CN104863654A - 一种超临界二氧化碳地热开采装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地热开采和利用技术领域，涉及一种超临界二氧化碳地热开采装置及方法，地层内挖制有直通地热层的环形井筒，井筒的底部设置有换热盘管，井筒侧壁的地层内埋置有隔热管井筒的顶部出口与膨胀机管道连通，井筒与膨胀机之间设有节流阀，膨胀机分别与发电机和换热箱固定连接，膨胀机通过变速传动机构分别与气体增压泵和循环泵固定连接，气体增压泵分别与换热箱和气罐固定连接，气罐内装有二氧化碳气体；其结构简单，不需要汽、液转化相关设备，传热介质易得，成本低，环境友好，节能减排。

Description

一种超临界二氧化碳地热开采装置及方法

技术领域：

本发明属于地热开采和利用技术领域，涉及一种主动开采地热的传热介质和相关设备、工艺，特别是一种超临界二氧化碳地热开采装置及方法，利用超临界二氧化碳性质变化实现高效开采和利用地热。

背景技术：

地热作为新能源中惟一的地下矿藏，是可再生能源中最为现实并最具竞争力的能源之一，目前已有110个国家在开发利用，地热已成为油气等常规能源最有力的补充。我国地热资源遍布全国各地，据初步估算，全国主要沉积盆地距地表2000m以内储藏的地热能，相当于2500亿t标准煤的热量，可采地热资源量约为33亿t标准煤，开发利用前景广阔，如何对地热进行有效开发成为关键。

目前，开发地热主要有两个方向，一是开采地热用来发电，二是开采地热用来供暖。在发电方面，一种是利于地下高温蒸汽进行发电，另一种适用于中低温(150℃以下)地热资源的双工质发电技术，两者都是利用抽取的地热水，但地热水含有多种有害成分，会产生环境污染，且相比地热，地热水具有不可再生性；双工质发电通过换热器把地热水的热量传递给低沸点介质，低沸点介质吸热后变为具有一定压力的蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电，虽然降低了对地热水温度的要求，但换热器的换热效率限制了其使用范围，当地温低于90℃时，经济价值低。为了摆脱对地热水的依赖，后来又出现了井下换热的双工质地热发电方法，即将换热器做成适合置于地热井中的形式，低沸点介质在管内流动，直接在井下吸热，产生具有一定压力的蒸汽，然后驱动汽轮机并带动发电机发电，但诸如丁烷、氟利昂等低沸点介质，井筒泄漏后易爆炸、污染地层和大气，且当井较深时，低沸点介质用量大，投入大。低温地热一般用在供暖方面，但是地热水的循环流动需要耗费额外的能源，而且地热水成分复杂，易腐蚀水管、污染环境。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种超临界二氧化碳地热开采装置及方法，能有效提高地热利用范围和利用率，减小环境污染。

为了实现上述目的，本发明涉及的超临界二氧化碳地热开采装置的主体结构包括隔热管、发电机、节流阀、膨胀机、变速传动机构、循环泵、换热箱、楼房、气体增压泵、气罐、井筒、地层和换热盘管；地层内挖制有直通地热层的环形井筒，井筒的底部设置有换热盘管，换热盘管将地层的热量传递给二氧化碳，使二氧化碳升温；井筒侧壁的地层内埋置有隔热管，防止回流时二氧化碳热量的流失；井筒的顶部出口与膨胀机管道连通，井筒与膨胀机之间设有节流阀，用来控制井筒内二氧化碳的压力，膨胀机分别与发电机和换热箱固定连接，膨胀机通过变速传动机构分别与气体增压泵和循环泵固定连接，膨胀机把二氧化碳的热膨胀功转化为机械能，一方面带动发电机发电，另一方面通过变速传动机构把膨胀机的机械能传递给循环泵和气体增压泵，提供流体循环动力，膨胀后的低温二氧化碳进入换热箱利用余热加热水温，加热后的水通过循环泵供应到楼房进行循环供暖，气体增压泵分别与换热箱和气罐固定连接，气罐内装有二氧化碳气体用来补充气源，气体增压泵对气罐内的二氧化碳气体加压，并提供进入井筒中的循环动力。

本发明采用超临界二氧化碳地热开采装置实现地热的开采和利用，其具体步骤为：

(1)、气体增压泵将气罐中的二氧化碳加压至7.38MPa以上，再将加压后的二氧化碳泵入井筒循环；

(2)、二氧化碳到达井筒的底部后温度升高进入超临界状态，超临界态的二氧化碳进入换热盘管，通过换热盘管吸收地层中的热能；

(3)、二氧化碳通过换热盘管吸收地层中的热能后产生高于地层的温度，通过节流阀控制井筒中二氧化碳的压力，使超临界二氧化碳处于高热容状态，隔热管减小热量的散失；

(4)、二氧化碳经过换热盘管后通过节流阀，进入膨胀机，使二氧化碳的热能转化为膨胀机的机械能；

(5)、膨胀机带动发电机发电，膨胀机通过变速传动机构同时带动循环泵和气体增压泵工作，或通过发电机产生的电能带动循环泵和气体增压泵工作；

(6)、经过膨胀机较低温度(低于地层温度10℃及以上)的二氧化碳通过换热箱把余热传递给水，水在循环泵的带动下给楼房供暖，经过换热箱后的低温、低压二氧化碳进入增压泵，如此反复循环,实现地热的开采和利用。

本发明的工作原理为：超临界二氧化碳的质量热容是水的0.3～1.5倍，具有高的热量携带性能，其密度、粘度分别接近于其液态、气态参数，根据达西定律，在相同注采压差下其质量流量可以达到水的1～6倍，采热速率可以达到水的1.4～2.7倍；二氧化碳在临界点附近具有优良的热能储存和释放性能，热容在临界点附近随压力变化很大，当压力从临界点压力降低时，热容急剧减小，热量迅速释放转化为压能，可有效地推动膨胀机工作，且超临界二氧化碳的温度越低，热容变化范围越大，因此通过压力控制可对低温(小于90℃)地热进行更有效地开采和利用；超临界二氧化碳进入变窄的换热盘管后，流速增加、温度降低，可形成大的温差和紊流，提高二氧化碳和地层间的换热系数和换热量，形成对地热的强化开采；而且超临界二氧化碳在热能释放过程中不会出现气液相的转化，不需要冷凝器等复杂装置。

本发明与现有技术相比，通过控制二氧化碳的压力和温度等参数，形成对地热的强化开采，增加了可利用地热温度的范围，能对50℃左右的地热资源进行有效开发，无需换热即可推动膨胀机发电，提高了利用效率，增加了中低温地热经济的利用方式；所有循环动力都来自于热能，不会有额外的能源消耗；利用较高温度的二氧化碳来发电，利用较低温度的二氧化碳进行供暖，对地热进行更充分地开发；其结构简单，不需要汽、液转化相关设备，传热介质易得，成本低，环境友好，节能减排。

附图说明：

图1为本发明涉及的超临界二氧化碳地热开采装置的主体结构原理示意图。

图2为本发明应用到油气热采的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的超临界二氧化碳地热开采装置的主体结构包括隔热管1、发电机2、节流阀3、膨胀机4、变速传动机构5、循环泵6、换热箱7、楼房8、气体增压泵9、气罐10、井筒11、地层12和换热盘管13；地层12内挖制有有直通地热层的环形井筒11，井筒11的底部设置有换热盘管13，换热盘管13将地层12的热量传递给二氧化碳，使二氧化碳升温；井筒11侧壁的地层12内埋置有隔热管1，防止回流时二氧化碳热量的流失；井筒11的顶部出口与膨胀机4管道连通，井筒11与膨胀机4之间设有节流阀3，用来控制井筒11内二氧化碳的压力，膨胀机4分别与发电机2和换热箱7连接，膨胀机4通过变速传动机构5分别与气体增压泵9和循环泵6连接，膨胀机4把二氧化碳的热膨胀功转化为机械能，一方面带动发电机2和发电，另一方面通过变速传动机构5把膨胀机4的机械能传递给循环泵6和气体增压泵9，提供流体循环动力，膨胀后的低温二氧化碳利用余热进入换热箱7加热水，加热后的水通过循环泵6供应到楼房8进行循环供暖，气体增压泵9分别与换热箱7和气罐10连接，气罐10内装有二氧化碳气体用来补充气源，气体增压泵9对气罐10内的二氧化碳气体加压，并提供进入井筒11中的循环动力。

本实施例采用超临界二氧化碳地热开采装置实现地热的开采和利用，其具体步骤为：

(1)、气体增压泵9将二氧化碳加压至7.38MPa以上，加压后的二氧化碳进入井筒11循环；

(2)、二氧化碳到达井筒11的底部后温度升高进入超临界状态，超临界态的二氧化碳进入换热盘管13，通过换热盘管13吸收地层12中的热能；

(3)、二氧化碳通过换热盘管13后产生高于地层12的温度，通过节流阀3控制井筒11中二氧化碳的压力，使超临界二氧化碳处于高热容状态，隔热管1减小热量的散失；

(4)、二氧化碳经过换热盘管13后通过节流阀3，进入膨胀机4，二氧化碳的热能转化为膨胀机4的机械能，

(5)、膨胀机4带动发电机2发电，膨胀机4通过变速传动机构5带动循环泵6和气体增压泵9工作，也能通过发电机2产生的电能带动循环泵6和气体增压泵9工作；

(6)、经过膨胀机4较低温度(低于地层温度10℃及以上)的二氧化碳通过换热箱7把余热传递给水，水在循环泵6的带动下给楼房8供暖，经过换热箱后的低温、低压二氧化碳进入增压泵9，如此反复循环,实现地热的开采和利用。

实施例2：

本实施例利用与实施例1相同的原理对油气热采，其装置结构如图2所示，先启动增压泵17，对二氧化碳储罐18中的二氧化碳进行增压，增压后的二氧化碳通过井筒15后进入高温地热层中换热盘管14(也可为渗透性岩层)，由于换热盘管14流道变窄，二氧化碳流速升高、压力和温度降低而产生低于地层的大温差，通过换热盘管14强化吸收其附近地层中的热能。二氧化碳进入井筒19后，流道变宽，流速降低，二氧化碳压力升高，热容降低而释放出大量的热，二氧化碳温度升高，通过井筒19引入到油气储层20中，形成超临界二氧化碳油气热采工艺。

Claims (2)

1.一种超临界二氧化碳地热开采装置，其特征在于体结构包括隔热管、发电机、节流阀、膨胀机、变速传动机构、循环泵、换热箱、楼房、气体增压泵、气罐、井筒、地层和换热盘管；地层内挖制有直通地热层的环形井筒，井筒的底部设置有换热盘管，换热盘管将地层的热量传递给二氧化碳，使二氧化碳升温；井筒侧壁的地层内埋置有隔热管，防止回流时二氧化碳热量的流失；井筒的顶部出口与膨胀机管道连通，井筒与膨胀机之间设有节流阀，用来控制井筒内二氧化碳的压力，膨胀机分别与发电机和换热箱固定连接，膨胀机通过变速传动机构分别与气体增压泵和循环泵固定连接，膨胀机把二氧化碳的热膨胀功转化为机械能，一方面带动发电机发电，另一方面通过变速传动机构把膨胀机的机械能传递给循环泵和气体增压泵，提供流体循环动力，膨胀后的低温二氧化碳进入换热箱利用余热加热水温，加热后的水通过循环泵供应到楼房进行循环供暖，气体增压泵分别与换热箱和气罐固定连接，气罐内装有二氧化碳气体用来补充气源，气体增压泵对气罐内的二氧化碳气体加压，并提供进入井筒中的循环动力。

2.一种采用如权利要求1所述超临界二氧化碳地热开采装置实现地热开采的方法，其特征在于其具体步骤为：

(1)、气体增压泵将气罐中的二氧化碳加压至7.38MPa以上，再将加压后的二氧化碳泵入井筒循环；

(2)、二氧化碳到达井筒的底部后温度升高进入超临界状态，超临界态的二氧化碳进入换热盘管，通过换热盘管吸收地层中的热能；

(3)、二氧化碳通过换热盘管吸收地层中的热能后产生高于地层的温度，通过节流阀控制井筒中二氧化碳的压力，使超临界二氧化碳处于高热容状态，隔热管减小热量的散失；

(4)、二氧化碳经过换热盘管后通过节流阀，进入膨胀机，使二氧化碳的热能转化为膨胀机的机械能；

(5)、膨胀机带动发电机发电，膨胀机通过变速传动机构同时带动循环泵和气体增压泵工作，或通过发电机产生的电能带动循环泵和气体增压泵工作；

(6)、经过膨胀机后低于地层温度10℃以上的二氧化碳通过换热箱把余热传递给水，水在循环泵的带动下给楼房供暖，经过换热箱后的低温、低压二氧化碳进入增压泵，如此反复循环,实现地热的开采和利用。