提高地?zé)衢_發(fā)熱能利用效率的研究

楊衛(wèi)+趙忠

摘要： 為提高地?zé)衢_發(fā)工程的熱能利用效率水平，筆者對影響熱能利用效率諸要素進(jìn)行深度研究。通過分離伴生氣，應(yīng)用分離的伴生氣進(jìn)行燃燒加熱地?zé)崴?，整個系統(tǒng)換熱效果明顯提升，提高了地?zé)崴臒崮芾眯?，還消減了伴生氣帶來的安全風(fēng)險，既很好經(jīng)濟(jì)效益又有不錯的社會效益。

Abstract： In order to improve the utilization efficiency of thermal energy in geothermal development project， the author deeply studies the factors that affect the utilization efficiency of heat energy. Through the separation of the associated gas which is used for burning and heating the geothermal water， the heat transfer efficiency of the whole system is improved， the thermal energy efficiency of geothermal water is improved， and the safety risk of the associated gas is reduced. So it has good economic and social benefits.

關(guān)鍵詞： 地?zé)衢_發(fā)；伴生氣分離；燃燒加熱；熱能利用效率

Key words： geothermal development；associated gas separation；combustion heating；heat utilization efficiency

中圖分類號：P314.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0103-02

1 概述

地?zé)衢_發(fā)中，地?zé)崴胁煌潭鹊睾幸约淄闉橹饕煞莸陌樯鷼猓捎诎樯鷼庵械募淄闅怏w易燃、易爆，給換熱站和地下井房帶來較大的安全風(fēng)險。如何把這種氣體風(fēng)險轉(zhuǎn)為收益，筆者對影響熱能利用效率諸要素進(jìn)行深度研究，應(yīng)用伴生氣分離燃燒設(shè)備，在河北容城領(lǐng)秀城和河北雄縣胡臺兩換熱站經(jīng)連續(xù)應(yīng)用試驗測試，提高地?zé)崴臒崮芾眯市Ч黠@，把伴生氣變廢為寶，既有利于安全運(yùn)行又能增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 伴生氣樣分析

①調(diào)研取樣和檢測化驗分析建檔。公司現(xiàn)場取58口井的氣樣，測算出42口井和39個換熱站伴生氣的流量數(shù)據(jù)，檢測化驗分析出這些伴生氣的成分?jǐn)?shù)據(jù)并建立檔案。

②伴生氣主要成分。經(jīng)現(xiàn)場取樣檢測化驗分析，地?zé)峋樯鷼獾闹饕煞质羌淄楹偷獨?。甲烷的密度比空氣輕，它是無毒、無色、無味的易燃易爆氣體。氮氣的密度比空氣輕，它是無毒、無色、無味的氣體。

2.2 閃蒸過程的熱能變化影響

當(dāng)水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下被加熱時，100℃是該壓力下液體水所能允許的最高溫度，再加熱也不能提高水的溫度，而只能將水轉(zhuǎn)化成蒸汽。

水在升溫至沸點前的過程中吸收的熱叫“顯熱”，或者叫飽和水顯熱。在同樣大氣壓力下將飽和水轉(zhuǎn)化成蒸汽所需要的熱叫“潛熱”。在一般場合下，熱的單位用千焦表示，它是指將1 kg水在1個大氣壓力下升高0.24℃所需要的熱量。

然而，如果在大于大氣壓的壓力下加熱水，水的沸點就要比100℃高，所以就要求有更多的顯熱。壓力越高，水的沸點就高，熱含量亦越高。壓力降低，部分顯熱釋放出來，這部分超量熱就會以潛熱的形式被吸收，引起部分水被“閃蒸”成蒸汽。

按照實用閃蒸汽計算公式可以計算出飽和狀態(tài)下閃蒸蒸汽的百分比：

飽和凝結(jié)水減壓時形成的閃蒸蒸汽百分比曲線圖見圖1所示。

利用供暖季節(jié)獲取的地?zé)崃黧w的壓力，對應(yīng)到圖1可以查詢該飽和壓力下，分離時能閃蒸的蒸汽量。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，在圖1插值可得在飽和狀態(tài)下約有2.5%左右的地?zé)崃黧w被閃蒸成蒸汽。但在實際分離器過程中，分離狀態(tài)是不飽和的，閃蒸成蒸汽的地?zé)崴陀谠撝怠?/p>

2.3 甲烷燃燒對熱能的影響

若分離出的伴生氣中含甲烷量較多，可以燃燒這些甲烷來加熱地?zé)崴栽黾拥責(zé)崴臒崮?。甲烷燃燒能夠提供的熱量公式是：Q（熱量）=甲烷熱值×甲烷的量

甲烷產(chǎn)生氣態(tài)水時的熱值是35900kJ/m3，通過計算和測量獲知甲烷的流量，因此可以計算每小時甲烷可產(chǎn)生的熱能。

研制的分離燃燒裝置的平均熱吸收效率在70%以上，大氣壓下液態(tài)水的比熱4200kJ/m3·℃。故常態(tài)下，一立方米甲烷燃燒的熱能對一立方米水進(jìn)行加熱時，水溫升高約6℃，計算公式：35900kJ/m3÷4200kJ/m3·℃×70%=5.98℃

通過該方法可計算出每口井的伴生氣能使改進(jìn)提升的溫度，在河北蓉城的領(lǐng)秀城換熱站，使用研制的伴生氣分離燃燒設(shè)備，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

我們在河北容城領(lǐng)秀城和河北雄縣胡臺兩換熱站經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定測試49小時的溫度變化情況如圖3和圖4所示。

從河北容城領(lǐng)秀城換熱站連續(xù)49小時的測試運(yùn)行數(shù)據(jù)和圖3看，分離地?zé)崴陌樯鷼獠⑷紵訜岬責(zé)崴苁沟責(zé)崴臏囟壬?，在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，平均溫度升高2.14℃，按照320m3/h的地?zé)崴髁?，能夠提供熱?96.27kW，按40W/m2的熱負(fù)荷計算，能夠提供19，907m2的供暖面積，按照20元/m2的供暖費(fèi)計算，每年能夠提供收入39.8135萬元。

從河北雄縣胡臺換熱站連續(xù)49小時的測試運(yùn)行數(shù)據(jù)和圖4看，分離地?zé)崴陌樯鷼獠⑷紵訜岬責(zé)崴苁沟責(zé)崴臏囟壬?，在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，平均溫度升高1.59℃，按照240m3/h的地?zé)崴髁?，能夠提供熱?43.72kW，按40W/m2的熱負(fù)荷計算，能增加供暖能力11，093m2，供暖費(fèi)按照20元/m2計算，每年能增加收入22.1860萬元。endprint

因此在伴生氣含量允許的情況下可以考慮分離并燃燒伴生氣以加熱地?zé)崴?，這樣不但能提高供暖效果，同時還能提高地?zé)峁┡慕?jīng)濟(jì)效益。

2.4 對流換熱系數(shù)對熱能的影響

對流換熱系數(shù)是指當(dāng)流體與固體表面之間的溫度差為1K時， 1m2的壁面面積在每秒所能傳遞的熱量，其大小反映對流換熱的強(qiáng)弱。

在不同的情況下，對流換熱系數(shù)會發(fā)生成倍直至成千倍的變化，影響對流換熱系數(shù)的因數(shù)主要有：①對流運(yùn)動成因和流動狀態(tài)。②流體的物理性質(zhì)（隨種類、溫度和壓力而變化）。③傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置。④流體有無相變（如氣態(tài)與液態(tài)之間的轉(zhuǎn)化）。水強(qiáng)制對流的對流換熱系數(shù)范圍在1000～15000，氣體強(qiáng)制對流的對流換熱系數(shù)范圍在20～100。

含伴生氣的地?zé)崴鲬B(tài)和物理性質(zhì)在分離前后有很大的變化：分離前是氣液混合的兩相流，分離出伴生氣之后，地?zé)崴畮缀踝兂闪艘簯B(tài)的單向流。

按上述分析可知，地?zé)崃黧w中含伴生氣越多，在分離伴生氣之后，地?zé)崴畬α鲹Q熱系數(shù)就升高的越大，即分離后的地?zé)崴趽Q熱器內(nèi)的換熱效果要好于分離前的換熱效果。

在商河的簡易分離器分離伴生氣之后，板式換熱器的換熱效率平均提升了13.1%。

通過上面的分析可知，不管是只分離還是分離加燃燒，治理伴生氣之后，整個系統(tǒng)的換熱效果是提高了的。因此，通過治理伴生氣之后，不但解決了伴生氣的安全風(fēng)險，同時還提高了地?zé)崴臒崮芾眯省?/p>

3 結(jié)論

①經(jīng)測試運(yùn)行分析，河北容城領(lǐng)秀城換熱站安裝伴生氣分離燃燒設(shè)備后，分別能夠提供熱能796.27kW和443.72kW，每年分別能增加收入39.8135萬元和22.1860萬元。提高地?zé)崴臒崮芾眯市Ч黠@。②在商河的簡易分離器分離伴生氣之后，板式換熱器的換熱效率平均提升了13.1%。③筆者認(rèn)為：通過分離伴生氣，應(yīng)用分離的伴生氣進(jìn)行燃燒加熱地?zé)崴麄€系統(tǒng)換熱效果明顯提升，提高了地?zé)崴臒崮芾眯剩€消減了伴生氣帶來的安全風(fēng)險，既很好經(jīng)濟(jì)效益又有不錯的社會效益。隨著本項目研究的不斷深入，將有很好的推廣應(yīng)用前景。

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