CN106885385B - 单井干热岩热能提取系统 - Google Patents

单井干热岩热能提取系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单井干热岩热能提取系统，包括设置于干热岩层深井内的套管，所述套管的底端封闭，所述套管内底部设有井内换热器，所述套管内底部灌有水，所述井内换热器没入水中；所述井内换热器的顶端设有介质进管和介质出管，所述介质出管连接至地上换热器的一次侧进口，所述地上换热器的一次侧出口经过高压泵后连接至所述介质进管；所述地上换热器的二次侧连接地面热能利用设备。本发明的单井干热岩热能提取系统，能够有效地提取利用干热岩热能。

Description

单井干热岩热能提取系统
技术领域
本发明涉及干热岩热能利用技术领域，具体地说，涉及一种单井干热岩热能提取系统。
背景技术
地热热能是一种取之不尽的可再生能源，随着科技的发展，利用地热热能作为取暖和发电等的热能来源，成为一种发展趋势。例如近些年发展起来的利用地热热能的热泵系统的利用。埋藏于地下2000米至10000米的干热岩层，是内部不存在流体或仅有少量流体的高温岩体，它的温度在几十摄氏度到几百摄氏度，蕴藏有巨大的热能，是一种清洁的可再生能源。但是受到技术的限制，干热岩的热量不易于提取，因此，干热岩热能的提取利用一直没有得到广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够有效地提取并利用干热岩热能的单井干热岩热能提取系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
单井干热岩热能提取系统，包括设置于干热岩层深井内的套管，所述套管的底端封闭，所述套管内底部设有井内换热器，所述套管内底部灌有水，所述井内换热器没入水中；
所述井内换热器的顶端设有介质进管和介质出管，所述介质出管连接至地上换热器的一次侧进口，所述地上换热器的一次侧出口经过高压泵后连接至所述介质进管；
所述地上换热器的二次侧连接地面热能利用设备。
优选的，所述井内换热器包括圆筒形的壳体，所述壳体的两端分别设置端板，定义两端的端板分别为第一端板和第二端板，所述介质进管和所述介质出管设于所述第一端板上；
所述壳体内自所述第一端板至所述第二端板之间依次设置有分液腔、换热腔、以及集液腔，所述介质进管连通至所述分液腔，所述换热腔内设置有换热管，所述换热管的一端通过分液管板连通至所述分液腔，所述换热管的另一端通过集液管板连通至所述集液腔；
所述集液腔连通至所述换热腔，所述分液腔的腔壳的外周面与所述壳体的内侧壁之间留有环形空隙，所述换热腔通过所述环形空隙连通所述介质出管。
优选的，所述第一端板与所述分液管板之间连接有内筒体，所述第一端板、所述内筒体以及所述分液管板共同围成所述分液腔，所述内筒体的外径小于所述壳体的内径。
优选的，所述换热管包括多根并行的铜管，相邻的铜管之间留有间隙。
优选的，所述集液管板的周边与所述壳体的内侧壁固定连接，所述集液管板、所述壳体以及所述第二端板共同围成所述集液腔。
优选的，所述集液管板的周边部设置有连通所述换热腔和所述集液腔的通孔。
优选的，所述地上换热器与所述高压泵之间设置有气液分离器。
优选的，所述气液分离器包括分离器腔体，所述分离器腔体的一侧设有进液口，所述分离器腔体的底部设有出液口，所述分离器腔体的顶部设有排气口，所述分离器腔体内对应所述排气口处设有浮球阀；
所述分离器腔体内位于所述进液口的下方倾斜设有挡板，所述挡板上开设有放液孔。
优选的，所述挡板自靠近所述进液口的一侧至相对的另一侧逐渐升高。
优选的，所述地面热能利用设备为供暖设备或者发电设备。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
本发明的单井干热岩热能提取系统在使用时，将井内换热器安装于深井内套管内底部，在井内注水，使水没过井内换热器，井内的水吸收井壁干热岩地热的热量升温，加热井内换热器内的换热介质，换热介质自井内换热器的介质出管流出，提取至地面，用以作为地上换热器的加热热源，被吸收热量后的换热介质通过介质进管流回至井内换热器内。如此反复循环，换热介质不断将干热岩层的地热提取上来，源源不断地为地面热能利用设备提供热源。由于套管内底部封闭，深井内的水不会进入套管内，使套管内的注入水的液面保持不变，使套管内的水处于待吸收热量的干热岩层，保证了系统的稳定运行。本发明的这种系统，能够有效地提取利用干热岩热能，从而能够使干热岩热能的利用得到推广使用。
本发明中，井内换热器包括依次设置的分液腔、换热腔、以及集液腔，换热介质通过介质进管进入分液腔，经分液管板分流至换热腔内的换热管内，然后经集液管板集中至集液腔，再通过集液腔流入换热腔内，然后进入分液腔外壁与壳体内壁之间的环形空隙，从介质出管流出提至井外。在此循环过程中，低温的换热介质在换热管内吸收换热腔内的换热介质的热量，进行一级加热，加热后的低温介质经过集液腔集中后进入换热腔，在换热腔内，换热介质与壳体外部被地热加热的水换热，间接吸收地热的热量，进行第二级加热，升温成高温介质，然后提至井外利用吸取的地热的热能。此种结构，通过两级换热结构，最大化地提取井内地热的热能，热能提取效率高。由于壳体为圆筒形，便于放置于井内。
本发明中，地上换热器与高压泵之间设置有气液分离器，含有气体的液态换热介质从气液分离器腔体一侧的进液口进入分离器腔体内，先流到挡板上，经过挡板的阻挡作用，其中的气体在分离器腔体内上升至上部空间，液态换热介质从挡板的放液孔下落至分离器腔体内的下部空间。气体在分离器腔体内的上部空间积聚通过排气口排放出去。当分离器腔体内的液面高度达到一定的高度时，浮球阀堵住排气口，不再排气，以保证系统运行的压力要求。通过此种方式，使换热介质中的气体在分离器腔体内的上部空间积聚后才通过排气口排放，在将液态换热介质中的气体排放出去，使换热介质气液分离的同时，能够保证系统的运行压力，以保证系统的可靠运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明的单井干热岩热能提取系统的原理示意图；
图2是图1中的井内换热器的结构示意图；
图3是图1中的气液分离器的结构示意图；
图4是本发明的一种应用原理图；
图5是本发明的另一种应用原理图；
图中：1-深井；2-套管；3-井内换热器；31-壳体；32-第一端板；33-内筒体；34-分液管板；35-分液腔；36-换热腔；37-集液腔；38-换热管；39-集液管板；391-通孔；310-第二端板；311-介质进管；312-介质出管；313-环形空隙；4-地上换热器；5-气液分离器；51-分离器腔体；511-进液口；512-出液口；513-排气口；52-浮球阀；53-挡板；531-放液孔；6-高压泵；7-地面热能利用设备；71-供暖设备；711-用户；712-二次侧循环泵；72-发电设备；721-工质泵；722-汽轮机；723-发电机；724-冷凝器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明的单井干热岩热能提取系统，包括设置于干热岩层深井1内的套管2，套管2的底端封闭，套管2内底部设有井内换热器3，套管内底部灌有水，井内换热器3没入水中。
井内换热器3的顶端设有介质进管311和介质出管312，介质出管312连接至地上换热器4的一次侧进口，地上换热器4的一次侧出口经过高压泵6后连接至介质进管311。
地上换热器4的二次侧连接地面热能利用设备。
为了将系统一次侧系统内循环的液态换热介质中的气体分离出去，可在地上换热器4的一次侧与高压泵6之间设置有气液分离器5。以保证系统的可靠稳定运行。
参照图4，地面热能利用设备可为发电设备72，发电设备采用有机朗肯循环发电机组，包括汽轮机722、发电机723、冷凝器724和工质泵721。
地上换热器4的二次侧出口连接汽轮机722的工质进口，汽轮机722的工质出口连接冷凝器724的工质进口，汽轮机722的输出端连接发电机723，冷凝器724的工质出口通过工质泵721连接至地上换热器4的二次侧进口。工质为低沸点的有机物，例如戊烷，戊烷的沸点在10℃至40℃之间，而地上换热器4的一次侧内的换热介质在井内换热器的加热下，提取至地上换热器4时，温度能够达到105℃，能够保证有机朗肯循环发电系统的良好循环。
参照图5，地面热能利用设备可为供暖设备71，供暖循环管路中设置有二次侧循环泵712，地上换热器4的二次侧出口连接用户711的供暖热水进口，用户711的供暖热水出口经过二次侧循环泵712后连接至地上换热器4的二次侧进口。
参照图2，井内换热器3可采用以下具体结构：井内换热器3包括圆筒形的壳体31，壳体31的两端分别设置端板，定义两端的端板分别为第一端板32和第二端板310，第一端板32的外侧壁上分别连接有介质进管311和介质出管312。
壳体31内自第一端板32至第二端板310之间依次设置有分液腔35、换热腔36、以及集液腔37，介质进管311连通至分液腔35，换热腔36内设置有换热管38，换热管38包括多根并行的铜管，相邻的铜管之间留有间隙。换热管38的一端通过分液管板34连通至分液腔35，换热管38的另一端通过集液管板39连通至集液腔37。第一端板32与分液管板34之间连接有内筒体33，内筒体33作为腔壳，与第一端板32以及分液管板34共同围成分液腔35，内筒体33的外径小于壳体31的内径，内筒体33的外侧壁与壳体31的内侧壁之间留有环形空隙313，换热腔36通过环形空隙313连通介质出管312。
集液管板39的周边与壳体31的内侧壁固定连接，集液管板39、壳体31以及第二端板310共同围成集液腔37。集液管板39的周边部设置有连通换热腔36和集液腔37的通孔391，集液腔37通过通孔391连通至换热腔36。
井内换热器3在深井1内，低温的换热介质在换热管38内吸收换热腔36内的换热介质的热量，进行一级加热，加热后的低温介质经过集液腔37集中后进入换热腔36，在换热腔36内，换热介质与壳体31外部被地热加热的水换热，间接吸收地热的热量，进行第二级加热，升温成高温介质，然后提至井外利用吸取的地热的热能。此种循环方式，形成两级加热，最大化地提取井内地热的热能，热能提取效率高。换热介质可采用氟利昂等。
壳体31的高度可达到十几米以上，直径小，高度高，便于放置于井内，通过上述两级换热结构，最大化地提取井内地热的热能。由于换热腔36内的换热管38的长度较长，可在壳体31内设置横向支架(图中未示出)固定换热管38，避免换热管38在使用过程中的晃动。
此种结构的井内换热器，壳体31为圆筒形，可方便地安装于深达干热岩层的深井内使用，使干热岩的热能提取变得简单易行，能够促进干热岩热能地广泛利用。
参照图3，气液分离器5可采用以下结构：气液分离器5包括分离器腔体51，分离器腔体51的一侧设有进液口511，分离器腔体51的底部设有出液口512，分离器腔体51的顶部设有排气口513，分离器腔体51内对应排气口513处设有浮球阀52。浮球阀52用于关闭和开启排气口513。
分离器腔体51内位于进液口512的下方倾斜设有挡板53，挡板53上开设有放液孔531。
挡板53自靠近进液口511的一侧至相对的另一侧逐渐升高。
分离器腔体51为防腐的分离器腔体，可直接采用防腐材料制成，或者在分离器腔体的内表面涂覆防腐材料，挡板53为防腐材料的挡板。此种结构的气液分离器在使用时，含有气体的液态换热介质从分离器腔体51一侧的进液口511进入分离器腔体51内，先流到挡板53上，在挡板53的阻挡作用下，其中的气体在分离器腔体51内上升至上部空间，液态换热介质从挡板53的放液孔531下落至分离器腔体51内的下部空间。气体在分离器腔体51内的上部空间积聚通过排气口513排放出去。当分离器腔体51内的液面高度达到一定的高度时，浮球阀52堵住排气口，不再排气，以保证系统运行的压力要求。通过此种方式，使换热介质中的气体在分离器腔体51内的上部空间积聚后才通过排气口排放，在将液态换热介质中的气体排放出去，使换热介质气液分离的同时，能够保证系统的运行压力，以保证系统的可靠运行。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.单井干热岩热能提取系统，其特征在于：包括设置于干热岩层深井内的套管，所述套管的底端封闭，所述套管内底部设有井内换热器，所述套管内底部灌有水，所述井内换热器没入水中；
所述井内换热器的顶端设有介质进管和介质出管，所述介质出管连接至地上换热器的一次侧进口，所述地上换热器的一次侧出口经过高压泵后连接至所述介质进管；
所述地上换热器的二次侧连接地面热能利用设备；
所述井内换热器包括圆筒形的壳体，所述壳体的两端分别设置端板，定义两端的端板分别为第一端板和第二端板，所述介质进管和所述介质出管设于所述第一端板上；
所述壳体内自所述第一端板至所述第二端板之间依次设置有分液腔、换热腔、以及集液腔，所述介质进管连通至所述分液腔，所述换热腔内设置有换热管，所述换热管的一端通过分液管板连通至所述分液腔，所述换热管的另一端通过集液管板连通至所述集液腔；
所述集液腔连通至所述换热腔，所述分液腔的腔壳的外周面与所述壳体的内侧壁之间留有环形空隙，所述换热腔通过所述环形空隙连通所述介质出管。
2.根据权利要求1所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述第一端板与所述分液管板之间连接有内筒体，所述第一端板、所述内筒体以及所述分液管板共同围成所述分液腔，所述内筒体的外径小于所述壳体的内径。
3.根据权利要求2所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述换热管包括多根并行的铜管，相邻的铜管之间留有间隙。
4.根据权利要求3所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述集液管板的周边与所述壳体的内侧壁固定连接，所述集液管板、所述壳体以及所述第二端板共同围成所述集液腔。
5.根据权利要求4所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述集液管板的周边部设置有连通所述换热腔和所述集液腔的通孔。
6.根据权利要求1至5任一项所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述地上换热器与所述高压泵之间设置有气液分离器。
7.根据权利要求6所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述气液分离器包括分离器腔体，所述分离器腔体的一侧设有进液口，所述分离器腔体的底部设有出液口，所述分离器腔体的顶部设有排气口，所述分离器腔体内对应所述排气口处设有浮球阀；
所述分离器腔体内位于所述进液口的下方倾斜设有挡板，所述挡板上开设有放液孔。
8.根据权利要求7所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述挡板自靠近所述进液口的一侧至相对的另一侧逐渐升高。
9.根据权利要求1所述的单井干热岩热能提取系统，其特征在于：所述地面热能利用设备为供暖设备或者发电设备。
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