Моделирование восходящего потока пароводяной смеси в геотермальной скважине с учетом фазовых превращений

Abstract

Геотермальная энергетика является довольно перспективной для Камчатского края, возможности региона позволяют обеспечить территорию тепло- и электроэнергией за счет геотермальных станций. Однако разработка новых геотермальных месторождений связана с определенными рисками: чтобы проверить, подходит ли скважина для эксплуатации, необходимо проводить экспериментальные исследования или моделировать процесс. Целью работы является создание квазиодномерной физико-математической модели тепломассопереноса парожидкостной смеси в геотермальной скважине. Впервые эти процессы описываются в стационарном приближении. В модели были использованы уравнения механики многофазных сред: закон неразрывности, закон сохранения импульса, закон сохранения энергии. Исходная задача в данной постановке разбивается на две: внутреннюю, в которой описывается движение пароводяной смеси по стволу скважины с учетом фазовых переходов, и внешняя, в которой определяется тепловой поток в системе теплоноситель-многослойная стенка скважины-порода. Разработанная модель позволяет рассчитывать основные параметры скважины (давление, скорость пара, сухость), отвечающие за эффективность использования геотермальной скважины. Задача была решена численно с учетом симметрии скважины, что позволило уменьшить количество входных параметров и сократить время расчета. По результатам расчетов удалось определить, что сухость пара увеличивается на 8% за 350 м. Это обусловлено невысокими значениями тепловых потерь и снижением давления при движении пароводяной смеси вверх. Определено, что скорость пароводяной смеси при ее движении от забоя геотермальной скважины вверх возрастает на 220%, несмотря на наличие диссипативных сил, вызванных трением потока о стенку скважины.

Geothermal energy is quite promising for Kamchatka Krai; the region’s capabilities allow to provide the territory with heat and electricity through geothermal plants. However, the development of new geothermal fields is associated with certain risks: to check whether the well is suitable for exploitation, it is necessary to conduct experimental studies or model the process. The aim of the work is to create a quasi-one-dimensional physical and mathematical model of heat and mass transfer of a vapor-liquid mixture in a geothermal well. For the first time these processes are described in the stationary approximation. In the model were used equations of multiphase media mechanics. The initial problem is divided into two: internal, in which the movement of vapor-water mixture along the wellbore is described considering phase transitions, and external, in which the heat flow in the heat carrier-well-rock system is determined. The developed model allows to calculate the main well parameters (pressure, steam velocity, steam quality) responsible for the efficiency of geothermal well operation. The problem was solved numerically considering the symmetry of the well, which allowed to reduce the number of input parameters and calculation time. It was determined that the steam quality increases by 8% for 350 m. This is due to low values of heat losses. The velocity of steam-water mixture in its upward movement from the bottom of the well increases by 220%, despite the presence of dissipative forces caused by the friction of the flow against the wall of the well.