层同轴套管的设计的缺陷，本专利技术所述的一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、建立中深层同轴套管井换热模型；
[0008]步骤2、计算在热提取期间中深层同轴套管井的进、出口水温；
[0009]步骤3、计算在停歇期间中深层同轴套管井的进、出口温度；
[0010]步骤4、确定热泵机组季节性能系数；
[0011]步骤5、确定热源侧季节性能系数；
[0012]步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力。
[0013]进一步的，所述中深层同轴套管井换热模型分为热提取阶段换热模型、停歇阶段换热模型。
[0014]进一步的，所述热提取阶段换热模型包括：
[0015]1)内管流体的能量方程为：
[0016][0017]式中，T
fr
为内管流体温度，℃；V
fr
为内管流体流速，m
·
s
‑1；k
ff
为内管流体与环腔流体间的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
fan
为环腔流体温度，℃；ρ
f
为流体密度，kg/m3；c
pf
为流体比热容，A
r
为内管横截面积，m2；
[0018][0019]式中：h
r
——内管中流体与管壁的对流换热系数/W
·
m
‑2·
K
‑1；r1——内管内径/m；λ
r
——内管导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；r2——内管外径/m；h
R
——环腔中流体与管壁的对流换热系数/W
·
m
‑2·
K
‑1；
[0020]环腔流体的能量方程为：
[0021][0022]式中，V
fan
为环腔流体流速，m
·
s
‑1；k
fg
为环腔流体与回填材料的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
g
为回填材料温度，℃；A
an
为环腔横截面积，m2；
[0023][0024]式中：R1——外管内径/m；λ
R
——外管导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；R2——外管外径/m；λ
g
——回填材料导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；R
b
——钻井半径/m；
[0025]2)回填材料的能量方程如下：
[0026][0027]式中，ρ
g
为回填材料密度，kg
·
m3；A
g
为回填材料横截面积，m2；c
pg
为回填材料比热容，J
·
kg
‑1·
K
‑1；k
gb
为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
bw
为钻井壁温度，℃；
[0028]3)岩土体的能量方程如下：
[0029][0030]式中，ρ
s
为岩土体密度，kg
·
m3；c
ps
为岩土体比热容，J
·
kg
‑1·
K
‑1；T
s
为岩土体温度，℃；λ
s
为岩土体导热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；
[0031]随后进行初始条件与边界条件的设置：
[0032]中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布为：
[0033]T
s0
(z
s
,r)＝T
sur
+G
×
z
s
(7)
[0034]式中，T
s0
(z
s
,r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布，℃；T
sur
为地表温度，℃；G为地温梯度，℃
·
m
‑1；z<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立中深层同轴套管井换热模型；步骤2、计算在热提取期间中深层同轴套管井的进、出口温度；步骤3、计算在停歇期间中深层同轴套管井的进、出口温度；步骤4、确定热泵机组季节性能系数；步骤5、确定热源侧季节性能系数；步骤6、确定中深层同轴套管井的最优运行参数与最佳供热能力。2.如权利要求1所述的一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，其特征在于：所述中深层同轴套管井换热模型分为热提取阶段换热模型、停歇阶段换热模型。3.如权利要求2所述的一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，其特征在于：所述热提取阶段换热模型包括：1)内管流体的能量方程为：式中，T
fr
为内管流体温度，℃；V
fr
为内管流体流速，m
·
s
‑1；k
ff
为内管流体与环腔流体间的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
fan
为环腔流体温度，℃；ρ
f
为流体密度，kg/m3；c
pf
为流体比热容，A
r
为内管横截面积，m2；式中：h
r
——内管中流体与管壁的对流换热系数/W
·
m
‑2·
K
‑1；r1——内管内径/m；λ
r
——内管导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；r2——内管外径/m；h
R
——环腔中流体与管壁的对流换热系数/W
·
m
‑2·
K
‑1；环腔流体的能量方程为：式中，V
fan
为环腔流体流速，m
·
s
‑1；k
fg
为环腔流体与回填材料的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
g
为回填材料温度，℃；A
an
为环腔横截面积，m2；式中：R1——外管内径/m；λ
R
——外管导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；R2——外管外径/m；λ
g
——回填材料导热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；R
b
——钻井半径/m；2)回填材料的能量方程如下：式中，ρ
g
为回填材料密度，kg
·
m3；A
g
为回填材料横截面积，m2；c
pg
为回填材料比热容，
J
·
kg
‑1·
K
‑1；k
gb
为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；T
bw
为钻井壁温度，℃；3)岩土体的能量方程如下：式中，ρ
s
为岩土体密度，kg
·
m3；c
ps
为岩土体比热容，J
·
kg
‑1·
K
‑1；T
s
为岩土体温度，℃；λ
s
为岩土体导热系数，W
·
m
‑1·
K
‑1；随后进行初始条件与边界条件的设置：中深层岩土体未被干扰状态下的温度分布为：T
s0
(z
s
,r)＝T
sur
+G
×
z
s
(7)式中，T
s0
(z
s
,r)为岩土体未被干扰状态下的温度分布，℃；T
sur
为地表温度，℃；G为地温梯度，℃
·
m
‑1；z
s
为岩土体深度，m；岩土体区域的底边界设定在距换热器底部以下垂直距离200m处，受大地热流的影响，满足如下关系：式中，H为换热器长度，m；q
bot
为大地热流密度，W
·
m
‑2，该值由地温梯度与岩土体导热系数的乘积计算得到；岩土体区域的径向远边界设定为绝热边界：钻井壁的两侧分别是回填材料与岩土体，二者与钻井壁之间的热流密度在换热过程中相等，可由下式表达：k
gb
(T
g
‑
T
b
)+k
bs
(T
s1
‑
T
b
)＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(10)式中：k
bs
为钻井壁与岩土体间传热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；T
s1
为与钻井壁相邻的岩土体温度/℃。4.如权利要求2所述的一种针对中深层同轴套管井高效可持续热提取的运行设计方法，其特征在于：所述停歇阶段换热模型包括1)内管流体的能量方程为：式中，k'
ff
——停歇阶段内管流体与环腔流体间的传热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；环腔流体的能量方程为：
式中，k'
fg
——停歇阶段环腔流体与回填材料间的传热系数/W
·
m
‑1·
K
‑1；2)回填材料的能量方程如下：式中，ρ
g
为回填材料密度，kg
·
m3；A
g
为回填材料横截面积，m2；c
pg
为回填材料比热容，J
·
kg
‑1·
K
‑1；k
gb
为回填材料与钻井壁间的综合传热系数，W
·
m
‑1·
K
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，王沣浩，张育平，周聪，刘博洋，
申请(专利权)人：西安交通大学陕西中煤新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：