CN112065521A - 一种基于co2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型 - Google Patents

一种基于co2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，包括地热水循环、混合工质循环及冷却水循环，混合工质循环中设置有井下同轴套管换热器，创新体现在利用重力场实现增压吸热过程，使循环吸热量增加，提高了循环发电量；采用CO2和有机工质组成的二元混合工质，可以实现具有增压吸热及减温放热的跨临界循环，能够有效减少热源及冷源换热的不可逆性，提高循环效率。该循环采用的混合工质包括(但不限于)CO2/R32,CO2/R161,CO2/R1270,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze。本模型主要针对干热岩地热资源，但不限于此，所述发电系统也同样适用于其他双循环(binary cycle)地热发电系统的应用场合。

Description

一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电 模型
技术领域
本发明属于能源应用技术领域，涉及地热能转换为机械能技术应用，尤其是一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型。
背景技术
目前，节能减排是国家扶持发展的重点对象，中低温发电技术是研究的热点之一，也是产业化推广的方向。对中低温地热能来说，由于其能源品位较低因此其能源利用效率不高。如何更有效地利用中低温地热资源成为了目前国际上一个主要的研究方向。
中低温地热资源主要应用于发电、工业加工、采暖、温室和医疗等领域。在中低温地热发电方面，发电方式主要包括ORC(有机郎肯循环)和TRC(跨临界朗肯循环)。在跨临界朗肯循环的吸热过程中，工质经历的是增温过程，相较于普通ORC来说，和热源有着更好的匹配性。另外，CO2具有良好的流动性和传热性能，被认为是地下采热的理想工质。CO2的密度随温度变化较大，使用CO2作为地热井内的采热工质会出现浮力驱动的热虹吸现象(thermosiphoneffect)，并由此减少对泵功的消耗。
但完全依靠热虹吸效应驱动的CO2纯工质一般仅能维持较小的循环流量，因此从地热井中带走的热量也就有限。另外，因为CO2的临界温度较低，通常采用的CO2发电循环是超临界的布雷顿(Brayton)循环，循环受制于采用价格昂贵的紧凑型大面积换热器，采用布雷顿循环时CO2透平出口压力往往在临界压力以上，循环效率也被进一步限制。因此，需要开发一种使用干热岩地热流体发电的新型热力循环及系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，是一种将地热能转换为机械能的新型热力循环系统，创新体现在采用井下同轴套管换热器利用重力场实现增压吸热过程，使循环吸热量增加，从而提高循环发电量；以及采用CO2和有机工质组成的二元混合工质，实现具有增压吸热及减温放热的跨临界循环，进而有效减少热源及冷源换热的不可逆性，提高循环效率。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，包括地热水循环、混合工质循环及冷却水循环，混合工质循环中设置有井下同轴套管换热器，混合工质循环采用CO2和有机工质组成的二元混合物为循环工质，该循环工质包括(但不限于)CO2/R32,CO2/R1270,CO2/R161,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze。
而且，混合工质的混合比例范围为0.1-0.9，注入压力范围为10MPa-18MPa，工质质量流量范围为1kg/s-10kg/s。
而且，上述地热发电模型基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，该系统包括地热生产井、同轴套管换热器、汽轮机、冷凝器、工质泵、地热水注入泵及地热水回灌井，所述的同轴套管换热器设置在地热生产井中，同轴套管换热器的出口连接汽轮机的入口，汽轮机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接工质泵的入口，工质泵的出口连接同轴套管换热器的入口，地热生产井的出口连接地热水注入泵的入口，地热水注入泵的出口连接地热水回灌井的入口。
而且，所述的冷凝器入口包括混合工质入口和冷却水入口，所述的冷凝器出口包括混合工质出口和冷却水出口，汽轮机的出口连接冷凝器的混合工质入口，冷凝器的混合工质出口连接工质泵的入口。
而且，所述冷凝器外接冷却装置。
而且，所述的冷却装置为冷却塔。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明创新体现在采用混合工质通过使用井下同轴套管换热器实现增压吸热及减温放热的跨临界循环，其中混合工质循环采用CO2和有机工质组成的二元混合物为循环工质，该循环工质包括CO2/R32,CO2/R1270,CO2/R161,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze，混合工质的混合比例范围为0.1-0.9，工质的注入压力范围为10MPa-18MPa，工质质量流量范围为1kg/s-10kg/s，对非CO2工质的选择兼顾了热物性，稳定性，毒性，可燃性，环境友好性及价格。
2、本发明涉及的发电循环采用CO2混合工质，可以提高循环效率，并有利于减少冷却系统的投资。由于所采用混合工质的临界点高于纯CO2的临界点，可实现有相变的降温冷凝过程，因此系统仍可采用传统的冷凝器，不必像CO2布雷顿(Brayton)循环受制于采用紧凑型大面积换热器，可节省相应投资。另外，不等温的冷凝过程与冷源(冷却水)吸热温度有更好的匹配，可以减少与冷源的换热温差，从而减少换热不可逆性，提高循环效率。
3、本发明系统使用井下同轴套管换热器，利用重力场实现增压吸热过程，使循环吸热量增加，提高了循环发电量。此外，下降管与上升管的重力差可产生浮力驱动的热虹吸效应，导致换热器出口工质压力比其入口压力不减反增，可以有效节省泵功。可以增加吸热量，提高循环效率。循环工质在井下同轴套管换热器中可接触到深处温度更高的地热水，从而达到提高换热器工质出口温度的效果。加之循环为跨临界，为增压、增温吸热过程，与热源(地热水)放热温度有更好的匹配，可以减少与热源的换热温差，从而减少换热不可逆性，提高循环效率。
4、本发明提出了一种适用于干热岩发电的新型热力循环模型，循环的热源换热器是一个放入地热生产井中同轴套管换热器，循环工质采用CO2和有机工质的二元混合物，此二元混合工质通过加压泵后被注入同轴套管换热器，与生产井中上升流动的地热水换热。同轴套管换热器由内管和外套管组成，混合工质从内管和外套管之间注入，形成环状下降流，利用重力场实现增压吸热过程，与地热流体换热完成后，从换热器底部经内管向上流出，然后进入汽轮机做功，做功后的汽轮机排汽进入冷凝器放热冷凝。本模型主要针对干热岩地热资源，但不限于此，所述发电系统也同样适用于其他双循环(binarycycle)地热发电系统的应用场合，汽轮机的机械能既可直接作为机械能使用，也可以通过发电装置将其转化为电能。
附图说明
图1为本发明井下同轴套管换热器及流动换热示意图；
图2为本发明地热发电系统结构示意图，(a)有进出口标注的示意图，(b)与图3中温-熵(T-s)图对应的示意图；
图3为本发明循环温-熵(T-s)图；
图4为本发明井下换热器流动传热模拟计算流程图；
图5为采用不同混合工质时系统的单位质量地热流体输出功(比输出功)的比较结果；
图6为采用不同混合比例的R161/CO2为工质时系统比输出功随工质流量的变化结果，(a)为地热水温度为120℃，(b)为地热水温度为180℃；
图7为采用不同混合比例的R32/CO2为工质时系统比输出功随工质流量的变化结果，(a)为地热水温度为120℃，(b)为地热水温度为180℃；
图8为地热流体温度分别为120℃和180℃情况下本发明采用不同工质时的比输出功对比结果，(a)为地热流体温度＝180℃，混合工质混合比例＝0.5/0.5，(b)为地热流体温度＝120℃，混合工质混合比例＝0.2/0.8。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，包括地热水循环、混合工质循环及冷却水循环，混合工质循环中创新采用混合工质通过使用井下同轴套管换热器实现增压吸热及减温放热的跨临界循环，井下同轴套管换热器及流动换热过程如图1所示。
其中混合工质循环采用CO2和有机工质组成的二元混合物为循环工质，该循环工质包括CO2/R32,CO2/R1270,CO2/R161,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze。
混合工质的混合比例范围为0.1-0.9，工质的注入压力范围为10MPa-18MPa，工质质量流量范围为1kg/s-10kg/s。
上述地热发电模型基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，如图2所示，该系统包括井下同轴套管换热器1，汽轮机2，冷凝器3，工质泵4，地热生产井5，地热水注入泵6，地热水回灌井7及冷却装置8；所述井下同轴套管换热器包括：换热器混合工质入口1-1，换热器混合工质出口1-2；所述汽轮机包括：汽轮机混合工质入口2-1，汽轮机混合工质出口2-2；所述冷凝器包括：冷凝器冷却水入口3-1，冷凝器冷却水出口3-2，冷凝器混合工质入口3-3，冷凝器混合工质出口3-4；所述工质泵包括：工质泵混合工质入口4-1，工质泵混合工质出口4-2；所述地热水生产井包括：地热水入口5-1，地热水出口5-2；所述地热水注入泵包括：注入泵地热水入口6-1，注入泵地热水出口6-2；所述地热水回灌井包括：回灌井入口7-1，回灌井出口7-2；所述冷却装置包括：冷却水入口8-1，冷却水出口8-2，本实施例中冷却装置为冷却塔。
所述换热器混合工质出口1-2与汽轮机混合工质入口2-1相连；所述汽轮机混合工质出口2-2与冷凝器混合工质入口3-3相连；所述冷凝器混合工质出口3-4与工质泵混合工质入口4-1相连；所述工质泵混合工质出口4-2与换热器混合工质入口1-1相连；所述生产井出口5-2与注入泵地热水入口6-1相连；所述注入泵地热水出口6-2与回灌井入口7-1相连；所述冷却水入口8-1与冷凝器冷却水出口3-2相连；所述冷却水出口8-2与冷凝器冷却水入口3-1相连。
工作过程如下：
(一)地热水循环(热源)：地热水由生产井地热水入口5-1流入地热生产井5中放热，从生产井地热水出口5-2流出进入地热水注入泵6，然后进入回灌井7，从回灌井出口7-2进入人造热储裂隙吸热，再从生产井入口5-1进入生产井5形成地热水循环。
(二)混合工质循环：循环采用CO2和有机工质组成的二元混合物为循环工质，此混合工质经工质泵4加压至临界压力以上，从同轴套管换热器1的混合工质入口1-1注入，注入的混合工质在内管和外套管之间形成环状下降流，利用重力场实现增压吸热过程，与生产井中上升流动的地热水进行换热，完成换热后，混合工质从换热器底部经内管向上流动，从换热器混合工质出口1-2流出，然后从汽轮机混合工质入口2-1进入汽轮机2做功，做功后的排汽从汽轮机混合工质出口2-2流出，通过冷凝器混合工质入口3-3进入冷凝器3中放热冷凝至饱和液态，冷凝后的工质从冷凝器混合工质出口3-4流出，随后通过工质泵混合工质入口4-1进入工质泵4加压至临界压力以上，从工质泵混合工质出口4-2流出，经换热器混合工质入口1-1再次进入井下同轴套管换热器1换热，形成混合工质循环。
(三)冷却水循环(冷源)：冷却水从冷却水出口8-2流出冷却装置(冷却塔)8，通过冷凝器冷却水入口3-1进入冷凝器3，在冷凝器中吸热后从冷凝器冷却水出口3-2流出，然后从冷却水入口8-1返回到冷却装置8，被冷却后的冷却水又从冷却水出口8-2流出冷却装置8，再次进入冷凝器3，形成冷却水循环。
所述系统可以实现热力发电循环的四个必要过程，即压缩过程、吸热过程、膨胀(做功)过程、及放热过程。所述混合工质循环通过汽轮机输出轴功，带动发电机发电。
本发明采用了基于CO2的二元混合工质，对非CO2的另一工质的选择考虑了工质的热物性，稳定性，毒性，可燃性，环境友好性和价格。混合物的温度滑移同样也是工质选择的关键，温度滑移并不是越大越好，一旦温度滑移大到一定程度，混合工质就会出现组分迁移和混合工质的分馏。考虑到这些因素，选择了下面几种混合工质：CO2/R32,CO2/R1270,CO2/R161,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze。模型中考察使用过的有机工质的物理，安全和环境友好性数据见表1。
表1模型中考察使用过的有机工质的物理、安全和环境友好性数据
Figure BDA0002683945170000051
图3为本发明循环温-熵(T-s)图，其中状态点与图2(b)对应，混合工质经历了以下热力过程：汽轮机中的膨胀做功过程(4-5)；冷凝器中的降温冷凝过程(5-1)；工质注入泵中的增压过程(1-2)；同轴套管井下换热器中的增压吸热过程(2-3)，以及上升管中的近绝热流动过程(3-4)。冷凝压力由冷却水温度和夹点温差来决定，由于混合物在冷凝过程中的温度滑移，使得夹点温差的问题得到缓解，热利用效率因此得到提升。
由于本发明中的井下同轴套管换热器和地热井是同心共轴的，这里三维的传热模型被简化为径向对称的传热模型。传热过程包含以下几个部分：井下换热器中内管与外管之间的换热，换热器外管与地热水的换热，地热水与地层间的换热，以及地层中的传热过程。针对上述模型本发明进行了仿真模拟计算，模拟计算中使用到的基本数据见表2。
表2仿真模型基本参数
Figure BDA0002683945170000061
仿真模拟计算假设如下：
(1)系统是稳态的；
(2)除井下换热器外，忽略管道和冷凝器中的摩损及热损；
(3)混合工质在冷凝器出口的状态为饱和液态；
(4)混合工质进入井下换热器之前被注入泵加压至超临界压力；
(5)地热水在井下换热器底部的温度及其井口压力设为其边界条件。
1、汽轮机
工质进入汽轮机中膨胀做功过程(图3中过程4-5)由式(1)、(2)确定，出口乏汽状态则由冷凝压力和汽轮机效率确定：
WT＝m(h4-h5) (1)
ηT＝(h4-h5)/(h4-h5′) (2)
2、冷凝器
汽轮机排汽进入冷凝器冷凝至饱和液态(图3中过程5-1)。因为该循环采用了混合工质，会出现温度滑移的现象(两相区冷凝过程为降温过程)，使得工质冷凝过程的温度变化与冷却水温的变化有更佳的匹配，传热不可逆损失因此降低。冷凝压力则由冷却水温度和夹点温差确定，冷凝器中的能量平衡关系如下：
QC＝m(h5-h1) (3)
mCW＝m(hC,pinch-h5)/(hCW,pinch-hCW,in) (4)
3、注入泵
冷凝后的工质被加压至超临界状态(图3中过程1-2)
Wp＝m(h2-h1) (5)
ηp＝(h2′-h1)/(h2-h1) (6)
4、同轴套管井下换热器
在井下换热器的模拟计算中，考虑到了重力场作用下的增压吸热过程。由于温度场和速度场之间有相互影响，需要对质量守恒，动量守恒和能量守恒耦合求解。CO2混合工质的密度随温度变化较大，密度的变化又影响速度场和压力场，进而通过摩擦损失和焦-汤效应反应在温度上，所以此模型考虑到了摩擦损失和焦-汤效应。
5、混合工质流的压力场模型
这里采用稳态一维流动模型，混合工质被视为可压缩流体，井下换热器内外管、井筒及其他相关尺寸参见表2，简化后的质量守恒和动量守恒方程如下：
Figure BDA0002683945170000081
Figure BDA0002683945170000082
在以上公式中，ρ表示工质密度，kg/m3；v表示工质的流动速度，m/s；z表示纵向坐标，m；g为重力加速度，m/s2；θ为流动方向的倾角，p表示压力，Pa；τw表示摩擦阻力，Pa；d表示当量直径，m；Ap为流通面积。“+”对应下降时流体的动量公式，用于同轴管外管环状下降流，而“-”对应上升时流体的动量公式，用于同轴管内管和井中地热水的上升流。
将公式(7)带入(8)，并替换掉摩擦项之后，流体的压力公式可表述为：
Figure BDA0002683945170000083
式中的达西摩擦系数一般通过实验数据来确定，本模型中，摩擦系数采用了以下关联式确定：
Figure BDA0002683945170000084
在以上关联式中，Re代表雷诺数，ε代表管壁的粗糙度。
6、井下换热器温度场模型
根据能量传递的基本原理，能量守恒公式可以表述为：
Figure BDA0002683945170000085
这里h表示工质的比焓，m2/s2；q表示工质与周围交换的热量，J/(m·s)；同样“+”用于向下流动的流体的，这里适用于同轴管外管环状下降流，而“-”用于上升流动的流体，这里适用于同轴管内管上升流动的工质及井中上升流动的地热水。
将质量公式(7)带入，能量守恒公式(11)可得：
Figure BDA0002683945170000091
这里w表示工质质量流量，kg/s；
比焓h可以表示为：
Figure BDA0002683945170000092
这里cp表示比热容，J/(kg.K)；η表示焦-汤系数，K/Pa；
将公式(13)带入公式(12)，能量公式可进一步写为
Figure BDA0002683945170000093
dpfr＝fρv2/(2d)·dz (15)
其中
Figure BDA0002683945170000094
表示因为摩擦或者粘性耗散所产生的热量，
Figure BDA0002683945170000095
表示由气体膨胀或者压缩所产生的温升项。
Figure BDA0002683945170000096
表示由焦-汤效应(Joule-Thomsoneffect)所产生的温升项。
7、传热模型
传热量可用下式确定：
q＝πdUΔT (16)
对流传热系数可以通过确定Nu数后获得，这里根据文献，采用如下关联式：
Nu＝0.023Re0.8Prn (17)
(a)内管与外管间的传热计算
内管的管壁中采用了隔热层，即第二层使用了绝热材料，第一层和第三层为普通管壁材料，内管上升流与其和外管之间的环状下降流的传热总热阻可表示为：
Figure BDA0002683945170000097
rti1表示内管壁第一层管壁的内径，m；rto1表示第一层管壁的外径，m；hti表示内管流体的对流传热系数，W/(m2·℃)；λt表示第一层和第三层内管壁的热传导系数，W/(m2·℃)；rti2表示内管第三层的内径，m；rto2表示内管第三层的外径，m；λins表示绝热层的热传导系数，W/(m2·℃)；hAi表示外管的流体与内管壁的对流换热系数,W/(m2·℃)。
传热系数可按下式确定：
Figure BDA0002683945170000101
(b)环状下降流和地热流体间的换热
环状下降流与井内地热流体(上升流)间的换热可由下式确定：
Figure BDA0002683945170000102
Figure BDA0002683945170000103
rai表示外管壁的内径，m；rao,表示外管壁的外径，m；ha表示环状下降流与外管壁的对流换热系数，W/(m2·℃)；hw表示井内上升流动地热流体与外管壁的对流换热系数，W/(m2·℃)。
(c)地热流体和地层间的换热
地热流体和地层之间同样存在传热，地层和井筒之间的传热由下式确定：
Figure BDA0002683945170000104
λe表示地层的导热系数，Tei表示地层温度，Two表示井筒外壁温度，f(t)表示一个无量纲的瞬态传热函数(Transient heat conduction function,dimensionless)。
瞬态传热函数可表述为
Figure BDA0002683945170000105
其中tD表示为无量纲时间，
若运算时间过长，上式又可简化如下
f(t)＝[0.2352+ln(tD+0.6481)] (24)
考虑了井筒与地层间的传热之后，总热阻及对应传热系数为
Figure BDA0002683945170000111
Figure BDA0002683945170000112
8、输出功与热效率
输出功和热效率可以写成：
Wnet＝WT-WP＝(h4-h5)-(h2-h1) (27)
η＝Wnet/Qh＝[(h4-h5)-(h2-h1)]/(h4-h2) (28)
9、模型求解
流动与热传递相互影响，为了耦合求解流动方程和传热方程，把流体沿流动方向划分为许多小段，在每一个小段中，视其热力性质和流动参数不变。集合内的流动方程和温度方程被耦合起来进行迭代运算，流体被划分成内管、外管和井筒三个不同的集合来求解，确定传热系数。
所有的模拟计算使用python来完成，混合工质的状态参数使用REFPROP9.0进行计算。
模拟计算的流程图如图4所示。流体沿流动方向分为n小段，这里步长设为1m。
具体求解步骤如下：
(1)内管和外管中的工质及井中的地热流体沿着流动方向被分为n个部分，部分编码(positionnode)设为n。
(2)预设内管工质的温度分布
Figure BDA0002683945170000113
外管工质温度分布
Figure BDA0002683945170000114
井筒地热水温度分布
Figure BDA0002683945170000115
全部作为(N+1)×1matrix
(3)沿着流动方向，通过温度分布和流动压力公式(9)计算地热流体每小段的压力分布(4)已知工质在换热器的进口压力，沿着环状流向下流动方向，通过温度分布和流动压力公式(9)计算外管中环状流每小段的压力分布
(5)根据外管环状流压力分布，获得内管底部进口压力，按照外管环状流压力确定的方式求得内管的压力分布
(6)通过压力分布，传热公式，外管环状流和地热流体的温度分布，以及温度公式(15)，求得内管新的温度分布
(7)根据内管和地热流体的温度、压力分布，同样按照内管的方法求得外管中环状流的温度和压力分布
(8)再按同样方法求得地热流体的温度分布
(9)重复步骤(3)-(8)，直到前后两步的温度分布和压力分布之差小于预期的误差。
具体实施例
本发明仿真采用了patternsearch算法进行优化计算，将单位质量地热流体输出功作(以下简称比输出功)为目标函数，将混合工质的混合比例，井下换热器的工质注入压力和工质流量作为自变量。仿真中混合工质的混合比例范围为0.1-0.9，工质的注入压力范围为10MPa-18MPa，工质质量流量范围为1kg/s-10kg/s。模拟考虑了地热流体温度为120℃和180℃两种情况，计算结果见表3和表4。
此外，就地热水流量、井下换热器长度和运行工质的种类对系统热力性能的影响也进行了计算和分析。
表3模拟优化结果(地热流体温度＝120℃)
Figure BDA0002683945170000121
表4模拟优化结果(地热流体温度＝180℃)
Figure BDA0002683945170000122
Figure BDA0002683945170000131
1、不同混合工质的比较分析
图5为系统的单位质量地热流体输出功(以下简称比输出功)与工质流量的关系，显示了系统采用7种不同的(基于CO2的)二元混合工质的比输出功的模拟计算结果。二元混合工质中非CO2的另一组元分别在图例中标出。模拟中，所有混合工质的混合比例都设为0.5/0.5，工质的注入压力设为14MPa，地热水的质量流量设为5kg/s，地热流体流量＝5kg/s,地热流体温度＝180℃,工质注入压力＝14MPa,换热器长度＝300m。
从图5可以看到，对每种工质而言，系统都有一个输出功的峰值和与之对应的最佳工质流量。当混合工质R32/CO2的质量流量为8.5kg/s时，发电循环比输出功达到最大(15Wh/kg)，高于系统采用其他混合工质的比输出功。当采用工质R161/CO2且在质量流量为6.5kg/s时，系统比输出功也达到峰值(13.5Wh/kg)，仅次于采用工质R32/CO2。由于系统采用R32/CO2和R161/CO2比采用其他混合工质有更多的发电量，在以下的模拟中主要对采用这两种工质进行分析。
2、混合工质的混合比例研究
图6和图7分别显示了地热流体温度为120℃及180℃时混合工质R161/CO2和R32/CO2在不同混合比例情况下系统的比输出功随工质流量的变化。这里研究了5种不同混合比例(0.1，0.3,0.5,0.7,0.9)的混合工质，分析了混合比例对输出功的影响。在图6(a)中可以看到，当地热流体温度较低时(120℃)，不同混合比例工质的最佳比输出功都会在6kg/s和7kg/s的工质流量下获得；而当地热流体温度为180℃时(图6(b))，对应最大输出功的工质流量会向右偏移(变大)，在7kg/s和9kg/s之间。当混合工质为R32/CO2时，类似的最大比输出功和工质流量的关系见图7。
在图6(a)和图7(a)中可以看到，无论是R161/CO2抑或是R32/CO2，地热水温度越低时(120℃)，混合工质的CO2占比越大(即R161/CO2和R32/CO2的比例越低)，系统比输出功就越大。而当地热流体温度为180℃时，见图6(b)，图7(b)，CO2的比例越高(即R161/CO2和R32/CO2的比例越低)，反而会导致系统最大比输出功的降低。这是因为比热容的大小与温度紧密相关，当地热流体温度在120℃时，CO2的平均比热容要高于R161和R32，所以CO2的比例越大，发电循环的表现就越好，系统的输出功也就越大。当地热流体温度为180℃时，CO2的平均比热容要低于R161和R32，因而在图6(b)和图7(b)有相反的关系，在这种情况下，混合工质中CO2比例越小，系统输出功越多。
图6和图7模拟结果对应的设定参数如下：地热流体流量＝5kg/s,工质注入压力＝14MPa,换热器长度＝300m。
3、采用不同工质时系统发电性能的比较
图8为采用不同工质(R32/CO2、R161/CO2、水和CO2)时系统比输出功随工质流量的变化。模拟中，工质注入压力＝14MPa,地热流体流量＝5kg/s，换热器长度＝300m；R32/CO2,R161/CO2和CO2的注入压力设为14MPa，水的注入压力设为2MPa，并采用单级闪蒸发电系统。
当地热流体温度较高时(180℃)，如图8(a)所示，使用R32/CO2和R161/CO2为工质的发电循环比使用水和CO2有更高的比输出功。其中采用工质R32/CO2时的比输出功最大，为15Wh/kg，对应的工质流量为9kg/s。使用CO2和水作为循环工质，系统的最大比输出功仅为11Wh/kg。因此，使用混合工质R32/CO2或R161/CO2要明显优于使用水和CO2。
当地热水温度较低时(120℃)，如图8(b)所示，使用R32/CO2仍然要优于使用其他三种工质。此时，使用水为工质时的最大比输出功明显低于使用其他三种工质。
尽管使用CO2作为工质时的比输出功峰值高于使用R161/CO2和使用水，但由于采用CO2工质无法实现有相变的冷凝过程，使得系统无法使用常规的冷凝装置，不得不采用面积较大也较昂贵的冷却系统，相应的投资较大。由于R32/CO2在两种地热流体温度(120℃和180℃)条件下都有最大的比输出功，因此在所考察的地热流体温度范围内R32/CO2是本发电系统最佳的循环工质。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，包括地热水循环、混合工质循环及冷却水循环，其特征在于：混合工质循环中设置有井下同轴套管换热器，混合工质循环采用CO2和有机工质组成的二元混合物为循环工质，该循环工质包括CO2/R32,CO2/R1270,CO2/R161,CO2/R1234yf,CO2/R134a,CO2/R152a,CO2/R1234ze。
2.根据权利要求1所述的一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，其特征在于：混合工质的混合比例范围为0.1-0.9，注入压力范围为10MPa-18MPa，工质质量流量范围为1kg/s-10kg/s。
3.根据权利要求1所述的一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，其特征在于：上述地热发电模型基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，该系统包括地热生产井、同轴套管换热器、汽轮机、冷凝器、工质泵、地热水注入泵及地热水回灌井，所述的同轴套管换热器设置在地热生产井中，同轴套管换热器的出口连接汽轮机的入口，汽轮机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接工质泵的入口，工质泵的出口连接同轴套管换热器的入口，地热生产井的出口连接地热水注入泵的入口，地热水注入泵的出口连接地热水回灌井的入口。
4.根据权利要3所述的种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电模型，其特征在于：所述的冷凝器入口包括混合工质入口和冷却水入口，所述的冷凝器出口包括混合工质出口和冷却水出口，汽轮机的出口连接冷凝器的混合工质入口，冷凝器的混合工质出口连接工质泵的入口。
5.根据权利要3或4所述的一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：所述冷凝器外接冷却装置。
6.根据权利要5所述的一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：所述的冷却装置为冷却塔。
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