【Applied Energy最新原创论文】深井地热能系统的热-水-力学模型:不确定性分析与设计优化

学术   2024-11-28 18:31   美国  

原文信息

Thermo-hydro-mechanical modeling of geothermal energy systems in deep mines: Uncertainty quantification and design optimization

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924019147

Highlights

1.  将地热能系统与深井矿山基础设施相结合,既能提高能源效率,又能增强矿山冷却效果。

2.  通过热-水-力(THM)耦合模型评估地热对矿山稳定性的影响。

3.  采用基于距离的广义敏感性分析(DGSA)来量化THM模型参数的敏感性,解决参数不确定性问题。

4.  提出一种基于DGSA的优化框架,用于系统设计,在深井地热系统中为不确定条件下的决策提供稳健的建议和有价值的见解。

摘要

       通过深井系统提取地热能不仅能降低地热系统的成本,还可以帮助深井矿山降温。然而,冷水注入地下后,会引发复杂的热-水-力相互作用,这可能影响矿山的稳定性。本研究探讨了地热能提取对深井矿山温度和稳定性的影响。通过评估不同参数对矿井温度和稳定性的影响,我们提出了一套优化方案,既能提高地热能的生产效率,又能实现快速的矿井降温,并保持矿山的稳定性。

       首先,我们通过数值模拟分析了地热操作对矿井温度和稳定性的影响。结果表明,孔隙中的压力变化迅速影响矿井的稳定性,而热应力对长期稳定性的影响更加明显。随后,我们采用了一种敏感性分析方法,发现矿井系统与地热系统之间的距离是影响最大的因素,其他关键参数包括注水速率、注水温度、井距、热膨胀系数、渗透率、杨氏模量和热容量等。

       最后,我们提出了一个基于敏感性分析的优化框架,考虑了地下条件的不确定性,并验证了优化方案。研究表明,在合适的地质条件下,合理选择设计参数可以在确保矿井快速降温和稳定性的同时,提升地热能的提取效率。这项研究为深井地热系统的优化提供了重要的参考,帮助进行更有效的决策。


更多关于“energy systems”的研究详见:

https://www.sciencedirect.com/search?pub=Applied%20Energy&cid=271429&qs=energy%20emissions

Abstract

Geothermal energy extraction through deep mine systems offers the potential to reduce the cost of geothermal systems while meeting the cooling needs of deep mines. However, the injection of cold water into the subsurface triggers strongly coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes that can affect the stability of underground excavations. This study evaluates the impact of geothermal energy extraction on the temperature and stability of a deep mine. By quantifying the sensitivity of the mine temperature and stability to various parameters, we propose a scheme to optimize geothermal energy production, while achieving rapid mine cooling and maintaining stability. We first evaluate the impact of geothermal operations on mine temperature and stability through THM numerical modeling. The simulations show that poro-elastic stress quickly affects mine stability, while thermal stress has a more significant impact on the long-term stability. We then use Distance-based Generalized Sensitivity Analysis (DGSA) to quantify parameter sensitivity. The analysis identifies the distance between the mine system and the geothermal system as the most influential factor. Other important parameters include the injection rate, injection temperature, well spacing, coefficient of thermal expansion, permeability, Young’s modulus, and heat capacity. Finally, we propose a DGSA-based optimization framework that accounts for subsurface uncertainty and validate the optimized results. Our results indicate that, with favorable geological conditions, a rational selection of system design parameters can enhance geothermal energy production while ensuring rapid mine cooling and stability. This study provides essential insights for the optimization of deep mine geothermal systems and supports effective decision-making.


Keywords

Deep geothermal energy;

Thermo-hydro-mechanical modeling;

Sensitivity analysis;

Uncertainty quantification

Graphics

Graphic abstract

关于Applied Energy

本期小编:成沁梓;审核人:黄雨佳

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