CO2 作為含水層壓縮氣體儲能系統工作流體的數值模擬研究

陳紅旭，石 巖，白 皓，劉誠丞，李明奇

（吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林長春130118）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，污染物排放量大幅度增加，如不采取有效措施防治污染，環境質量將會進一步惡化[1]。國家積極倡導實施可再生能源替代行動，大力發展風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等，從而降低CO2等溫室氣體的排放[2]。然而，隨著太陽能、風能的迅速增長，電網儲能不足仍然是一個嚴重的問題，因此需要發展其他的電能儲存方式，如壓縮CO2（或壓縮空氣）儲能。目前國內外學者針對壓縮CO2儲能和壓縮空氣儲能已進行了相關的對比研究：Li Y 等[3]用數值方法比較了在含水層壓縮CO2儲能和壓縮空氣儲能，研究結果表明，當CO2含量充足時，采用含水層壓縮CO2儲能是一種較好的選擇。Alami A H 等[4]對壓縮CO2儲能系統進行了實驗研究，并與壓縮空氣儲能系統進行了對比，結果表明，壓縮CO2儲能系統在能量和效率方面具有明顯的優勢。

當前針對以CO2作為含水層壓縮氣體儲能系統工作流體的研究，缺乏對井筒-儲層地下部分的熱力學分析。為了更好分析含水層壓縮CO2儲能系統地下部分的循環性能，本文首先建立了含水層壓縮CO2儲能系統的概念模型，并采用T2WELL/ECO2N 程序對含水層壓縮CO2周循環運行模式下的性能進行了分析，以此尋找系統最優能量回收效率的方案，實現高效的儲能。

1 數值模擬

1.1 概念模型

含水層壓縮CO2儲能系統的概念模型如圖1所示：在系統設置中有兩個步驟，步驟1 為初始氣囊形成階段，工作流體首先通過壓縮機利用電網的剩余電力進行壓縮，然后通過井筒注入深部含水層，形成緩沖氣泡，為后續循環周期提供壓力支撐，避免水侵；步驟2 為儲能－釋能階段，通過循環注入和釋放CO2進行電能存儲和發電。目前世界上運行的壓縮儲能電站，工作氣體的循環周期大多采用日循環，因此對日循環研究的較多，對其他循環的研究較少，本文主要對周循環的運行過程進行分析。

圖1 含水層壓縮CO2 儲能系統的概念模型

1.2 數學模型

1.2.1 TOUGH2-T2WELL

TOUGH2 軟件是一個多組分、多相流體在一、二、三維多孔和裂縫介質中的非等溫流動的數值模擬器，由勞倫斯國家實驗室開發[5]，可以處理地熱儲藏工程、CO2地質處置、飽和/非飽和帶水文、環境評價和修復及核廢料處置的問題[6]。圖2 為TOUGH2軟件的建模步驟。

圖2 TOUGH2 建模步驟

T2WELL 是在地質儲層模擬器TOUGH2 的基礎上進行擴展形成的，通過在數值網格中引入一個特殊的井筒子域，實現井筒和儲層中流動的耦合計算[7]。用于模擬CO2注入和井筒泄漏的情況，采用有限差分格式對質量和熱能平衡方程進行數值求解。針對井筒對儲層的傳熱進行半解析或數值處理，采用半顯式格式對井筒內流體的動量平衡方程進行數值求解，T2WELL 質能平衡方程及速度方程見表1。

表1 T2WELL 質能平衡方程及速度方程[8]

1.2.2 ECO2N/2.0

ECO2N/2.0 模塊是多相、多組分模擬器TOUGH2 的流體特性模塊，適用于井筒耦合儲層的情況，它可以模擬在含有H2O-NaCl-CO2混合物的多維非均質系統中流體和熱流之間的耦合，H2O 和CO2在不同相之間的分配，以及固體鹽的沉淀/溶解，是一種非等溫多相井筒模擬器[9]。在本文采用的井筒儲層耦合模型中，對ECO2N 模塊進行了簡化，只考慮在含水層中CO2和水的運移規律，沒有考慮鹽層。

1.3 數值模擬

1.3.1 模型的建立

1）研究區地質概況

研究區位于吉林省長春市高新技術開發區現代物流大廈項目內部的吉特一號井，屬于松遼盆地營城組區域，作為長春新區能源轉型升級的標桿項目，現代物流大廈項目采用地熱清潔能源替代傳統鍋爐，松遼盆地營城組區域具有良好的地熱資源開發利用前景，物流大廈所在區域為營城組四段，此區域開采出來的巖樣主要以沉積巖為主，根據現場大量鉆孔溫度測量統計分析，地溫梯度約為0.031 4℃/m，井底溫度為63.5 ℃，測溫結果顯示區內地溫梯度較為穩定，本次研究井深2 000 m，該深度范圍內地層巖性主要為沉積巖類，其厚度為100 m，其上覆巖層和下伏巖層的厚度相等，厚度均為20 m。

2）網格剖分

模型的網格采用IGMESH 網格剖分程序進行剖分，具體的網格劃分方式如下：數值模型的網格尺寸為1 200 m×1 200 m×100 m。井孔位于儲層網格中間，井筒長度為2 000 m，地熱井附近網格徑向長度為0.2 m，徑向網格逐漸增大至400 m，為了提高井孔周圍熱過程計算時的準確度，進行了尺寸30 m×30 m 的網格細化，經過計算得出模型中的網格總數為45 640 個，生成的網格如圖3 所示。

圖3 模型網格剖分圖

3）初始與邊界條件

①模型的初始條件表面壓力為0.2×106Pa、底部壓力為25.84×106Pa、地表溫度為20 ℃、模型底部溫度為120 ℃，含水層充滿液態水，氣體飽和度為0。②模型的邊界條件∶地熱井與巖層之間的邊界只有熱傳導，沒有水的流動[10]，地層的邊界被看作是恒溫恒壓的。可以在T2WELL 模擬程序中，通過將儲層頂部的體積設置為無窮大來實現力的恒定，儲層底部的密度設置為無窮大來實現溫度的恒定。

4）參數設置

該模型的初始壓力分布與大氣壓力處于靜水壓平衡狀態，假設其壓力為1.01×105Pa。實際情況下，地層相當于一個開放的含水層。因此數值模擬時，將其邊界條件進行調整，將其頂部邊界設置為開放邊界，底部邊界設置為封閉的邊界，在此邊界上無流動和無傳熱。模型和水文地質熱力學參數見表2。

表2 模型和水文地質熱力學參數

5）模擬方案

①初始氣囊階段，以5 kg/s 的速率向含水層中注入超臨界CO2，壓縮CO2逐漸驅替地下水，形成一個較大的氣囊，可以為后續抽采階段提供足夠的壓力[11]。②儲釋能循環階段，采用周循環對含水層壓縮CO2的運行過程進行分析，設定循環時間為160 d，循環一周期定為8 d，并將循環的一周期分為四個時間段，第一個時間段為以5 kg/s 的速率注入2 d；第二個時間段為停止注入2 d；第三個時間段為以5 kg/s 的速率抽采2 d；第四個時間段為再次停止注入2 d，共設計了20 個周期。本文選擇其中一個循環周期進行介紹，其循環方案如圖4 所示。

圖4 周循環過程中循環時間與速率

2 結果與討論

2.1 初始氣囊建立階段

2.1.1 氣體飽和度變化

圖5 為初始氣囊形成階段氣相飽和度的變化，本次模擬選取第6 周期和第20 周期進行對比分析，分析CO2氣體飽和度的變化情況。可以看出，最遠處的氣體飽和度為0.05，離井筒最近處的氣體飽和度為1，隨著注入時間的增加，含水層孔隙內將逐漸被超臨界CO2充滿，但巖石表面還附著少量的水，因此，距離井筒越近，壓力梯度就越大，井筒附近有足夠的壓力對含水層中CO2進行驅替，使得距離井筒最近處的氣體飽和度最高，最遠處的氣體飽和度最低。

圖5 初始氣囊形成階段氣相飽和度變化

2.1.2 初始氣囊形成后含水層溫度變化情況

圖6 為在初始氣囊形成后含水層溫度分布情況，在向含水層中注入超臨界CO2的過程中，CO2的溫度低于地下含水層的溫度，并且由于CO2主要分布在含水層的上部，溫度較低的CO2與含水層中溫度較高的氣體相互混合，使近井處溫度整體呈下降趨勢，而遠離井筒周圍的含水層溫度逐漸升高。

圖6 初始氣囊形成后含水層溫度分布

2.2 儲釋能循環階段

2.2.1 井口壓力變化情況

圖7 為整個循環過程中的井口壓力變化情況，分為以下四個過程。①在第一次注入階段：向含水層注入CO2的過程中，隨著CO2的注入量逐漸增多，井口附近的壓力也會逐漸增大，井口壓力由13.94 MPa，逐漸增加到14.23 MPa。②第一次停注階段∶在CO2注入的過程當中，注氣點附近壓力高于周圍含水層壓力，導致CO2逐漸驅替地下水向含水層周圍運移，從而壓力減小[12]。井口壓力在最大處保持恒定，并有下降趨勢。③抽采階段：大量的CO2被抽采出去，導致井口周圍壓力降低。④第二次停注階段：停注CO2后，井口的壓力低于附近含水層的壓力，隨后地層水驅替CO2向井口周圍移動，導致井口附近壓力逐漸上升，并逐漸恢復到初始注入時的壓力。

圖7 系統20 周期（160 d）循環過程中井口壓力變化

2.2.2 儲能效率

在向含水層封存CO2的過程中，儲能效率是判斷CO2是否為良好儲能氣體的重要因素之一。儲能效率的定義為：在一個完整的循環周期內，產出的能量與在井口處的注入能量之比，計算儲能效率公式如下：

式（1）中：η為循環過程中的儲能效率；Qout為產出的能量，MW；Qin為井口處的注入能量，MW。

將CO2長期封存在地下，封存深度一般要在800 m～3 500 m 內的地質構造中，此范圍的溫度和壓力可使CO2保持高密度的液態或超臨界狀態。圖8 為當含水層埋深為900 m，1 200 m，1 500 m 時整個循環周期儲能效率的變化情況，三種情況下的井筒均完全貫穿含水層，含水層厚度均為100 m。可以看出三種埋深情況下的儲能效率都呈現上升趨勢，當含水層埋深在900 m～1 000 m 時，儲能效率從88.6%上升到91.7%；含水層埋深在1 200 m～1 300 m 時，儲能效率從90.2%上升到93.5%；含水層埋深在1 300 m～1 400 m 時，儲能效率最高，從92.6%上升到95.2%。說明含水層深度越深，地層溫度、能量密度、儲存壓力都會增大，能夠抽采出更加高壓、高密度、高溫的CO2，從而獲得更多的能量，使儲能效率增加[13]。

圖8 不同含水層埋深情況下系統20 周期循環儲能效率變化

3 結語

本文通過數值模擬手段，使用T2WELL/ECO2N程序建立了井筒耦合儲層的三維數值傳熱模型，分析了CO2作為含水層壓縮氣體儲能系統工作流體的運行過程，并采用IGMESH 程序對三維數值模型進行網格剖分，主要得出以下結論。

1）系統初始氣囊建立階段：隨著注入時間的增加，距離井筒越近，壓力梯度越大，井筒附近有足夠的壓力對含水層中的CO2進行驅替，使得近井處的氣體飽和度最高，遠井處的氣體飽和度最低；在向含水層中注入超臨界CO2時，CO2的溫度低于地下含水層的溫度，近井處溫度整體呈下降趨勢，而遠離井筒周圍的含水層溫度則逐漸升高。

2）儲能－釋能循環階段：井口壓力呈周期性變化，由于含水層中固體顆粒的阻礙和滲透性限制，從井筒到含水層周圍區域會形成較大的壓力梯度。在注入和抽采過程中，含水層井筒附近將分別形成壓力上升和壓力下降區域；系統儲能效率隨著含水層深度的增加而增大，因此，含水層越厚越有利于系統的安全穩定運行。由于注入含水層的CO2較穩定，向周圍含水層擴散的少，并且周圍地層中的熱量也會對整個系統進行補給，整個系統具有良好的儲能效率。但隨著循環次數的增加，儲能效率會逐漸降低。