CN106996658A - 一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统 - Google Patents
一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，广泛适用于电厂余热回收，该系统主要由地下蒸汽生产系统和地上余热回收系统两部分组成；地下蒸汽生产系统主要由生产井、蒸汽热储、外护套管、外护套管保温层、蒸汽上升传热管、真空装置组成；地上余热回收系统主要由汽轮机、热泵压缩机、热泵蒸发器、热泵节流阀、热泵冷凝器、余热源进口管、余热源出口管、热水进口管、汽水换热器、热水出口管、凝水循环泵组成；本发明利用超深井干热岩产生的高温蒸汽推动汽轮机做功，带动热泵压缩机工作，避免耗费电厂燃煤锅炉产生的高品质蒸汽，节省大量能源，且深度回收电厂的冷却循环水(或乏汽)余热，具有良好的经济和社会效益；且本发明具有运行成本低，节能环保，系统可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种热泵余热回收系统，尤其是涉及一种可用于提取电厂余热且清洁高效的超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统。
背景技术
干热岩技术，就是利用深井钻探技术，在高温无渗透率的热岩体中，通过水力压裂等方法制造一个人工热储，将地面冷水注入地底深处，通过与岩体进行换热来获取热能，以达到使用目的。首先，干热岩技术具有普遍适用性，地热能资源丰富，广泛赋存于地下数千米深处，且钻孔位置灵活，不受场地条件的限制。其次，干热岩能源清洁环保，不采用地下水且热交换介质-水(城市自来水或工业软化水)可循环利用。再者，干热岩系统简单且安全可靠。因此，干热岩技术是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源技术，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源利用技术。
火力发电厂在纯凝工况下的能源利用率通常低于40％，而在有抽汽供热的情况下能源综合利用率也不到60％，在损失的能量中，由冷却循环水(或乏汽)所带走的能量约占电厂总耗能的30％以上，如何充分高效的利用这部分能量将会对社会、环境、电厂带来巨大的利益。这些利益对社会来说可以增加人们的幸福和对政府的信任感；对环境来说可以节约燃煤、节约大量水，减少温室气体CO2和NOX等有害气体以及粉尘的排放；对企业来说可以优化设备、降低成本，缓解现有供热机组供热不足的问题，满足更大的供热需求，为更大的供热面积提供热源，从而进一步拓展供热市场。
蒸汽驱动型压缩式热泵，凭借其高可靠性及大温差提升能力，为热电厂冷却循环水余热回收集中供暖应用开辟了新途径。压缩式热泵机组通过循环工质压缩式制热循环，从热源水中提取低品位热能，并将提取的热量连同压缩机压缩功一同释放到热网回水中，用于热水加热，从而实现余热回收集中供暖的目的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足和提高能源利用效率的要求，提供了运行成本低，节能环保，系统可靠的超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统。
本发明的技术解决方案为：一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，广泛适用于电厂余热回收，主要由地下蒸汽生产系统和地上余热回收供热系统组成，其特征在于：地下蒸汽生产系统包括：生产井、蒸汽热储、外护套管、外护套管保温层、蒸汽上升传热管、真空装置；地上余热回收系统组成包括：汽轮机、热泵压缩机、热泵蒸发器、热泵节流阀、热泵冷凝器、余热源进口管、余热源出口管、热网水进口管、汽水换热器、热网水出口管、凝水循环泵；生产井由超深井钻井机械钻探完成，通过人工压裂的方式获得蒸汽热储，外护套管位于生产井的径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在生产井的内壁，外护套管保温层位于外护套管径向外侧，蒸汽上升传热管位于外护套管径向内侧，其一端深入连接蒸汽热储，另一端连接真空装置，工作中的真空装置不断抽引着高温蒸汽沿着蒸汽上升传热管内壁高速上升，产生的高温蒸汽沿着管道进入汽轮机中，推动汽轮机带动热泵压缩机工作，热泵压缩机不断压缩来自热泵蒸发器循环工质，并且将循环工质输送到热泵冷凝器中，热泵蒸发器的工质因吸收来自余热源进口管中余热源的余热后不断蒸发进入热泵压缩机中，温度降低后的余热源从余热源出口管流出，起着节流降压作用的热泵节流阀不断调节着进入热泵蒸发器的流量，热泵冷凝器中的工质不断冷凝放热，释放的热量被热网水进口管中的热水吸收，完成第一次温度提升，热水随后流入汽水换热器中，吸收来自汽轮机凝水余热和乏汽余热，完成第二次温度提升，并通过热网水出口管流出，蒸汽凝水通过凝水循环泵泵入到生产井中，蒸汽凝水沿外护套管内壁流入蒸汽热储中，完成蒸汽的循环。
根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的生产井为干热岩井自循环式，深度为7000m-8000m，且井内一次性加入用以产生高温蒸汽的循环水。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的蒸汽上升传热管上部设置真空装置，其下部开口形状为喇叭形。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的蒸汽上升传热管外表面涂刷抗高温隔热材料。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的汽轮机做功后的乏汽及凝水直接进入汽水换热器与热水进行换热。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的热泵蒸发器中的余热形式为冷却循环水(或乏汽)。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的热水经过热泵冷凝器进行初次温度提升，再进入汽水换热器进行第二次温度提升。根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的外护套管和汽水换热器之间设置凝水循环泵。
上述方案的原理是：如图1所示，换热后的凝水沿着外护套管内壁流入到蒸汽热储，在蒸汽热储中吸收来自干热岩岩石的热量后迅速蒸发，形成的高温蒸汽在真空装置的抽引下沿着蒸汽上升传热管高速上升至地面，并通过管道进入到汽轮机中，推动汽轮机叶片做功，同时带动压缩机工作，做功后的蒸汽变成乏汽和凝水，进入到汽水换热器中与热网水化热，换热后的凝水通过凝水循环泵泵入到外护套管内壁，再进入到蒸汽热储中，这就完成蒸汽凝水循环。在热泵蒸发器中，工质液体吸收来自余热源的热量蒸发后变成低压蒸汽，进入热泵压缩机后被压缩到冷凝压力，然后进入热泵冷凝器中，使工质蒸汽凝结成液体，凝结时压力不变，并放出大量热量被热网水吸收.由热泵冷凝器出来的液体工质，经节流阀膨胀到一定压力，温度也下降到与压力相应的饱和温度.此时工质已成为汽液两相混合物，然后再进入热泵蒸发器中，在其间吸收热量并蒸发，这就完成压缩式热泵工质的循环。热网回水首先吸收来自热泵冷凝器释放的热量，完成第一次温度提升，热网水随后流入汽水换热器中，吸收来自汽轮机凝水余热和乏汽余热，完成第二次温度提升，并通过热网水出口管流出。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于超深井干热岩制取高温蒸汽，与利用燃烧燃煤的方式制取高温蒸汽的方法相比，避免了燃煤燃烧排放大量氮氧化物和烟尘的缺点，具有清洁环保的优点；与电压缩式热泵相比，利用高温蒸汽驱动压缩机，免去产生电能的环节，因此采用蒸汽透平式热泵更加节能；与吸收式热泵相比，蒸汽透平式热泵的COP能够达到4，系统效率更高。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统结构示意图。
具体实施方式
一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，广泛适用于电厂余热回收，主要由地下蒸汽生产系统和地上余热回收供热系统组成，其特征在于：地下蒸汽生产系统包括：生产井1、蒸汽热储2、外护套管3、外护套管保温层4、蒸汽上升传热管5、真空装置6；地上余热回收系统组成包括：汽轮机7、热泵压缩机8A、热泵蒸发器8B、热泵节流阀8C、热泵冷凝器8D、余热源进口管9、余热源出口管10、热网水进口管11、汽水换热器12、热网水出口管13、凝水循环泵14；生产井1由超深井钻井机械钻探完成，通过人工压裂的方式获得蒸汽热储2，外护套管3位于生产井1的径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在生产井1的内壁，外护套管保温层4位于外护套管3径向外侧，蒸汽上升传热管5位于外护套管3径向内侧，其一端深入连接蒸汽热储2，另一端连接真空装置6，工作中的真空装置6不断抽引着高温蒸汽沿着蒸汽上升传热管5内壁高速上升，产生的高温蒸汽沿着管道进入汽轮机7中，推动汽轮机7带动热泵压缩机8A工作，热泵压缩机8A不断压缩来自热泵蒸发器8B循环工质，并且将循环工质输送到热泵冷凝器8D中，热泵蒸发器8B的工质因吸收来自余热源进口管9中余热源的余热后不断蒸发进入热泵压缩机8A中，温度降低后的余热源从余热源出口管10流出，起着节流降压作用的热泵节流阀8C不断调节着进入热泵蒸发器8B的流量，热泵冷凝器8D中的工质不断冷凝放热，释放的热量被热网水进口管11中的热水吸收，完成第一次温度提升，热水随后流入汽水换热器12中，吸收来自汽轮机7凝水余热和乏汽余热，完成第二次温度提升，并通过热网水出口管13流出，蒸汽凝水通过凝水循环泵14泵入到生产井1中，蒸汽凝水沿外护套管3内壁流入蒸汽热储2中，完成蒸汽的循环。
系统正常运行时，凝水通过不断吸收干热岩岩石的热量变成高温蒸汽，在真空装置6的抽引下高速上升，并进入到汽轮机(7)中推动叶片做功，带动热泵压缩机8工作，产生的乏汽和凝水进入到汽水换热器12中与热网水换热，并通过凝水循环泵14泵入到外护套管3内部。
成井过程为：在钻探机械钻生产井1完毕后，将事先准备的外护套管保温层4缠绕安装在外护套管3上，通过钻井机械紧贴安放在生产井1内壁，此时通过人工压裂的方法，建造完成蒸汽热储2，蒸汽上升传热管5与外护套管3同心放置。
总之，本发明系统较好的考虑到节能减排、运行成本等因素，具有节能环保、经济效益高、高效率等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，广泛适用于电厂余热回收，主要由地下蒸汽生产系统和地上余热回收供热系统组成，其特征在于：地下蒸汽生产系统包括：生产井(1)、蒸汽热储(2)、外护套管(3)、外护套管保温层(4)、蒸汽上升传热管(5)、真空装置(6)；地上余热回收系统组成包括：汽轮机(7)、热泵压缩机(8A)、热泵蒸发器(8B)、热泵节流阀(8C)、热泵冷凝器(8D)、余热源进口管(9)、余热源出口管(10)、热网水进口管(11)、汽水换热器(12)、热网水出口管(13)、凝水循环泵(14)；生产井(1)由超深井钻井机械钻探完成，通过人工压裂的方式获得蒸汽热储(2)，外护套管(3)位于生产井(1)的径向内侧，并通过钻井机械紧贴安放在生产井(1)的内壁，外护套管保温层(4)位于外护套管(3)径向外侧，蒸汽上升传热管(5)位于外护套管(3)径向内侧，其一端深入连接蒸汽热储(2)，另一端连接真空装置(6)，工作中的真空装置(6)不断抽引着高温蒸汽沿着蒸汽上升传热管(5)内壁高速上升，产生的高温蒸汽沿着管道进入汽轮机(7)中，推动汽轮机(7)带动热泵压缩机(8A)工作，热泵压缩机(8A)不断压缩来自热泵蒸发器(8B)循环工质，并且将循环工质输送到热泵冷凝器(8D)中，热泵蒸发器(8B)的工质因吸收来自余热源进口管(9)中余热源的余热后不断蒸发进入热泵压缩机(8A)中，温度降低后的余热源从余热源出口管(10)流出，起着节流降压作用的热泵节流阀(8C)不断调节着进入热泵蒸发器(8B)的流量，热泵冷凝器(8D)中的工质不断冷凝放热，释放的热量被热网水进口管(11)中的热水吸收，完成第一次温度提升，热水随后流入汽水换热器(12)中，吸收来自汽轮机(7)凝水余热和乏汽余热，完成第二次温度提升，并通过热网水出口管(13)流出，蒸汽凝水通过凝水循环泵(14)泵入到生产井(1)中，蒸汽凝水沿外护套管(3)内壁流入蒸汽热储(2)中，完成蒸汽的循环。
2.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的生产井(1)为干热岩井自循环式，深度为7000m-8000m，且井内一次性加入用以产生高温蒸汽的循环水。
3.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的蒸汽上升传热管(5)上部设置真空装置(6)，其下部开口形状为喇叭形。
4.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的蒸汽上升传热管(5)外表面涂刷抗高温隔热材料。
5.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的汽轮机(7)做功后的乏汽及凝水直接进入汽水换热器(12)与热水进行换热。
6.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的热泵蒸发器(8B)中的余热形式为冷却循环水(或乏汽)。
7.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的热水经过热泵冷凝器(8D)进行初次温度提升，再进入汽水换热器(12)进行第二次温度提升。
8.根据权利要求1所述的一种超深井干热岩蒸汽透平式热泵余热回收供热系统，其特征在于：所述的外护套管(3)和汽水换热器(12)之间设置凝水循环泵(14)。
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