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Coupled Hydraulic, Thermal and Chemical Simulations for Geothermal Installations

Nusiaputra, Yodha Yudhistra

Abstract: Geothermal installations (e.g. wellbore and power block) cost is a major factor determining the economic feasibility of binary geothermal power plant project. The purpose of this research was to study various technical factors to optimize their design and operation, aims at significant cost efficiency. The first part of the thesis was devoted to modeling and optimization of modular Organic Rankine Cycles. Modularization technique was devised to utilize various wellhead temperatures (120 - 170°C), mass flow rates and ambient temperatures (-10 - 40°C). A multiple-input and multiple-output control strategy was developed using steady-state optimization to maximize plant performance during off-design. Dynamic simulations were also performed to test the optimal control strategy for both 60 kWel Gross-Schönebeck ORC and 1,000 kWel conceptual modular ORC at insular operation condition. The objective of the second part of the thesis was the development of thermohydro-chemical (THC) wellbore flow simulator, WellboreKit, to simulate pressure, temperature and mineral deposition of multiphase flow under different condition. The properties of multicomponent fluid mixtures were computed by using gEOSkit, an equation of state solver assembled for two-phase, multisalt (Na-Ca-K-Mg-Cl-HCO3) and multigas (CO2-N2-CH4-H2S) geothermal fluids. gEOSkit is based on extended Duan-Sun fugacity-activity approach to partition liquid-like (aqueous) and gas-like (non-aqueous) phases. Improved gas activity coefficient has been accomplished through the extension of neutral interaction between dissolved gasses. The two-phase flow was modeled by using a heterogeneous equilibrium model. Elmer FEM, a finite element solver, was used to solve the mass, energy, momentum and species transport conservation equations. The flow pattern has been determined by physically-based mechanistic flow model. To solve the geochemistry reaction, PHREEQC was coupled to Elmer using Python as a wrapper. An operator splitting algorithm has been applied to solve the problem sequentially. The simulation results show the impact of operation parameters (e.g. flow rate, injection temperature) and constitutive correlations like the slip correlation; scaling-corrosion related wall-friction model, and reaction kinetics to barite, calcite, and amorphous silica thickness. This tool allows slow-transient analyses that predicting wellbore system dynamics such as time-varying flow rate, temperature, pressure, fluid composition, and tendency to mineral deposition.

Abstract (englisch): Geothermische Anlagen (z. B. Bohrloch und Energieblock) Kosten sind ein wichtiger Faktor, der die ökonomische Durchführbarkeit eines binären geothermischen Kraftwerksprojekts bestimmt. Der Zweck dieser Forschung war es, verschiedene technische Faktoren zu untersuchen, um ihre Konstruktion und ihren Betrieb zu optimieren, zielt auf eine beträchtliche Kosteneffizienz. Der erste Teil der Arbeit widmete sich der Modellierung und Optimierung modularer organischer Rankine cycle. Modularisierungstechnik wurde entwickelt, um verschiedene Bohrlochkopftemperaturen (120 - 170 °C), Massendurchflüsse und Umgebungstemperaturen (-10 - 40 °C) zu nutzen. Eine Steuerungsstrategie mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen wurde unter Verwendung einer stationären Optimierung entwickelt, um die Anlagenleistung während des Off-Designs zu maximieren. Dynamische Simulationen wurden ebenfalls durchgeführt, um die optimale Steuerstrategie für 60 kWel Gross-Schönebeck ORC und 1.000 kWel konzeptionelle modulare ORC im Inselbetrieb zu testen. Das Ziel des zweiten Teils der Arbeit war die Entwicklung des thermohydrochemischen (THC) Bohrlochströmungssimulators WellboreKit zur Simulation von Druck, Temperatur und Mineralablagerung von Mehrphasenströmung unter verschiedenen Bedingungen. Die Eigenschaften von Mehrkomponenten-Fluidgemischen wurden unter Verwendung von gEOSkit, einer Zustandsgleichungslöser für zweiphasige, multisalt (Na-Ca-K-Mg-Cl-HCO3) und multigas (CO2-N2- CH4-H2S) geothermische Flüssigkeiten, berechnet . gEOSkit basiert auf einem erweiterten Duan-Sun Fugazitäts-Ansatz für die Trennung von flüssigen (wässrigen) und gasähnlichen (nicht-wässrigen) Phasen. Durch die Erweiterung der neutralen Wechselwirkung zwischen gelösten Gasen wurde eine verbesserte Gasaktivität erreicht. Die Zweiphasenströmung wurde unter Verwendung eines heterogenen Gleichgewichtsmodells modelliert. Elmer FEM, ein Finite-Elemente-Löser, wurde verwendet, um die Masse-, Energie-, Momen-tum- und Spezies-Transport-Konservierungsgleichungen zu lösen. Das Strömungsmuster wurde durch ein physikalisch basiertes mechanistisches Strömungsmodell bestimmt. Um die Geochemistry-Reaktion zu lösen, wurde PHREEQC an Elmer unter Verwendung von Python als Hülle gekoppelt. Ein Operatoraufteilungsalgorithmus wurde angewandt, um das Problem sequentiell zu lösen. Die Simulationsergebnisse zeigen die Auswirkungen von Betriebsparametern (z. B. Strömungsrate, Einspritztemperatur) und konstitutive Korrelationen wie die Schlupfkorrelation, dem Wandreibungsmodell unter Betracht der Korrosion und Ausfällung, und Reaktionskinetik auf die Baryt-, Calcit- und amorphe Siliciumdioxid-Dicke. Dieses Tool ermöglicht langsame Transientenanalysen, die die Dynamik des Bohrlochsystems vorhersagen, wie z. B. zeitvariable Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck, Fluidzusammensetzung und Tendenz zur Mineralablagerung.


Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW)
Publikationstyp Hochschulschrift
Jahr 2017
Sprache Englisch
Identifikator DOI(KIT): 10.5445/IR/1000068708
URN: urn:nbn:de:swb:90-687087
KITopen ID: 1000068708
Verlag Karlsruhe
Umfang 181 S.
Abschlussart Dissertation
Fakultät Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften (BGU)
Institut Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW)
Prüfungsdatum 17.02.2017
Referent/Betreuer Prof. T. Kohl
Lizenz CC BY 4.0: Creative Commons Namensnennung 4.0 International
Projektinformation DEEPEGS (EU, H2020, 690771)
Schlagworte geothermal, modular ORC, wellbore simulator, reactive
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