深部煤層伴生廢熱新模式開發(fā)及適用性分析

張彥廷，張 晧，王 林，徐敬玉，綦耀光，黃 崢

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院，青島 266580；2.河南科技大學土木工程學院，洛陽 471003；3.上海昊姆節(jié)能科技有限公司，上海 200335)

隨著煤層地質(zhì)的研究探索，現(xiàn)已探明1 000～2 000 m的深部煤層氣資源量達到了22.5×1012m3，占到了現(xiàn)有2 000 m以淺煤層氣資源量的61.1%[1]。根據(jù)現(xiàn)有深部煤層的開發(fā)研究表明，深部煤層具有“高溫、高儲層應力、低滲透率”等特點[2-4]，以此深部煤層氣及煤層伴生水均有高溫、高壓等特點，在開采過程中不但開發(fā)難度大，且高溫產(chǎn)物開發(fā)過程相對淺部煤層的開發(fā)還具有一定的安全隱患。為此，希望可以結合地面熱泵技術，一方面將深部煤層高溫、高壓產(chǎn)物的能量利用起來，另一方面可解決將高溫、高壓產(chǎn)物伴生的安全隱患問題。

通過分析具體區(qū)塊深部煤層及其產(chǎn)物的自身特征，對比深、淺煤層氣在開發(fā)過程中的差異，探討將深部煤層氣開發(fā)中的廢熱進行有效利用，并規(guī)劃熱泵系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境，分析不同工況下熱泵系統(tǒng)以煤層伴生廢熱為熱源的熱力學性能。按照地層溫度規(guī)律，將儲層為90 ℃劃為臨界點，分別將儲層溫度90 ℃以下的低溫儲層與儲層溫度90～150 ℃的中溫儲層的廢熱作為熱源[5]，研究儲層工質(zhì)攜帶廢熱在井筒內(nèi)的變化規(guī)律及熱泵系統(tǒng)在該環(huán)境下的適用性分析。建立出熱泵系統(tǒng)模型，對具體工況下熱泵利用煤層伴生廢熱的能效系數(shù)及制熱量進行評判分析。

1 深部煤層工質(zhì)攜廢熱的熱能預測

地熱開發(fā)通過將地下的熱量提取出地面進行開發(fā)利用，具備環(huán)保、高效等特性[6-8]，于是考慮將地熱開發(fā)技術運用在深部煤層氣的排采作業(yè)中，需要考慮深部煤層產(chǎn)物的可用熱量是否值得進行地熱開發(fā)。為此，首先需要對深部煤層產(chǎn)物的熱能進行預測及計算。

1.1 煤層的深度、溫度關系

深部煤層與淺部煤層的開發(fā)機理類似，均是通過降壓排水解吸來實現(xiàn)煤層氣的生產(chǎn)作業(yè)[9-10]，但由于其埋藏較深，儲層溫度隨著埋深增加而逐漸增大，根據(jù)楊緒充所研究的有關東營凹陷地溫與深度關系[11]如圖1所示。其研究表明，在東營凹陷區(qū)塊的地層溫度與深度關系表示為初始溫度為14 ℃時，儲層深度每增加100儲層溫度增加3.6 ℃。則可以得出煤層溫度與深度的關系表達式為

圖1 東營凹陷地溫與深度關系[11]Fig.1 Relationship of deep and temperature in Dongying depression block[11]

Tc=T0+ζHc

(1)

式(1)中：Tc為煤層溫度，℃；T0為初始溫度，℃；ζ為地溫梯度系數(shù)，℃/m；Hc為煤層深度，m。

1.2 產(chǎn)物廢熱估算模型

在儲層溫度已知的基礎上，可以對深部煤層產(chǎn)物的伴生能量進行預估[12]。深部煤層的產(chǎn)物包括煤層氣及煤層伴生水，假設煤層伴生水的物理特性近似于水，在不同壓力環(huán)境下其定壓比熱容如圖2[13]所示。

圖2 不同壓力環(huán)境下水的比熱容Fig.2 Specific heat capacity of water under different pressure environments

如圖2中水的比熱容變化曲線所示，壓力越高比熱容越小，且于30 ℃(303.15 K)為臨界點，小于30 ℃時比熱容隨溫度降低而增加，大于30 ℃時比熱容隨溫度降低而減少。建立節(jié)點i，表示煤層伴生液的溫度狀態(tài)節(jié)點，則一定體積的水由Ti到Ti-1狀態(tài)下釋放的熱量為

Qi=1 000Vwci(Ti-Ti-1)

(2)

式(2)中：Ti與Ti-1分別表示伴生液在節(jié)點i與節(jié)點i-1的溫度,Ki。Qi表示額定量水由Ti到Ti-1狀態(tài)下釋放的熱量，J；Vw為水的體積，m3；ci為Ti條件下伴生液的比熱容，J/(kg·K)。

將Ti到Ti-1狀態(tài)設為微小單元dT，將圖2比熱容曲線擬合為以溫度為變量的函數(shù)c(T)，則節(jié)點由n到m狀態(tài)下水釋放的熱量為

(3)

式(3)中:Qw表示Vw體積水由Tn到Tm狀態(tài)下釋放的熱量，即深部煤層伴生水的可用熱量，J；cw為伴生液隨溫度變化的比熱容，J/(kg·℃)。

不考慮污垢熱阻，根據(jù)地層傳熱模型計算傳輸過程中的工質(zhì)攜廢熱的熱量損失為

(4)

式(4)中:Qs表示井筒內(nèi)工質(zhì)攜廢熱損失的熱量，數(shù)值為負表示熱量傳遞方向，J；r1表示有效傳熱地層邊緣半徑，m；r2表示套管與地層接觸邊緣半徑，m；r3表示套管與油管接觸邊緣半徑，m；r4表示油管與工質(zhì)接觸邊緣半徑，m；l表示隨井深度，m。

2 深煤層廢熱熱源的熱泵系統(tǒng)應用

深部煤層的地熱開發(fā)技術可以歸結為提取煤層液態(tài)工質(zhì)所攜帶的廢熱技術，在滿足深部煤層氣工藝要求的前提下，攜帶出的廢熱可作為熱泵系統(tǒng)的熱源進行有效利用，提高資源開采收益的同時減少煤層工質(zhì)伴生高溫帶來的安全隱患。

將煤層廢熱作為熱泵系統(tǒng)的熱源，可根據(jù)廢熱質(zhì)量來決定熱泵的熱產(chǎn)質(zhì)量，其相關工藝如圖3所示。

圖3 深部煤層全熱交換技術Fig.3 Deep coal seam full heat exchange technology

深部煤層廢熱可否作為熱泵的熱源進行有效利用，需要分析此應用的適用性及可行性，為此，主要從廢熱的經(jīng)濟價值及系統(tǒng)的安全性兩方面來進行分析。

2.1 深部煤層地熱開發(fā)的經(jīng)濟性

根據(jù)上述深部煤層產(chǎn)物預測的計算方法，預測現(xiàn)有深部煤層產(chǎn)物的可用熱能。

根據(jù)現(xiàn)場儲層的數(shù)據(jù)規(guī)律，假使已探明的深部煤層氣儲層的平均氣液比(WGR)為0.7，則22.5×1012m3的煤層氣含有15.75×1010m3伴生液，將地溫梯度系數(shù)取經(jīng)驗值0.03[14]，初始溫度設為26 ℃，標準大氣壓下，伴生液所含熱能為1.975×1016～3.957×1016kJ，煤層氣所含熱能為1.12×1015～2.28×1015kJ，伴生液與煤層氣總體熱量相當于(7.12～14.3)億t標準煤，對于開發(fā)煤層的伴生熱能而言，具有一定的經(jīng)濟價值。

煤層的地熱開發(fā)不同于干熱巖循環(huán)換熱技術[15]，是為獲取儲層熱量的同時減小高溫產(chǎn)物地面運輸過程中的安全隱患，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，煤層儲層溫度小于50 ℃構不成安全隱患且經(jīng)濟性不高的情況下不建議采用深部煤層地熱開發(fā)工藝技術。

2.2 熱泵系統(tǒng)的安全性分析

熱泵系統(tǒng)的安全隱患主要體現(xiàn)在工作中壓縮機出現(xiàn)液擊以及冷媒排氣過熱度過高導致潤滑油膠化等現(xiàn)象，其中高冷凝溫度環(huán)境下選用的冷媒熱物性以及熱泵自身的循環(huán)結構均具有顯著影響。

冷凝溫度越高，選用冷媒所具有的臨界溫度則越高，將一些具備高臨界溫度的冷媒稱為高溫冷媒，現(xiàn)在階段常見的高溫冷媒包含R245fa、R600等，通過Refprop9.1中對上述高溫冷媒T-s特性的參數(shù)描述，如圖4所示。

圖4 常見高溫冷媒的T-s特性Fig.4 T-s characteristics of common high-temperature refrigerants

如圖4所示，常見的高溫冷媒從工質(zhì)屬性上均具備濕工質(zhì)特性[16]，在該應用中，由于深部煤層所攜帶的廢熱溫度較高，通過上述的廢熱計算模型，井深1 000～2 000 m的煤層出水溫度可達到44～63 ℃，在高溫熱泵作業(yè)下，冷凝溫度可達到90～100 ℃來生產(chǎn)高溫熱產(chǎn)，以此涉及熱泵中需采用高溫冷媒進行循環(huán)作業(yè)。通常情況下，具備濕工質(zhì)特性的高臨界溫度冷媒在實際工作中使得壓縮機存在液擊隱患，為此需要對熱泵循環(huán)進行優(yōu)化，將冷媒進氣溫度可控化，保持良好的進氣過熱度，一方面避免熱泵系統(tǒng)工作時壓縮機液擊，一方面控制熱泵排氣過熱度，保障壓縮機壽命，提高系統(tǒng)安全性。

借鑒2019年Hoon等[17]提出的可調(diào)式回熱器設計，可將原有循環(huán)結構進行優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 高溫熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化循環(huán)結構Fig.5 Optimal circulation structure of high temperature heat pump system

通過回熱器作用可將冷凝器排出冷媒的一部分熱量用于提升蒸發(fā)器排出冷媒的過熱度，在適當過熱度作用下避免濕工質(zhì)在壓縮機中的液擊現(xiàn)象[18-19]，以此提高系統(tǒng)工作的經(jīng)濟性與安全性。

2.3 適用性分析及可用條件

從經(jīng)濟角度出發(fā)，為求深部煤層地熱開發(fā)利益最大化，通過深部煤層的熱儲量估算，層間廢熱具有一定的利用價值。從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，優(yōu)化后的熱泵循環(huán)結構可避免出現(xiàn)壓縮機液擊、排氣過熱度過高等安全隱患，即深部煤層廢熱可適用于熱泵工作。

由儲層深度不同所對應的廢熱溫度不同，可根據(jù)儲層溫度及沿程熱損判定開發(fā)條件及作業(yè)工藝，如圖6所示。

圖6 深部煤層地熱開發(fā)的適用條件Fig.6 Applicable conditions for deep coal seam geothermal development

3 示例分析

以鄂爾多斯東緣神府地區(qū)某區(qū)塊深部煤層氣井為例，其井深為2 224 m，地溫梯度系數(shù)為0.026 3，某區(qū)塊反饋平均單井初期產(chǎn)水量為23 m3/d，日產(chǎn)氣量可忽略不計，通過計算該井儲層溫度可以達到82.376 ℃(355.526 K)，地層傳導系數(shù)為0.35。通過COMSOL軟件代入模型仿真，以灌采井替代煤層產(chǎn)水來簡化模型，得出排采工質(zhì)的溫度變化如圖7所示。井口排出的工質(zhì)溫度Tc0=55.7 ℃，符合中低溫熱泵適用條件，設定蒸發(fā)溫度Teva=45 ℃，得出每天單井可換取的熱量Qc=9.82×105kJ。將冷凝溫度Tcond的范圍設定為70～90 ℃來生產(chǎn)不同質(zhì)量的熱水，假定不考慮過程熱損、不考慮過程壓損，采用圖5中帶有中間回熱器的熱泵系統(tǒng)進行運算[20]。熱泵系統(tǒng)采用R245fa為循環(huán)冷媒，通過調(diào)取Refprop中冷媒的狀態(tài)參數(shù)結合上述設定的溫升條件，壓縮機壓比范圍為2.07～3.417。冷凝器放熱后出口處的冷媒狀態(tài)為冷凝壓力下的飽和液態(tài)。隨后經(jīng)過回熱器進行回熱過冷并進入膨脹閥實現(xiàn)等焓降壓，由此得出冷媒進蒸發(fā)器前的比焓表示為heva-in。

圖7 COMSOL模擬工質(zhì)隨井溫度變化Fig.7 COMSOL simulation of working fluid changes with well temperature

heva-in=hcond-out-hIHX-co

(5)

式(5)中：heva-in、hcond-out與hIHX-co分別為蒸發(fā)器進口的冷媒比焓、冷凝器出口的冷媒比焓(冷凝壓力下冷媒飽和液態(tài)比焓)以及回熱器中冷媒損失的比焓，kJ/kg。

由此得出穩(wěn)定供熱源Qc下熱泵系統(tǒng)循環(huán)冷媒的循環(huán)流量mm為

mm=heva-out-heva-in

(6)

式(6)中：mm為熱泵系統(tǒng)循環(huán)冷媒的循環(huán)流量，kg/s；heva-out表示為蒸發(fā)器出口的冷媒比焓(蒸發(fā)壓力下冷媒飽和氣態(tài)比焓)，kJ/kg；heva-in為蒸發(fā)器進口的冷媒比焓以及回熱器中冷媒損失的比焓，kJ/kg。

通過系統(tǒng)內(nèi)壓力變化，得出冷凝器進口處的冷媒比焓。結合式(5)與式(6)，冷凝器的總的制熱量表示為冷凝器進出口冷媒的比焓差與循環(huán)冷媒流量的乘積：

Qh=mm(hcond-in-hcond-out)

(7)

式(7)中：hcond-in與hcond-out為冷凝器進、出口的冷媒比焓，kJ/kg；Qh為冷凝器的總制熱量，kJ。

此外，冷媒壓縮過程中需要考慮其相態(tài)變化，根據(jù)上述模型計算，不同回熱過冷度下得到熱泵排氣過熱度變化如圖8所示。當回熱過冷度小于等于1 ℃時，系統(tǒng)工作中壓縮機出現(xiàn)液擊現(xiàn)象，為此后續(xù)分析的回熱過冷度范圍被設定為2～5 ℃。

假定熱產(chǎn)低溫水初始溫度為30 ℃，冷凝器換熱夾點溫度為5 ℃。由于冷凝溫度變化，熱產(chǎn)高溫水的溫度范圍為65～85 ℃。代入上述模型計算，單井平均供熱下，熱泵系統(tǒng)不同冷凝溫度的制熱量變化趨勢如圖9所示。圖9顯示，回熱過冷度對于系統(tǒng)制熱量的影響并不顯著，但隨著冷凝溫度升高，單井供熱下系統(tǒng)的制熱量提升了11.94%～12.14%。這是由于供熱源恒定下系統(tǒng)的功耗隨著系統(tǒng)內(nèi)壓比的升高而增大。對于系統(tǒng)而言，需要比對其能效系數(shù)(COP)來判定煤層氣井的廢熱利用程度。

系統(tǒng)的COP表示為系統(tǒng)制熱量與系統(tǒng)功耗之比，在不同冷凝溫度下，系統(tǒng)COP變化如圖10所示。

圖8 不同回熱過冷度對系統(tǒng)的影響Fig.8 Effect of different reheating and supercooling degrees on the system

圖9 不同冷凝溫度下系統(tǒng)的制熱量變化Fig.9 Changes in the heating capacity of the system at different condensation temperatures

與系統(tǒng)制熱量變化趨勢相似的是相較冷凝溫度變化，系統(tǒng)的COP受回熱過冷度影響不顯著。不同的是系統(tǒng)COP隨冷凝溫度的升高呈下降趨勢。在不同回熱度影響下，COP隨冷凝溫度的升高有40.21%～40.42%的下降。

結合圖9與圖10的參數(shù)變化，在上述工況范圍內(nèi)，系統(tǒng)的COP可達到4.33～7.31，且單井供熱的系統(tǒng)制熱量最大可達到14.8 kW。由此說明深部煤層伴生廢熱的開發(fā)利用具備一定的潛力。此外，煤層氣井混合產(chǎn)物的出井溫度幾乎降低了10 ℃。這一應用可以有效降低煤層氣井出口產(chǎn)物溫度過高所帶來的風險。

4 結論

經(jīng)過對深部煤層地熱開發(fā)進行分析，首先可以明確深部煤層的地熱能并不能用于大規(guī)模發(fā)電或予整座城市的供暖等。而該項開發(fā)的主要目的在于降低產(chǎn)物熱量，提高作業(yè)安全性，此外還可以結合熱泵系統(tǒng)為小幅地區(qū)供暖等。

通過對其經(jīng)濟、技術兩方面的可行性分析，提出采用深部煤層地熱開發(fā)的選擇條件。從地層溫度角度出發(fā)，于50 ℃以下的煤層地層不予以開發(fā)，50～90 ℃的地層可結合中低溫熱泵進行廢熱開發(fā)，而大于90 ℃的地層結合高溫熱泵進行廢熱開發(fā)。實現(xiàn)深部煤層氣井的充分開發(fā)，除排水階段外可結合廢井改造技術，降低鉆井成本，充分利用深部煤層氣井資源。

在選擇開發(fā)的深部煤層時，當埋藏深度越深、地溫梯度系數(shù)越大，則該煤層越有開發(fā)的價值及意義，針對鄂爾多斯地區(qū)的井況參數(shù)，結合模型計算得出單井日熱產(chǎn)水量可達5～6.8 m3，對應熱泵系統(tǒng)COP可達到4.33～7.31，單井供熱的系統(tǒng)制熱量最大可達到14.8 kW，區(qū)塊熱產(chǎn)完全滿足小幅地區(qū)的供暖需求。