一种干热岩发电及综合利用系统的经济性评价方法技术方案

本发明专利技术公开了一种干热岩发电及综合利用系统的经济评价方法，涉及经济评价技术领域，本发明专利技术基于干热岩资源特性及资源地能源需求，构建干热岩发电及综合利用模式，可以进行发电、制冷、供暖等，本经济性评价模型包括热储模块、井筒模块、地面模块，其中地面模块可以包括发电系统、供暖系统等，发电方式可以采用有机朗肯循环、双级闪蒸循环等。本发明专利技术综合考虑系统热力性能、经济效益、碳减排收益，定性定量且直观有效的评价干热岩发电及综合利用系统在整个生命周期中的经济性能。该经济性评价方法适应性强，应用范围广，可以对干热岩资源开发提供指导。提供指导。提供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种干热岩发电及综合利用系统的经济性评价方法


[0001]本专利技术涉及经济评价
，具体涉及一种干热岩发电及综合利用系统的经济评价方法。

技术介绍

[0002]干热岩一般指赋存于地下3～10km具有经济开发价值的高温岩体，在地球上的蕴藏量十分丰富。保守估计地壳中干热岩(3～10千米深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。
[0003]我国干热岩资源勘查及干热岩开发技术研究还处在起步阶段，目前开展了初步的资源勘查和相关技术研究，取得了一定的成果，但是与发达国家相比，还是有很大的距离。干热岩地层属于高温高压环境，相应的操作、方法、设备要求均高于常规地热，整体开发费用明显增高。无论是从度电成本还是初期投资成本的角度来看，干热岩的发电成本还是很高，距离商业化开发还有很长的路要走。基于此，本专利技术提出了一种干热岩发电及综合利用系统经济性评价方法，为我国干热岩开发示范工程的建立提供科学的参考依据，也为今后干热岩的商业开发提供经济可行的方案。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种干热岩发电及综合利用系统的经济性评价方法，遵循“分配得当，各得其所，温度对口，梯级利用”的思路，基于干热岩资源禀赋与能源需求，构建宽适应性干热岩发电及综合利用模式，建立耦合热储模块、井筒模块、地面模块的热力学和经济性模型，考察干热岩发电及综合利用系统的热经济性能。
[0005]所述的评价方法包括如下步骤：
[0006]步骤(1)：采集干热岩热储参数，包括岩体密度、杨氏模量、泊松比、断裂韧性、渗透率、孔隙率、岩体热导率、岩体比热容、地温梯度、热储温度、热储压力、热储厚度、裂隙宽度、裂隙长度等；
[0007]步骤(2)：采集注入井、生产井参数，包括井深、生产井内径、外径、表面粗糙度等；
[0008]步骤(3)：采集干热岩资源开采方式，包括生产井数量、注入井数量；
[0009]步骤(4)：采集资源地环境特性，包括年极端最高温度、极端最低温度、平均温度、相对湿度、平均湿度等；
[0010]步骤(5)：分析资源地能源需求，包括电力需求、供暖需求、干燥需求、制冷需求等；
[0011]步骤(6)：构建干热岩发电及综合利用系统模式，例如干热岩发电及供暖系统、干热岩冷热电联供系统、干热岩冷热电干燥系统等；
[0012]步骤(7)：建立热储模块热力学模型，进行求解，获得生命周期内热储出口地热流体温度、流量、压力的演变规律；
[0013]步骤(8)：建立井筒模块热力学模型，进行求解，获得生命周期内注入井和生产井井口地热流体温度、流量、压力的演变规律；
[0014]步骤(9)：建立地面模块热力学模型，进行求解，获得发电系统效率、供暖热负荷等；
[0015]步骤(10)：建立热储模块经济学模型，基于热储热力性能求解结果，获得热储刺激费用、压裂费用、地质勘探费用等；
[0016]步骤(11)：建立井筒模块经济学模型，基于井筒热力性能求解结果，获得钻完井费用等；
[0017]步骤(12)：建立地面模块经济学模型，基于地面模块热力性能求解结果，获得发电设备费用、供暖设备费用等；
[0018]步骤(13)：建立碳减排收益经济学模型，基于发电系统发电量、供暖系统热负荷和碳交易价格，获得干热岩发电及综合利用系统碳减排收益；
[0019]步骤(14)：计算发电及综合利用系统总投资，包括地质勘探费用、钻完井费用、热储刺激费用、地面设备费用等。
[0020]步骤(15)：计算系统运营维护费用，包括井场运营维护费用和地面设备运营维护费用；
[0021]步骤(16)：计算发电及综合利用系统经济性能，基于系统运行寿命、银行利率、系统年运行时间、电价、供暖价格、碳交易价格等，计算干热岩发电及综合利用系统平准化度电成本。
[0022]进一步的，所述步骤(7)中热储模块可以采用平行多裂隙模型、一维线性热扫描模型、m/A热衰减模型、百分比热衰减模型。步骤(1)采集的热储参数用于步骤(7)热储模块的计算，获得生命周期内热储出口地热流体温度、流量、压力的演变规律。具体模型如下：
[0023]1)平行多裂隙模型：
[0024][0025]通过拉普拉斯变换后热储出口地热流体无因次温度为：
[0026][0027]式中，T
W,out
为热储出口地热流体温度(℃)；T
r,0
为热储初始温度(℃)；T
W,in
为热储入口地热流体温(℃)。s为拉普拉斯变量，s
‑1；ρ
W
为地热流体的温度，℃；C
W
为地热流体的比热容，J/(kg
·
K)；Q为单位裂隙、单位裂隙深度的地热流体体积流量，m2/s；x为裂隙间隔宽度的一半，m；k
r
为岩石的热导率，W/(m
·
K)；H为裂隙的高度，m。
[0028]2)一维线性热扫描模型：
[0029][0030]该模型假设热储入口指定流体温度保持恒定，生产井无因次温度为：
[0031][0032]其中：
[0033][0034]式中，NTU为传热单位元数；γ为储热率。
[0035]NTU表示为：
[0036][0037]γ表示为：
[0038][0039]其中，Φ为岩石的孔隙率；ρ
r
为岩石的密度，kg/m3；C
r
为岩石的比热容，J/(kg
·
K)；t
res
为地热流体在热储中的停留时间，s；τ
ef,r
为岩石的有效时间常数，s。
[0040]τ
ef,r
表示为：
[0041][0042]其中，r
ef,r
代表整个岩石块的有效岩石半径，m；α为岩石的热扩散率，m2/s；Bi为毕奥数； 0.2代表传到路径长度与r
ef,r
的比值。
[0043]r
ef,r
表示为：
[0044][0045]Bi表示为：
[0046][0047]式中，V为岩石块的平均体积，m3；h为岩石的表面传热系数，W/(m2·
K)；0.83代表热储中不规则形状岩块分布的典型平均球度。
[0048]3)m/A热衰减模型
[0049]该模型将热储表示为单个矩形裂缝，在规定的面积内，流体均匀地流过断裂表面。质量加载参数(m/A)定义为单位面积的单侧裂隙的质量流量，kg/(s
·
m2)。无因次温度表示为：
[0050][0051]式中，m为地热流体流量，kg/s，A为单侧裂隙表面积，m2。
[0052]4)百分比热衰减模型
[0053]t年后无因次地热流体出水温度表示为：
[0054][0055]式中，p为每年温度下降的百分比，t为年。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干热岩发电及综合利用系统的经济性评价方法，其特征在于，所述干热岩发电及综合利用系统包括地面模块、井筒模块和热储模块，所述方法包括以下步骤：采集干热岩的热储参数、注入井和生产井的参数、干热岩的资源开采方式、资源地的环境特性；分析资源地的能源需求；根据采集的参数以及能源需求，建立所述干热岩发电及综合利用系统的评价模型，其中，建立热储模块的热力学模型、井筒模块的热力学模型和地面模块的热力学模型并对上述热力学模型进行求解；建立热储模块的经济学模型、井筒模块的经济学模型和地面模块的经济学模型，根据热力学模型的求解结果求解上述经济学模型，获得各经济学模型相应的费用；建立碳减排收益的经济学模型并进行求解，获得所述干热岩发电综合利用系统的碳减排收益；计算所述干热岩发电综合利用系统的总投资、运营维护费用；综合计算所述干热岩发电及综合利用系统的经济性能。2.根据权利要求1所述的经济性评价方法，其特征在于，所述热储模块的热力学模型包括：平行多裂隙模型和一维线性热扫描模型，其中，1)平行多裂隙模型：通过拉普拉斯变换后，热储出口地热流体无因次温度为：式中，T
W,out
为热储出口地热流体温度，℃；T
r,0
为热储初始温度，℃；T
W,in
为热储入口地热流体温，℃；s为拉普拉斯变量，s
‑1；ρ
W
为地热流体的温度，℃；C
W
为地热流体的比热容，J/(kg
·
K)；Q为单位裂隙、单位裂隙深度的地热流体体积流量，m2/s；x为裂隙间隔宽度的一半，m；k
r
为岩石的热导率，W/(m
·
K)；H为裂隙的高度，m；2)一维线性热扫描模型：该模型假设热储入口指定流体温度保持恒定，生产井无因次温度为：其中：式中，NTU为传热单位元数；γ为储热率；NTU表示为：
γ表示为：其中，Φ为岩石的孔隙率；ρ
r
为岩石的密度，kg/m3；C
r
为岩石的比热容，J/(kg
·
K)；t
res
为地热流体在热储中的停留时间，s；τ
ef,r
为岩石的有效时间常数，s；τ
ef,r
表示为：其中，r
ef,r
代表整个岩石块的有效岩石半径，m；α为岩石的热扩散率，m2/s；Bi为毕奥数；0.2代表传到路径长度与r
ef,r
的比值；r
ef,r
表示为：Bi表示为：式中，V为岩石块的平均体积，m3；h为岩石的表面传热系数，W/(m2·
K)；0.83代表热储中不规则形状岩块分布的典型平均球度。3.根据权利要求2所述的经济性评价方法，其特征在于，所述热储模块的热力学模型还包括：m/A热衰减模型和百分比热衰减模型，其中，3)m/A热衰减模型该模型将热储表示为单个矩形裂缝，在规定的面积内，流体均匀地流过断裂表面；质量加载参数定义为单位面积的单侧裂隙的质量流量，kg/(s
·
m2)；无因次温度表示为：式中，m为地热流体流量，kg/s，A为单侧裂隙表面积，m2；4)百分比热衰减模型t年后无因次地热流体出水温度表示为：式中，p为每年温度下降的百分比，t为年。4.根据权利要求3所述的经济性评价方法，其特征在于，所述井筒模块的热力学模型包括：利用Ramey的井筒传热模型计算生产井筒的热损失，其中，生产井中地热流体的温降为：
式中，T
r,0
为井底岩石的初始温度，℃；T
w
为井底地热流体的温度，℃；ω为平均地温梯度，℃；L为热储的深度，m，等于垂直地热井的深度；假设套管和水泥的热阻忽略不计，Γ计算方法如下：式中，m
pro
为生产井的流量，kg/s；f(t)为线性热源的时间常数；f(t)表示为：式中，d
cas
为套管的外径，m；t为生产井的累计生产时间；注入井和生产井水泵功耗通过计算井内的摩擦压降、静水压降和储层压降来确定；摩擦压降为：式中，f为达西摩擦因子；ρ
w,well
为地热流体平均密度，kg/m3；v为地热流体的平均流速，m/s；d
well
为井筒的直径，m；对于湍流，达西摩擦因子表示为：式中，e为井筒管的表面粗糙度；Re为雷诺数；静水压力通过下式计算：ΔP
well,hydro
＝ρ
w,well
gL[Pa]

【专利技术属性】
技术研发人员：王令宝，郭志鹏，卜宪标，李华山，龚宇烈，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：