Моделирование геотермальных процессов с помощью COMSOL Multiphysics

28/03/2014

Это первая статья в нашей новой серии «Геотермальная энергия». В ней мы расскажем о принципах моделирования геотермальных процессов и связанных с этим процессом физических явлений. Мы также покажем вам модель скважинного теплообменника.

Как извлечь тепло из Земли

За время обучения в аспирантуре я познакомился со множеством различных технологий извлечения геотермальной энергии. В центре внимания моих исследований находились геотермальные скважинные теплообменники неглубокого залегания, однако внутри команды исследователей, к которой я относился, были те, кто занимался необсаженными скважинами и глубинной геотермальной энергией. К собственному удивлению, я обнаружил, что практически все процессы из области геотермальной энергетики можно смоделировать с помощью модуля Течения в пористых средах.

Отрасль возобновляемых источников энергии находится на подъеме, а одним из наиболее важных направлений активной исследовательской работы является геотермальная энергетика. За прошедшие десятилетия были разработаны разнообразные подходы к извлечению геотермального тепла с глубоких и неглубоких горизонтов залегания. Стандартным решением для скважин большой и средней глубины являются скважинные теплообменники с замкнутым контуром.

В контуре скважинного теплообменника жидкость циркулирует по трубам, которые расположены внутри скважины, что приводит к тепловому контакту жидкости через стенку с подземными породами. Ограничением данного метода является замкнутая конструкция теплообменника, которая ограничивает эффективную площадь теплообмена в зависимости от используемого оборудования. Эффективную площадь теплообмена можно значительно увеличить за счет использования гидротермальной системы из двух скважин, извлекая воду из водоносных слоев и получая тепловую энергию посредством повторного нагнетания горячей жидкости на некотором расстоянии от исходной точки впрыска.

Улучшенные геотермальные системы (EGS-системы) проектировались для разработки геотермальных ресурсов в сухих и непроницаемых скальных породах или твердых сухих скальных породах путем гидравлического разрыва пластов или фрекинга. Данная процедура предусматривает нагнетание под высоким давлением в нужный слой воды для образования новых и углубления существующих трещин и разрывов. После чего нагнетаемая вода проходит через разрывы, нагревается и извлекается через вторую скважину.

Методы извлечения геотермального тепла Методы извлечения геотермального тепла.

Важность мультифизического моделирования для задач геотермальной энергетики

Теплопередача в подземных пластах осуществляется за счет конвекции, рассеяния тепла и теплопроводности. Для моделирования необходимо знать тепловые характеристики используемых геологических слоев. Однако чаще всего мы можем получить только приблизительные данные, основываясь на геологических картах и образцах породы. Конвективная теплопередача, происходящая как вследствие естественных процессов (за счет выталкивающей силы), так и вследствие создания искусственного потока текучей среды через скважины, может играть в процессах важную, а иногда и главную роль.

В зависимости от геологических особенностей местности, подземные потоки могут проходить через полностью или частично насыщенные пористые среды, либо через трещины и разрывы. Несмотря на то, что различные методы извлечения геотермального тепла могут иметь фундаментальные различия, модуль Течения в пористых средах содержит все необходимые инструменты для моделирования подземных тепловых явлений и процессов. Вы с легкостью сможете объединить теплопередачу с полем скоростей.

В некоторых ситуациях может применяться двунаправленная взаимосвязь. При существенных перепадах температур уже нельзя пренебрегать зависимостью свойств материалов (например, проницаемости пород) от температуры, поэтому при моделировании их необходимо учитывать. Кроме того, в некоторых случаях следует учитывать процессы в пороупругих средах, в особенности, когда речь идет о фрекинге.

Пример: Тепловое воздействие массива скважинных теплообменников

Давайте взглянем на пример, демонстрирующий некоторые необходимые для моделирования геотермальных процессов функции. Следующая модель решает задачу о теплопередаче в геотермальной установке неглубокого залегания, встроенной в геологическую область. Область разделена на несколько частей, представляющих различные геологические слои, обладающие собственными характеристиками. Влияние сезонных изменений температуры на поверхности также учитывается при моделировании.

массив скважинных теплообменников
Массив скважинных теплообменников, расположенный по схеме 3×3 на глубине 135 метров в слое скальной породы. Каждый скважинный теплообменник в течение года извлекает тепло с интенсивностью 20 Вт/(м⋅К). Между отметками 60–70 метров расположен водоносный слой с потоком подземных вод, приводящим к возникновению теплопередачи посредством горизонтальной конвекции. Справа представлены температуры стенок трех скважинных теплообменников из средней части массива, соприкасающихся с каналом скважины. В результате теплового взаимодействия между рассеивателями тепла температура среднего скважинного теплообменника (зеленая линия) ниже температуры двух остальных. В области водоносного слоя тот из теплообменников, что находится к нему ближе остальных (красная линия), испытывает воздействие происходящих выше по течению процессов теплопередачи, что приводит к понижению температуры.

Моделирование необходимо для прогноза долгосрочных воздействий на скважинные теплообменники с тем, чтобы выяснить, сможет ли трубопровод избежать замерзания. Наиболее простой и быстрый способ моделирования скважинных теплообменников не предусматривает учета потоков и теплопередачи внутри скважины и заключается в применении граничного условия теплового потока к стенкам. Таким образом, скважина превращается в локальный рассеиватель тепла, и тепло будет двигаться по направлению к ней. В случае, если на площадке установлено более одного скважинного теплообменника, со временем они могут начать взаимодействовать. В частности, если в водоносном слое присутствует поток жидкости, между скважинами может установиться тепловая взаимосвязь. Данное тепловое взаимодействие может стать причиной существенного снижения КПД геотермальной системы в целом. С другой стороны, поток подземных вод также увеличивает тепловое воздействие на пласт. Надежный прогноз можно сделать только при наличии набора достаточно точных геологических данных.

Теплопередача через скважинный теплообменник с течением времени. Наибольшая температура на поверхности в зависимости от времени года изменяется в диапазоне 0—20 °C, что характерно для города в центральной Европе или для города на восточном побережье США. Обратите внимание, как термограмма вытягивается в направлении потока, расположенного в области водоносного слоя.

Сегодня мы продемонстрировали вам, как можно использовать мультифизическое моделирование для решения задач геотермальной энергетики. В следующих материалах из этой серии мы расскажем о более сложных моделях, включая совместное моделирование теплопередачи в пучках тепловых труб и течения подземных вод в пористой среде. Следите за обновлениями!

Материалы для дальнейшего изучения


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ