TW201741552A - 增強型地熱之最佳取熱系統及其建立方法 - Google Patents

增強型地熱之最佳取熱系統及其建立方法 Download PDF

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Cyun Jie Huang
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Abstract

本發明係關於一種增強型地熱之最佳取熱系統及其建立方法，該方法包含：建立一數值模型進行模擬取熱。利用該數值模型經模擬取熱後取得一模擬數據。透過一取熱實驗以驗證該數值模型之正確性。利用該取熱實驗取得一實驗數據，而與該模擬數據進行比對，藉以驗證該數值模型之正確性。以一最佳化方法取得在該模擬數據中之一最佳操作條件。利用該最佳操作條件建立一增強型地熱之最佳取熱系統。藉以可供輸入地質孔隙條件之平均粒徑和壓力，而查詢得知相對應之該最大取熱量之質量流率。

Description

增強型地熱之最佳取熱系統及其建立方法
本發明係有關於一種可以用於建立增強型地熱之最佳取熱系統，以提供最佳取熱參數，可以降低實際操作成本之建立方法。
由於目前地球上的能源日漸短缺，因此尋求再生能源係已成為一刻不容緩之首要課題。再生能源係為一種具有恢復性之能源，可不斷補充和重複使用，最具代表性的有太陽能、風力能、海洋能、生物質能、地熱能等。隨著開發技術愈來愈成熟，其中地熱能在成本回收、產電效率和儲電容量雖還不如其它能源，且須克服許多地形岩層的限制，但比其它能源更加能夠持續循環利用，同時也能夠減少碳排放量問題，更可創造許多地熱產業機會。
因此有中華民國103年1月16日所公開之發明第201402943號「用於開採能源的單井、自流地熱系統」專利案，其係揭露：提供一種再生性能源、單井、一次自流、地熱熱量/電力產生系統，該系統使用熱交換器或渦輪機/發電機獲取自然產生之地下地熱熱量以加熱水及/或產生機械力/電力。可(諸如)使用真空絕緣使界定工作流體流動路徑之地下結構絕緣以增加系統效率且確保實質上自生之工作流體流動。
該專利前案係可供施作於被稱為增強型地熱系統(EGS)的系統中。所謂的增強型地熱系統開發技術係利用天然熱源，以在高溫高壓儲集層中製造人工裂隙外加注入工作流體方式進行取熱。其原理係將高壓工作流體透過井筒注入地下三公里或更深的地底深處岩層中，利用工作流體流經高溫岩層隙縫中回流至地表，同時會使工作流體被加熱。回流之高溫工作流體再透過熱交換器和另一個封閉的低溫循環系統進行熱交換，工作流體再被加壓升溫一次後，可氣化推動電廠中的渦輪機，以熱能產生機械能再轉化成電能。而完成熱交換之低溫工作流體可再重新注入地下，形成封閉式循環。因此其利用效率高，系統穩定性佳，是一種潔淨能源。只要能尋找適當溫度的地層，以工程方法擴增岩層滲透性再引入取熱流體即可，幾乎不受任何地域限制，係為一種全球性新興能源產業。
由於增強型地熱系統最初係利用水作為取熱之工作流體，但是在長期之下發現水的黏滯性和密度緣故，在應用時須更多泵功，造成更多功率消耗。同時也因為水的物理性質容易與礦物產生化學反應，當主要礦物被逐漸溶解時，就會令管道結垢，阻塞工作流體流道，最後使產電率下降，維修不易成本較高。因此開始研究以二氧化碳取代水作為工作流體，由於二氧化碳帶來更多的優勢和好處，甚至可封存於地質減少碳排放。因此許多研究專家紛紛透過數值模擬和實驗系統探討二氧化碳在管道之間的熱傳現象，以便更加了解二氧化碳的變化性。但不論施工時係以水或二氧化碳作為工作流體，於地熱的運用中，仍然需要實際進行開採，才能獲得地熱以供應用。往往開採地熱後的取熱效率不如預期，則無法充分的運用地熱。
因此有中國大陸於西元2014年4月23日所公開之發明第CN103743580號「一種增強型地熱系統開發試驗裝置」專利案，其係揭露：包括二氧化碳鋼瓶、二氧化碳超臨界輸送裝置、模擬乾熱岩反應器、二氧化碳透平機、高壓變頻柱塞泵、PLC數據採集系統，二氧化碳鋼瓶的二氧化碳經過二氧化碳流量調節閥和壓力調節閥進入二氧化碳超臨界輸送裝置增至高壓進入模擬乾熱岩反應器進行升溫，升溫後的高溫高壓二氧化碳CO2 流進入二氧化碳透平機，二氧化碳透平機帶動發電機或動力機器進行能量轉化；二氧化碳透平機出來的較低品位的二氧化碳進入換熱器，經過熱交換之後的二氧化碳被高壓變頻柱塞泵送回模擬乾熱岩反應器進行循環利用。藉以提供一種熱能利用率高、能量消耗低、處理效果好的地熱能開發模擬系統。
惟該專利前案之構造較為複雜，測試精準度不足，而且難以百分百的模擬出在地底岩層之真實熱傳行為，故於使用上有諸多缺陷。
爰此，有鑑於目前在地熱能源開發實際於現地執行時，需勘查其合適之地層，例如岩層結構是否容易製造人工裂隙、地底蘊藏之熱能是否充沛。此外更需選定合適之地熱井筒及相關系統設備，例如採用哪種設計之井筒在鑽鑿上較為節省成本、機組應該要達多少標準才能符合開發成本。因此為了能節省時間、成本及其它不必要的耗費，以提高工作速度，降低時耗與節省成本等主要優點。故本發明提供一種增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，包含：建立一數值模型進行模擬取熱，利用該數值模型，藉以模擬一二氧化碳流經一儲集層之取熱效率，該儲集層經模擬取熱後取得一模擬數據，該模擬數據之參數包含溫度、平均粒徑、入口質量流率或壓力之至少其中一項。透過一取熱實驗以驗證該數值模型之正確性，利用二氧化碳作為一工作流體，而進行該取熱實驗，且將該取熱實驗所獲得之一取熱量及一系統出入口溫差，並與該模擬數據比對，藉此驗證該數值模型之正確性。以一最佳化方法取得在該模擬數據中之一最佳操作條件，該最佳化方法係為Nelder-Mead最佳化搜尋法、基因演算最佳化搜尋法或簡易共軛梯度法的其中之一種，藉以能得知在該最佳化操作條件下之特定儲集層中其地質條件之壓力及平均粒徑下之最佳入口質量流率，以獲得一最大取熱量。利用該最佳操作條件建立一增強型地熱之最佳取熱系統，藉以可供輸入平均粒徑和壓力，而可以查詢得知相對應之最佳入口質量流率，以獲得該最大取熱量之質量流率。
上述係以一圓管模擬該儲集層外部環境之不可滲透的緻密岩層，內部環境之可滲透之孔隙岩層，該圓管之外壁面為管壁，內壁面為多孔介質，一側為入口，另一側為出口，該圓管之該外壁面的能量方程式是以設定恆定熱通量作為調整加熱瓦數。
上述係以該圓管作為一測試段，並配合一針筒式高壓設備進行該取熱實驗，該針筒式高壓設備包含一二氧化碳鋼瓶透過一高壓管路系統提供二氧化碳注入及輸出於該圓管之管道內，一數據擷取系統，以T型熱電偶作為訊號量測，經由擷取系統回傳至電腦進行處理，一恆溫水槽，使取熱實驗前之二氧化碳恆溫於超臨界狀態，一冷卻水槽，使吸熱後之二氧化碳冷凝至液化狀態，一針筒式高壓泵浦系統建立二氧化碳之高壓環境，精密控制該入口壓力與流速，使其穩定輸出定量定壓之流量，超臨界二氧化碳於該圓管內之取熱量，係利用輸入質量流率和出入口焓值來計算，計算公式如下：；其中ℎin 為入口焓值，ℎout 為出口焓值。
上述取熱實驗的操作條件和實驗參數分別為：壁面熱通量1473.66W/m2 ，入口流體溫度313.15K，多孔介質平均粒徑1.54mm和2.03mm，入口質量流率0.00027kg/s、0.00054kg/s、0.00082kg/s及0.00109kg/s，操作壓力7.5MPa、9MPa、10MPa、11MPa及12.5MPa。
上述係以多重物理量軟體建立該數值模型、驗證該數值模型之正確性及取得該最佳操作條件。
本發亦可為一種增強型地熱之最佳取熱系統，係以上述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法所建立而成。
根據上述技術特徵係具有下列之優點：
1.最佳取熱之操作條件係透過最佳化程序取得，可利用實驗設備與模擬模型比對校驗其正確性後，再藉由最佳化方法尋找最佳取熱之操作條件，以供實際使用在之地熱能源開發工作之預測。
2.係能改善習知運算數據時需要長久的時間，而能大幅縮短實際開採的時間，以節省成本及其它不必要的耗費，先經由實驗室尺度之實驗和模擬進行研究、分析與比對校驗，經過不斷反覆地測試、修正與改良，最後再將模型放大至地熱開發之實際尺度，藉以供妥善利用數值分析，以達到提高工作速度，降低時耗與節省成本等優點。
3.所建立完成之增強型地熱最佳取熱系統，可供增強型系統地熱電廠技術人員查詢在地熱儲集層中之不同地層平均粒徑和壓力，相對應之最大取熱量之質量流率，以降低相關實際操作成本，並作為評估開發成本之用，並可進一步提供一推薦值及一估計值，以做為取得最大取熱量之質量流率參考之用。
請參閱第一圖所示，本發明係為一種增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，係包含：
A.建立一數值模型進行模擬取熱：利用該數值模型進行模擬取熱，藉以模擬一工作流體流經一儲集層之取熱效率，該儲集層經模擬取熱後取得一模擬數據，該模擬數據之參數包含：溫度為200℃，平均粒徑為1.54mm至2.03mm，入口質量流率為0.00027到0.00109kg/s，壓力為7.5到12.5MPa。該工作流體係可為一二氧化碳。
本實施例係使用多重物理量軟體建立布林克曼孔隙流之一數值模型，並耦合一熱傳模組，藉以模擬工作流體流經地熱儲集層之取熱效率。經由該數值模型之模擬取熱，可以觀察到超臨界二氧化碳在不同岩層特性下之取熱性能。研究參數包含儲集層操作壓力、入口質量流率、壁面熱通量及孔隙率(即粒徑)等。得知超臨界二氧化碳在不同溫度下的比熱和黏滯性，使流速產生變化，顯著影響取熱量。而地溫梯度會隨著不同地質岩層有所變動。並藉由改變壁面熱通量可觀察超臨界二氧化碳在不同地溫時不一樣的熱傳行為。而地底岩層之結構組成不同，更隨著年代和深度有所變化，孔隙率代表著流體流道之空間，而不同孔隙率對於流體黏滯性較為顯著，且不同入口流率最顯著影響取熱量。
因此為了描述超臨界二氧化碳於增強型地熱系統儲集層中之取熱效率，其模擬分析之數值模型設定為流場和溫度場兩種模型之耦合，並由以下基本假設來簡化問題。
(1)系統條件為穩態熱傳。
(2)流體為可壓縮流體。
(3)忽略輻射熱傳、重力效應。
(4)多孔介質為均質。
本實施例為建立用於了解超臨界二氧化碳於增強型地熱系統儲集層中取熱模擬之數值模型，故需要流場與溫度場之數據。因此採用納維-斯托克斯方程式與布林克曼方程式分別對層流流場和孔隙流場做描述，結合連續方程式與動量平衡方程式去計算流場的流速與壓力。
因此建立數值模型時，本實施例係以一圓管(1)模擬儲集層外部環境之不可滲透的緻密岩層，內部環境之可滲透之孔隙岩層。如第二圖所示，其中該圓管之一外壁面(11)為管壁，一內壁面(12)為多孔介質，流體流動方向沿著X軸，左側為一入口(13)，右側為一出口(14)。
由於超臨界是指當流體超過臨界溫度和壓力時的狀態，流體在此狀態同時具有氣體與液體的性質，然而流體在接近臨界點附近的壓力或溫度時，就會使得其密度有大幅的變化，如第三圖所示。因此在超臨界二氧化碳建立時，必須確保流體在超臨界時的最低溫度和壓力之上，以確保流體為超臨界狀態。其次係流體之物理性質影響，如密度、常壓比熱、熱傳導係數、黏滯係數、比熱比均因為流體的溫度與壓力不同而產生變化，因建立二氧化碳時，須將流體隨著溫度及壓力變化之性質納為考量因子，以求其準確度。
本實施例中二氧化碳性值表採用NIST美國國家標準機構的資料庫建立而成，取得二氧化碳於臨界點壓力和溫度以上之不同壓力與溫度的密度、常壓比熱、熱傳導係數、黏滯係數及比熱比，以分段內插方式一一鍵入多重物理量軟體的材料庫。由於超臨界點係在溫度304.2K和壓力7.38MPa之上，為求其熱傳變化準確度，分別取得溫度304K到474K與壓力7.5MPa到12.5MPa時的密度〔如第四圖所示〕、常壓比熱〔如第五圖所示〕、熱傳導係數〔如第六圖所示〕、黏滯係數〔如第七圖所示〕及比熱比〔如第八圖所示〕。
B.透過一取熱實驗以驗證該數值模型之正確性：利用二氧化碳作為該工作流體，而進行該取熱實驗，將該取熱實驗所取得之一實驗數據與該模擬數據進行比對，藉以驗證該數值模型之正確性，利用比對結果之熱擴散係數，以插值法獲得於不同壓力與質量流率下之一熱擴散係數，經由調整該熱擴散係數，使該模擬數據趨近於該實驗數據。該實驗數據包含一取熱量及一系統出入口溫差。
為了模擬以取熱實驗進行操作時的熱傳現象，該圓管(1)之外壁面(11)係以不鏽鋼(AISI 316)作為熱傳介質，藉以模擬不可滲透之緻密岩層。而該圓管(1)之內壁面(12)則以自然界廣泛存在與被應用的二氧化矽(SiO2)做為孔隙介質，藉以模擬可滲透之孔隙岩層。經取得其常態溫度和壓力時的密度、熱傳導係數及常壓比熱〔如下列表一所示〕，鍵入多重物理量軟體的材料庫。
表一
如第九圖所示，其係實際製造出步驟A中之該圓管作為一測試段(1A)，並配合一微型高壓設備進行取熱實驗之測試。該微型高壓設備包含一二氧化碳鋼瓶(2)透過一高壓管路系統提供二氧化碳注入及輸出於該測試段(1A)之管道內。一數據擷取系統，以T型熱電偶作為訊號量測，經由擷取系統回傳至電腦進行處理。一恆溫水槽(3)，使取熱實驗前之二氧化碳恆溫於超臨界狀態。一冷卻水槽(4)，使吸熱後之二氧化碳冷凝至液化狀態。一針筒式高壓泵浦系統(5)，建立二氧化碳之高壓環境，精密控制入口壓力與流速，使其穩定輸出定量定壓之流量。不鏽鋼製成之該測試段(1A)則建立一熱儲集層條件，可耐溫至350℃。在數據換算部分，超臨界二氧化碳於該測試段(1A)內之取熱量，係利用輸入質量流率和出入口焓值來計算，計算公式如下：
；
其中ℎin 為入口焓值，ℎout 為出口焓值。藉此，可使後續的程式驗證中之實驗穩態結果之出口溫和取熱量更加精確。
本實施例係利用超臨界二氧化碳取熱之實驗設備所做的取熱實驗，藉以用來校驗該數值模型之模擬數據的正確性。其操作條件和實驗參數分別為：壁面熱通量1473.66W/m2 ；入口流體溫度313.15K；多孔介質平均粒徑1.54mm和2.03mm；入口質量流率0.00027、0.00054、0.00082及0.00109kg/s；操作壓力7.5、9、10、11及12.5MPa。其中多孔介質平均粒徑1.54mm和2.03mm為驗證案例，分別簡寫為案例1和案例2。討論不同案例中在不同流量下對出口溫和取熱的影響，比對校驗中藉由調整熱擴散係數以趨近於實驗數據。其出口溫校驗結果如第十圖和第十一圖所示，平均誤差值小於7.5%。取熱效率結果如第十二圖和第十三圖所示，平均誤差值小於2.3%。經由這些結果得知本實施例在比較校驗上相當準確，同時可得到不同案例在不同壓力與流速下之熱擴散係數，以作為後續最佳化之重要基礎參數。
本實施例中之熱擴散係數經由已知的案例1及案例2在不同操作壓力7.5、9、10、11及12.5MPa的比對結果之熱擴散係數，以插值法內差於壓力7.5到9、9到10、10到11及11到12.5MPa之間，其中包括縱向熱擴散係數，如第十四圖和第十五圖所示；橫向水平熱擴散係數，如第十六圖和第十七圖所示；橫向垂直熱擴散係數，如第十八圖和第十九圖所示。最後分別將這些值鍵入案例1和案例2之壓力7.5到12.5MPa中，以作為最佳化搜尋取得最大取熱之操作條件的關鍵變數。
C.以一最佳化方法取得在該模擬數據中之一最佳操作條件：係透過該最佳化方法取得在該模擬數據中之該最佳操作條件，該最佳操作條件係為壓力9.0MPa和質量流率0.00109kg/s。藉以能得知該熱擴散係數於該儲集層中不同之平均粒徑、入口質量流率及壓力的變化，並以一最大取熱量最為目標函數，入口質量流率作為變數，壓力則為定值，藉以取得該最大取熱量之質量流率。
經由上述步驟A利用該數值模型取得地熱儲集層取熱操作模擬之數據。並以不同之多孔介質平均粒徑、入口質量流率及操作壓力做為研究之分析，得到穩態時之出口溫和取熱量。以及經由步驟B進行比對校驗。係於模擬中耦合Brinkman孔隙流模型與熱傳模組建立增強型地熱系統儲集層，在多孔介質熱傳行為中之熱擴散係數描述被定義為縱向、橫向水平及橫向垂直，透過調整其值以符合取熱實驗之數據。並利用插值法，藉由數值模型在一定可靠性下以降低分析成本。藉由已知操作壓力比對結果之熱擴散係數，以插值法獲得更為詳細之不同壓力與質量流率下之熱擴散係數。
本實施例利用多重物理量軟體，藉以在不同壓力下找到最大取熱之操作條件，為使最佳化過程中能快速得到準確結果，因此採以相較於其它最佳化方法較為簡單且精確度高的Nelder-Mead最佳化搜尋法，做為一最佳化方法，或者是其他的基因演算最佳化搜尋法或簡易共軛梯度法等最佳方法。在此最佳化搜尋法取得最大取熱之操作條件之過程，係分別將案例1和案例2在壓力7.5到12.5MPa之間進行搜尋，其中總壓力數為51組(間距範圍0.1MPa)。最佳化過程以最大取熱量作為目標函數，入口質量流率0.00027到0.00109kg/s之間作為變數範圍，以取得發生最大取熱量時之質量流率，同時可記錄搜尋過程之相關變數結果。因此詳細相關操作條件之取熱結果的數據，將可供於系統建立後，經由系統查詢得知。
如第二十圖所示，係為案例1在不同壓力與流量下之取熱量分佈圖，由圖式中可觀察得知取熱量隨著質量流率增加而增加，並可發現最大取熱量38.53W發生在壓力9MPa與質量流率0.00109kg/s時，相較於壓力7.5和12.5MPa為佳。進一步可以觀察到取熱量在質量流率0.00109kg/s時與壓力的變化，在壓力7.5到9MPa時增加42.95%，9到10MPa時遞減9.54%，隨後在10到11MPa時又遞減12.78%，最後在11到12.5MPa時遞減4.58%。主要原因是因為超臨界二氧化碳在穩態時不一樣的出口溫所造成，如第二十二圖所示，同樣觀察出口溫在質量流率0.00109kg/s時與壓力的變化，得知從壓力7.5到9MPa時遞減13.45%，9到10MPa時增加2.79%，10到11MPa時增加2.66%，11到12.5MPa時增加3.08%。
如第二十一圖所示，係為案例2在不同壓力與流量下之取熱量分佈圖，由圖式中可以觀察得知取熱量隨著質量流率增加而增加，並可發現最大取熱量38.92W發生在壓力9MPa與質量流率0.00109kg/s時，相較於壓力7.5和12.5MPa為佳。我們可以觀察到取熱量在質量流率0.00109kg/s時與壓力的變化，在壓力7.5到9MPa時增加49.46%，9到10MPa時遞減6.37%，隨後在10到11MPa時又遞減13.68%，最後在11到12.5MPa時遞減7.66%。主要原因是因為超臨界二氧化碳在穩態時不一樣的出口溫所造成，如第二十三圖所示，同樣觀察出口溫在質量流率0.00109kg/s時與壓力的變化，得知從壓力7.5到9MPa時遞減12.27%，9到10MPa時增加3%，10到11MPa時增加2.62%，11到12.5MPa時增加2.58%。
因此可以得知超臨界二氧化碳在案例1和案例2中之最佳取熱分別為38.53W和38.92W。取熱量之變化量在案例1到案例2之間增加1%，由此可以得知多孔介質平均粒徑大小在取熱上的影響是其次的，主要超臨界二氧化碳取熱性能取決於壓力與質量流率的變化，因此適當的操作壓力及質量流率是有必要的。
本實施例經過最佳化取熱模擬之後，可證實最大取熱皆發生於壓力9.0MPa，為了能找出更趨近於真實的最大取熱之操作條件，透過取熱實驗設備在壓力9.0MPa和相鄰近之壓力8.9、8.95、9.05、9.1及9.15MPa與質量流率0.00109kg/s再進行一次分析。如第二十四圖所示，係為最佳化實驗與模擬之取熱比較圖(案例1)，由圖式中可以觀察得知實驗之最佳化取熱量39.46W發生在壓力9MPa時，相較於其它鄰近壓力為佳。進一步可以觀察到實驗之最佳化取熱量的變化，在壓力8.9到8.95MPa時增加3.92%，8.95到9MPa時增加3.52%，接著在9到9.05MPa時遞減0.35%，最後在9.05到9.1MPa時又遞減0.31%。故可得知趨近於真實的最大取熱之壓力是發生在9MPa。
如第二十五圖所示，係為最佳化實驗與模擬之取熱比較圖(案例2)，由圖式中可以觀察得知實驗之最佳化取熱量40.83W發生在壓力9.05MPa時，相較於其它鄰近壓力為佳。進一步可以觀察到實驗之最佳化取熱量的變化，在壓力8.9到8.95MPa時增加1%，8.95到9MPa時增加4.46%，接著在9到9.05MPa時增加4.93%，最後在9.05到9.1MPa時遞減0.05%。故可得知趨近於真實的最大取熱之壓力是發生在9.05MPa。
因此可以得知實驗與模擬之最佳化取熱量比較結果，案例1和案例2之取熱量誤差分別小於2.4%和4.91%，壓力誤差平均小於0.56%。由此可以證實本實施例最佳化之模擬數據與最後最佳化之實驗數據的結果相當準確。
D.利用該最佳操作條件建立一增強型地熱之最佳取熱系統：藉以可供輸入平均粒徑和壓力，而可以查詢得知相對應之最佳入口質量流率以獲得該最大取熱量之質量流率，以作為評估開發成本之用。
本實施例透過前述步驟，利用等壁溫方式分析超臨界二氧化碳流經測試段(1A)〔即圓管(1)〕之熱傳現象，以多孔介質平均粒徑1.54mm和2.03mm，在入口質量流率0.00027到0.00109kg/s之間、操作壓力7.5到12.5MPa之間及入口流體溫度313.15K，以了解不同熱傳現象並找出最大取熱之操作條件。
本實施例將從該模擬數據中獲得相關操作參數之取熱結果等數據，藉由程式設計軟體開發成一增強型地熱系統之最佳取熱系統，其操作介面如附件所示，藉以可供增強型地熱電廠輸入地層之平均粒徑和壓力，而可以查詢得知相對應之最佳入口質量流率以獲得該最大取熱量之質量流率。
本發明係可為一種增強型地熱之最佳取熱系統，係以上述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法所建立而成。藉以可供輸入地層之平均粒徑和壓力，而可以查詢得知相對應之最佳入口質量流率以獲得該最大取熱量之質量流率，以供作為待開採之地熱儲集層的評估開發之用。並可進一步提供一推薦值及一估計值，以做為取得最大取熱量之質量流率參考之用。
惟，以上所述僅為本發明其中之一實施例，當不能以此限定本發明之申請專利保護範圍，舉凡依本發明之申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與替換，皆應仍屬於本發明申請專利範圍所涵蓋保護之範圍內。
(1)‧‧‧圓管
(11)‧‧‧外壁面
(12)‧‧‧內壁面
(13)‧‧‧入口
(14)‧‧‧出口
(15)‧‧‧側壁面
(1A)‧‧‧測試段
(2)‧‧‧二氧化碳鋼瓶
(3)‧‧‧恆溫水槽
(4)‧‧‧冷卻水槽
(5)‧‧‧針筒式高壓泵浦系統
[第一圖]係為本發明之流程圖。
[第二圖]係為本發明進行實驗之圓管(測試段)的外型示意圖。
[第三圖]係為本發明二氧化碳之三相圖。
[第四圖]係為本發明在不同壓力與溫度下之超臨界二氧化碳密度分佈圖。
[第五圖]係為本發明在不同壓力與溫度下之超臨界二氧化碳比熱分佈圖。
[第六圖]係為本發明在不同壓力與溫度下之超臨界二氧化碳熱傳導係數分佈圖。
[第七圖]係為本發明在不同壓力與溫度下之超臨界二氧化碳黏滯係數分佈圖。
[第八圖]係為本發明在不同壓力與溫度下之超臨界二氧化碳比熱比分佈圖。
[第九圖]係為本發明進行取熱實驗之微型高壓設備示意圖。
[第十圖]係為本發明案例1實驗取熱與模擬取熱之出口溫比較圖。
[第十一圖]係為本發明案例2實驗取熱與模擬取熱之出口溫比較圖。
[第十二圖]係為本發明案例1實驗取熱與模擬取熱之取熱量比較圖。
[第十三圖]係為本發明案例2實驗取熱與模擬取熱之取熱量比較圖。
[第十四圖]係為本發明案例1於不同壓力與流量下之縱向熱擴散係數分佈圖。
[第十五圖]係為本發明案例2於不同壓力與流量下之縱向熱擴散係數分佈圖。
[第十六圖]係為本發明案例1於不同壓力與流量下之橫向熱擴散係數分佈圖。
[第十七圖]係為本發明案例2於不同壓力與流量下之橫向熱擴散係數分佈圖。
[第十八圖]係為本發明案例1於不同壓力與流量下之橫向垂直熱擴散係數分佈圖。
[第十九圖]係為本發明案例2於不同壓力與流量下之橫向垂直熱擴散係數分佈圖。
[第二十圖]係為本發明案例1於不同壓力與流量下之取熱量分佈圖。
[第二十一圖]係為本發明案例2於不同壓力與流量下之取熱量分佈圖。
[第二十二圖]係為本發明案例1於不同壓力與流量下之出口溫分佈圖。
[第二十三圖]係為本發明案例2於不同壓力與流量下之出口溫分佈圖。
[第二十四圖]係為本發明案例1最佳化實驗與模擬之取熱比較圖。
[第二十五圖]係為本發明案例2最佳化實驗與模擬之取熱比較圖。
[表一]係為本發明不鏽鋼與二氧化矽屬性之性值表。
[附件]係為本發明所建立之增強型地熱之最佳取熱系統的操作介面示意圖。

Claims (6)

  1. 一種增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，係包含： 建立一數值模型進行模擬取熱，利用該數值模型，藉以模擬一二氧化碳流經一儲集層之取熱效率，該儲集層經模擬取熱後取得一模擬數據，該模擬數據之參數包含溫度、平均粒徑、入口質量流率或壓力之至少其中一項； 透過一取熱實驗以驗證該數值模型之正確性，利用二氧化碳作為一工作流體，而進行該取熱實驗，且將該取熱實驗所獲得之一取熱量及一系統出入口溫差，並與該模擬數據比對，藉此驗證該數值模型之正確性； 以一最佳化方法取得在該模擬數據中之一最佳操作條件，該最佳化方法係為Nelder-Mead最佳化搜尋法、基因演算最佳化搜尋法或簡易共軛梯度法的其中之一種，藉以能得知在該最佳化操作條件下之特定儲集層中其地質條件之壓力及平均粒徑下之最佳入口質量流率，以獲得一最大取熱量； 利用該最佳操作條件建立一增強型地熱之最佳取熱系統，藉以可供輸入平均粒徑和壓力，而可以查詢得知相對應之最佳入口質量流率，以獲得該最大取熱量之質量流率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，其中，係以一圓管模擬該儲集層外部環境之不可滲透的緻密岩層，內部環境之可滲透之孔隙岩層，該圓管之外壁面為管壁，內壁面為多孔介質，一側為入口，另一側為出口，該圓管之該外壁面的能量方程式是以設定恆定熱通量作為調整加熱瓦數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，其中，係以該圓管作為一測試段，並配合一針筒式高壓設備進行該取熱實驗，該針筒式高壓設備包含一二氧化碳鋼瓶透過一高壓管路系統提供二氧化碳注入及輸出於該圓管之管道內，一數據擷取系統，以T型熱電偶作為訊號量測，經由擷取系統回傳至電腦進行處理，一恆溫水槽，使取熱實驗前之二氧化碳恆溫於超臨界狀態，一冷卻水槽，使吸熱後之二氧化碳冷凝至液化狀態，一針筒式高壓泵浦系統建立二氧化碳之高壓環境，精密控制該入口壓力與流速，使其穩定輸出定量定壓之流量，超臨界二氧化碳於該圓管內之取熱量，係利用輸入質量流率和出入口焓值來計算，計算公式如下：； 其中ℎin 為入口焓值，ℎout 為出口焓值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，其中，該取熱實驗的操作條件和實驗參數分別為：壁面熱通量1473.66W/m2 ，入口流體溫度313.15K，多孔介質平均粒徑1.54mm和2.03mm，入口質量流率0.00027kg/s、0.00054kg/s、0.00082kg/s及0.00109kg/s，操作壓力7.5MPa、9MPa、10MPa、11MPa及12.5MPa。
  5. 如申請專利範圍第1項所述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法，其中，係以多重物理量軟體建立該數值模型、驗證該數值模型之正確性及取得該最佳操作條件。
  6. 一種增強型地熱之最佳取熱系統，係以申請專利範圍第1項至第5項任一項所述增強型地熱之最佳取熱系統建立方法所建立而成。
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