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地热发电系统闪蒸器两相流场数值模拟1

地热发电系统闪蒸器两相流场数值模拟

摘要

地热能作为一种清洁可再生能源，在全球能源转型中扮演着重要角色。闪蒸器作为

地热发电系统的核心设备，其内部两相流场的特性直接影响整个系统的发电效率和运

行稳定性。本报告基于计算流体力学（CFD）方法，系统研究地热发电系统闪蒸器内部

两相流场的数值模拟技术。通过建立三维数学模型，采用欧拉欧拉多相流模型和RNG

k湍流模型，结合VOF方法捕捉气液界面，对闪蒸器内部复杂的流动传热过程进行深

入分析。研究结果表明，闪蒸器内部存在明显的相间传热传质现象，流场分布受入口条

件、结构参数和操作工况等多重因素影响。通过优化设计，可使闪蒸效率提升812%，系

统热效率提高35%。本报告提出的数值模拟方法可为地热闪蒸器的设计优化和性能预

测提供理论依据和技术支撑，对推动地热发电技术发展具有重要意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

随着全球能源危机和环境问题日益严峻，可再生能源开发利用已成为各国能源战

略的重要组成部分。地热能作为一种储量丰富、稳定可靠的清洁能源，在全球能源结构

中的占比逐年提升。据国际地热协会（IGA）统计，截至2022年，全球地热发电装机

容量已达16.3GW，年发电量约95TWh。我国地热资源潜力巨大，据《中国地热能发

展报告（2021）》显示，我国310公里深度干热岩资源量相当于856万亿吨标准煤，开

发潜力巨大。

闪蒸器是地热发电系统的关键设备，其性能直接影响整个系统的发电效率和经济

性。闪蒸过程中，高温高压地热流体在闪蒸器内突然降压，部分液体瞬间汽化产生蒸汽，

驱动汽轮机发电。这一过程涉及复杂的气液两相流动、相变传热和传质现象，传统实验

方法难以全面观测和分析。数值模拟技术为研究闪蒸器内部复杂流动提供了有效手段，

通过计算机仿真可深入揭示流场细节，为优化设计提供依据。

1.2国内外研究现状

国外对地热闪蒸器的研究起步较早，美国、冰岛、新西兰等地热发达国家已形成较

为成熟的技术体系。美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的TOUGH2系列软件可模拟地

热储层井筒地面系统一体化过程；冰岛雷克雅未克大学提出的闪蒸器优化设计方法使

系统效率提升15%以上。近年来，随着计算流体力学技术发展，高精度数值模拟逐渐

成为研究热点。意大利帕多瓦大学采用LES方法模拟了闪蒸器内瞬态两相流特性；日

本东京工业大学开发了基于相场法的闪蒸过程模拟模型。

地热发电系统闪蒸器两相流场数值模拟2

国内研究相对滞后，但发展迅速。中国科学院广州能源研究所建立了地热发电系统

性能测试平台；中国地质大学（武汉）开展了闪蒸器内部流动可视化实验研究；清华大

学开发了地热闪蒸系统动态仿真模型。然而，现有研究多集中在宏观性能分析，对闪蒸

器内部微观流场特性的精细化模拟研究仍不充分，特别是两相流场的瞬态特性、相间传

热传质机理等方面有待深入。

1.3研究目标与内容

本研究旨在建立地热发电系统闪蒸器两相流场高精度数值模拟方法，揭示内部流

动传热规律，为优化设计提供理论支撑。主要研究内容包括：（1）建立闪蒸过程气液两

相流数学模型，考虑相变传热传质效应；（2）开发适用于闪蒸器流动特性的数值求解方

法；（3）分析不同工况和结构参数对流场分布的影响规律；（4）提出闪蒸器结构优化方

案并验证其有效性；（5）建立闪蒸器性能预测模型，为工程应用提供指导。

通过上述研究，预期可实现以下目标：（1）阐明闪蒸器内部两相流动机理；（2）建

立可靠的数值模拟方法；（3）提出闪蒸效率提升方案；（4）形成一套完整的地热闪蒸器

设计优化理论体系。研究成果将填补国内在地热闪蒸器精细化模拟领域的空白，推动我

国地热发电技术进步。

研究概述

2.1研究范围界定

本研究聚焦于地热发电系统中常用的单级和两级闪蒸器，重点研究其内部气液两

相流场的数值模拟方法。研究范围包括：（1）地热流体温度范围150250℃，压力范围

0.32.5MPa；（2）闪蒸器直径0.53m，高度210m；（3）考虑水蒸气水两相系统，暂不包

含非凝性气体影响；（4）稳态和瞬态模拟并重，以稳态分析为主；（5）几何结构以典型

立式闪蒸器为研究对象。

研究边界条件设定为：（1）入口为高