新型3D U形闭环地热系统的性能分析及经济可行性研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance analysis and economic viability of novel 3D U-shaped closed-loop geothermal system

三维U型封闭地热系统通过优化井几何结构显著提升热交换效率，经数值模拟与经济分析表明，其最低度电成本较传统设计降低60.5%，热输出提高145%，关键参数包括30L/s流量、2800米水平井长、3400米垂直井深等。

　　近年来，随着全球能源结构的转型，对可靠可再生能源技术的需求日益增加。地热能作为一种稳定的可再生能源，因其不受天气条件影响而具有独特的优势。然而，传统的增强型地热系统（EGS）在实际应用中面临诸多挑战，如地层诱发地震、流体损失以及化学结垢等，这些因素限制了其长期运行的稳定性和经济性。因此，研究者们开始探索新的地热系统设计，特别是封闭式地热系统（CLGS），以克服传统系统的局限性。

封闭式地热系统通过密封的井筒回路循环工作流体，从而实现地热能的提取，而无需直接接触地层。这种设计避免了对地层渗透性的依赖，同时减少了流体交换带来的环境风险，从而拓展了地热能技术的适用范围。尽管如此，现有的CLGS架构在热交换面积和流体停留时间方面仍有不足，导致其热能提取效率低于传统的开式系统。为了提升CLGS的性能，研究人员不断尝试不同的井结构设计，如水平井、多分支井以及共轴井等，以优化热能提取效果。

近年来，地热系统的研究逐渐从单一的设计转向系统化的性能优化。例如，Wang等人（2020、2021）分析了不同共轴CLGS配置的性能特征，表明多分支井设计可以通过增加井筒与地层的接触面积，实现更高效的热能提取。Budiono等人（2022）进一步确认了U型系统在热能提取方面的优势，而Xiao等人（2023）则通过经济评估模型，强调了热能效率对于CLGS经济可行性的重要性。尽管这些研究为CLGS的发展提供了理论支持，但它们大多局限于平面井结构的设计，未能充分利用三维空间来提升热能提取性能。

为了突破这一瓶颈，本研究提出了一种新型的三维U型CLGS配置。该设计通过优化井筒几何结构，解决了传统热能提取系统中的关键问题。三维U型井结构由垂直注入井和生产井组成，中间通过水平直段和水平弯段连接，形成了一个三维空间内的热能交换路径。这种结构不仅增加了井筒与地热储层的接触面积，还通过控制流体循环模式，提升了热能提取的效率。相比传统的平面井设计，三维U型结构能够更有效地利用三维热交换机制，从而实现更高的热能输出。

在实际应用中，CLGS虽然避免了许多传统EGS的技术和操作限制，但其推广仍面临一定的挑战，尤其是在钻井成本和施工复杂性方面。因此，CLGS的经济可行性高度依赖于两个关键因素：一是实现足够的热能提取效率，以抵消高昂的资本投入；二是开发适用于复杂井结构的实用钻井和完井技术。为了解决这些问题，本研究已提交相关专利，分别涉及三维U型井结构的理论设计（美国专利申请号：19/334,224）和实际施工方法（中国专利：三维U型井结构钻井和完井方法）。这些专利为CLGS的推广提供了技术支撑。

为了验证模型的准确性，本研究进行了网格独立性验证和模型验证。通过测试不同网格密度，研究了三维U型井结构出口温度对网格的敏感性。如图5所示，当网格单元数少于100,000时，出口温度随着网格数量的增加而显著下降；当网格单元数超过100,000时，出口温度的变化趋于平缓，表明模型在该网格密度下已达到收敛。此外，模型验证还包括与实际运行数据的对比，以确保模型能够准确预测系统的热能提取效率和经济性。

在结果分析中，本研究以参考模型为基准，通过单变量控制的方法，探讨了不同参数对地热能发电的影响。例如，在研究注入流量对地热能发电的影响时，仅调整注入流量，而保持其他参数不变，以确保结论的可靠性。在比较不同井结构设计时，由于井结构本身的特性，不同设计的总井长度存在差异。因此，研究者们通过系统化的方法，对不同井结构的热能提取效率和经济性进行了评估，以确定最优设计和运行参数。

本研究的实验结果表明，三维U型CLGS配置在热能提取效率和经济性方面均优于传统平面设计。在优化条件下，系统实现了比参考模型低60.5%的平准化发电成本（LCOE），并且在对比其他井结构设计时，显示出52-88%的成本优势。此外，系统在20年运行后仍能维持43°C的出口温度，并能够产生135 GWh的电力，比参考模型高出145%的热能输出。这些结果不仅验证了三维U型CLGS在热能提取方面的潜力，还为下一代地热系统的开发提供了新的设计思路。

综上所述，本研究通过结合热能-流体耦合建模与技术经济分析，开发并评估了一种新型的三维U型CLGS配置。该系统在热能提取效率和经济性方面均表现出色，为地热能技术的进一步发展提供了重要参考。此外，研究者们还通过系统化的参数敏感性分析，确定了最优的运行参数，为CLGS的实际应用提供了理论支持。未来，随着技术的不断进步和成本的降低，三维U型CLGS有望成为地热能开发的重要方向，为实现能源安全和应对气候变化提供更加可靠和经济的解决方案。