CN107939621B - 基于翅片套管开发热干岩地热能的s-co2发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于翅片套管开发热干岩地热能的S‑CO2发电系统及方法，翅片套管为同轴套管，由外层下降管段、外层强化换热管段、内回流管、S‑CO2气轮机、发电机、压缩机等组成。本发明的创新点是利用S‑CO2在翅片套管内的闭路循环，将地热能从热干岩层传递至气轮机；翅片套管和气轮机均采用S‑CO2作为循环工质，消除了换热器端差；热干岩段外加翅片，增大传热面积，提高单井出力。S‑CO2从取热套管外层流至取热井底部汇集到内层，在下降过程吸收干热岩中的地热能不断升温，再从内层回流至地面，通过S‑CO2气轮机和发电机将地热能转化为高品位的电能。S‑CO2经过工质检测单元检测和压缩机加压后开始新的循环，实现了热干岩地热能的可持续开采。
Description
技术领域
本发明涉及热干岩地热开采领域，具体涉及基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2(超临界CO2)发电系统及方法。
背景技术
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。地热能分为浅层地热资源，水热型地热资源和热干岩资源，目前浅层和水热型地热资源均已得到了广泛利用，而占我国地热储能95％以上的热干岩资源还未得到开采利用。水热型地热资源存在着水位下降或是资源枯竭的问题，浅层地热资源总量小品位低，而热干岩资源是以固体形态存在的高温岩石，温度达到200℃以上，资源均匀稳定，可采总量折合17万亿吨标准煤，可以满足我国4400年的能源需求，有着巨大的利用潜力。
美国、日本、德国、法国等8个国家从上个世纪70年代开始采用增强型地热系统开发利用热干岩。增强型地热系统的开发主要分为四个阶段，资源勘查与选址、人工储层的建造、地热田的建立、地热田的开采与检测。其中人工储层的建造需要先利用水力压裂高温岩体制造出具有高渗透性的裂缝体系，然后从注入井注入高压水至地下裂缝体系，从生产井抽取产生的地热蒸汽或地热水进行生产。人工储层的建立面临着流动短路、岩石溶解、岩层渗漏等诸多问题，给热干岩的开采带来了巨大的挑战。由于技术原因和经济效益不佳，目前仅有法国和德国的增强型地热系统还在运行，其余均已终止试验。传统的增强型地热系统依靠水为媒介从地下取能，系统复杂，管路繁多，可靠性低，亟需一种简单可靠的热干岩开采系统来实现热干岩的大规模利用。
CO2在31.1℃和7.38MPa的条件下即可转变为超临界态，S‐CO2(超临界CO2)作为循环工质具有流动性好、传热效率高、粘性好密度大、动能大、无相变等优良特性，既作为循环工质通过套管取热井从热干岩提取热量，又作为做功工质直接进入气轮机做功。S‐CO2发电系统还具有效率高、体积小、噪声低、可利用低温热能等优良特性。目前的CO2气轮机单机功率均在MW级别，和干热岩取热井的单井出力级别相吻合；热干岩温度在200℃以上，可保证S‐CO2发电系统的高效运行，将二者有机的结合起来，创造出以S‐CO2为工质的热干岩发电系统。
发明内容
为了解决现有增强型地热发电系统的不足，本发明的目的在于提供基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法及方法，翅片套管分为内外两层，S‐CO2从外层流至井底吸收热干岩热能，通过内回流管回流至地面进入气轮机做功，之后再次从取热井管外层流至井底吸收热干岩热能；S‐CO2在取热井管内部闭路循环，通过翅片强化换热的外表面吸收热干岩层的热能，仅需一口地热井便可保证热干岩热发电的可持续进行。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法，包括：翅片套管，为同轴套管，分为内外两层即外层管和内回流管，外层管提供S‐CO2流至井底吸收地热能的通道，外层管分为外层下降管段和外层强化换热管段；外层下降管段，提供循环工质从井口到热干岩层的流动通道；外层强化换热管段，位于热干岩层，外表面有沿圆周和竖直方向均匀分布的强化换热翅片，可显著提升翅片套管的换热面积，工质主要在外层强化换热管段吸热升温；内回流管，提供循环工质从井底到井口的流动通道；气轮机，位于井口处，与内回流管出口相连接，将S‐CO2的热能转化为机械能，带动发电机发电；工质检测单元，位于气轮机出口，检测CO2中的杂质含量，适时投入阻垢剂或防腐剂并更换部分变质CO2；回热器，位于工质检测单元之后，预热加热压缩机出口的S‐CO2流体；冷凝器，位于回热器之后，将CO2充分降温，以减少压缩功；压缩机，位于冷凝器之后，将CO2压缩至超临界态，并提供循环动力，控制CO2的流量和压力。
所述翅片套管采用S‐CO2作为取热循环工质，CO2作为循环工质具有流动性好、传热效率高、性质稳定、腐蚀结垢倾向低、传热系数大、比热容大的优点；CO2在31.1℃和7.38MPa的条件下即可转变为超临界态，通过循环泵对CO2加压8MPa以上，即能保证CO2在循环过程中全程保持超临界态，流动状态更稳定，换热传热效率更高。
所述外层下降管段从井口一直到热干岩层，根据地质条件选用石油套管钢或不锈钢；外层下降管段长度占外层管总长度的70％以上，温度变化缓慢，无需外加翅片便能保证充分换热；外层强化换热管段位于热干岩层之中，根据地质条件选用铝硅合金或铜合金类耐腐蚀、强度大、导热优良的金属材料，通过热传导方式与热干岩换热；外层强化换热管段的长度能够满足设计流量与温度下的换热需求。
所述外层强化换热管段外表面沿圆周与竖直方向均匀分布着翅片，翅片能够增加换热面积，使用导热优良的耐高温水泥将外层强化换热管段固定在地热井中；翅片根部与外层强化换热管段外表面相连，通过热传导方式吸收热干岩中的热量；翅片选用板翅或针翅，采用焊接方式固定在外表面，板翅固定在竖直方向上，以免影响固井水泥的流动；翅片选用铝硅合金类耐腐蚀导热性能优良的金属材料。
所述外层强化换热管段底部设置了底部抗冲击加厚层，热干岩取热井底部承受的循环工质静压达30MPa以上，还附加了工质流动方向改变带来的冲击动压，承受压力大；采用厚壁锻件封头和外层强化换热管段采用宽U形或窄U形坡口对接焊接在一起，从而将取热井管底部密封且承受超临界压力，形成取热井管内部的闭路循环。
所述内回流管入口在地热井底部，出口和地面的气轮机相连，吸收了热干岩热量的取热工质从外层流入内回流管；内回流管具有良好的保温性能，以确保出口工质具有较高的品位，以提升发电效率；内回流管的入口设置稳流单元，采用管端扳边方式将入口扳成12‐15°的喇叭口，使取热工质在管底加速，避免回流。
所述内回流管采用钢塑复合管，钢塑复合管的塑料外层能够抵抗循环介质的高温腐蚀，同时具有低的导热系数，有效提高热干岩取热井管的出口温度；钢质内层强度大，能够承受循环工质的高压。
为确保翅片套管的良好连接与固定，每段翅片套管之间采用螺纹连接；安放取热井管时先放入外层管，使用水泥固定后再放入内回流管；每一段外层管中设置3片以上的板状支架以固定内回流管，进入外层强化换热管段的板状支架除固定作用外，还应该将板状支架和内回流管中心线呈大于0°小于90°略带旋流，形成旋流，削弱流动边界层，强化换热和避免温度分布不均；板状支架选用不锈钢。
所述工质检测单元位于S‐CO2气轮机出口，能够定期检测S‐CO2中的杂质含量，将含有较多杂质的CO2排出，添加新的CO2；定期加入阻垢剂或缓蚀剂，防止地热井管发生S‐CO2腐蚀。
所述的以S‐CO2为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统的发电方法，由压缩机工作将CO2压缩至超临界态，并提供动力推动S‐CO2经过回热器预热之后进入外层下降管段入口，阀门配合调节S‐CO2循环工质流量和压力；S‐CO2循环工质在翅片套管的外层管向下流动并吸收岩石和热干岩中的热量，在取热井底部汇集至内回流管；升温后的循环工质从内回流管的出口进入S‐CO2气轮机，通过S‐CO2气轮机将热能转化为机械能，带动发电机转动发电；降温降压后的S‐CO2进入工质检测单元4，检测杂质浓度，添加缓蚀剂，并更换部分变质工质；检测过后的CO2经过回热器释放余热，经过冷凝器进一步冷却降温后进入压缩机加压后开始新的循环。
为确保取热井管高效稳定换热，进一步优选：所述S‐CO2在整个循环中都处于超临界态，确保密度不出现剧烈变化，不出现局部气化，保持流动的稳定和换热的高效进行。
所述S‐CO2气轮机，优选方式如下：S‐CO2气轮机位于内回流管地面出口处；S‐CO2气轮机选用耐S‐CO2腐蚀的不锈钢，外部包裹保温材料。调整气轮机出口压力，确保出口CO2仍处于超临界态。
所述工质检测单元，优选方式如下：工质检测单元位于S‐CO2气轮机出口，可以定期检测S‐CO2中的杂质含量，将含有较多杂质的S‐CO2排出，添加新的CO2；定期加入缓蚀剂，防止地热井管腐蚀穿孔。
所述回热器，优选方式如下：回热器位于工质检测单元之后，利用S‐CO2气轮机出口CO2的低温余热预热压缩后的低温CO2，提高发电循环的效率。
所述冷凝器，优选方式如下：冷凝器在回热器之后，将CO2进一步冷却，以降低压缩机功耗；冷凝器可采用水为循环冷却介质，升温后的循环水可以用于温室种植、鱼塘养殖等需要低温热能的场合，实现地热能的梯级利用，提高地热能利用效率。
所述压缩机，优选方式如下：压缩机位于回热器和冷凝器之后，和S‐CO2气轮机同轴转动，将在气轮机中做功膨胀后的CO2压缩至指定压力，并推动循环进行；经压缩机压缩后的S‐CO2流经回热器预热后进入热干岩取热井；根据地下热干岩的热量补充速度调整循环工质流量，在合理泵功范围内获得尽可能多的地下热干岩能。
本发明创新点、优点和积极效果是：
1、本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法采用S‐CO2作为传热介质将热量从热干岩传递到S‐CO2气轮机，循环工质在外层管和内回流管之间循环流动，不与热干岩接触，无需建立地下储层系统，避免了渗漏、结垢、腐蚀等诸多问题，与传统的增强型地热系统相比极大的降低了热干岩的开采难度与开发成本。超临界二氧化碳作为循环工质，性质稳定，腐蚀结垢倾向低，传热系数大，比热容大。在单口地热井内实现了热干岩地热能的可持续开采。
2、本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法，使用S‐CO2作为发电气轮机的循环工质，具有效率高、体积小、噪声低、可利用低温热能等优良特性。与传统的双工质地热循环相比，只利用一种工质便实现了热量采集和推动气轮机做功，结构更加简单，循环发电效率更是提升了50％以上，大大提升了热干岩发电的经济性。
3、本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法，热干岩段采用针翅强化外层换热，在维持管径不变的同时，增大了换热面积，提高了单井出力，缩短了取热井长度，减少了钻探与运行成本，提高了经济效益。
4、本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法选用钢塑复合管作为内回流管，钢塑复合管的塑料外层可以抵抗循环介质的高温腐蚀，同时具有低的导热系数，可以有效提高热干岩取热井管的出口温度；钢质内层强度大，可承受循环工质的高压。
5、本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法设置了工质检测单元，定期检测CO2的质量，添加缓蚀剂，避免取热井管出现腐蚀穿孔。实现了工质的循环利用，并为CO2的利用开辟了新的途径。
附图说明
图1是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法图。
图2是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法的取热翅片套管的平面示意图。
图3是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法的取热翅片套管(针翅和板翅)的立体示意图，其中：图3a为取热针翅套管，图3b为取热针翅套管的局部剖面图，图3c为取热板翅套管的局部剖面图。
图4是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法的外层强化换热管段底部厚壁锻件封头图。
图5是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法的内回流管入口处扩口工艺图。
图6是本发明的基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法的强化换热管段的用于固定内回流管的旋流板式支架图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
如图1所示，基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO2发电系统及方法，系统由内回流管1、S‐CO2气轮机2、发电机3、工质检测单元4、回热器5、冷凝器6、压缩机7、阀门8、外层下降管段入口9等组成；系统组成形式如下：由压缩机7工作将CO2压缩至超临界态，并提供动力推动CO2经过回热器5预热之后进入外层下降管段入口9，阀门8可配合调节循环工质流量和压力；循环工质在翅片套管的外层管向下流动并吸收岩石和热干岩中的热量，在取热井底部汇集至内回流管1；升温后的循环工质从内回流管1的出口进入S‐CO2气轮机2，S‐CO2气轮机2带动发电机3转动发电；降温降压后的S‐CO2进入工质检测单元4，检测杂质浓度，添加缓蚀剂，并更换部分变质工质；检测过后的CO2经过回热器5释放余热，经过冷凝器6进一步冷却降温后进入压缩机7开始新的循环。
如附图2所示，热干岩取热翅片套管由固井导热水泥层10、内回流管11、外层下降管段12、外层强化换热管段13、翅片14、底部抗冲击加厚层15等组成，16为普通岩石，17为热干岩。
内回流管1采用钢塑复合材料。钢塑复合管的塑料外层可以抵抗循环介质的高温腐蚀，同时具有低的导热系数，可以有效提循环工质的出口温度；钢质内层强度大，可承受循环工质的冲击。
S‐CO2气轮机2设置在地热井出口处。S‐CO2气轮机2需选用耐S‐CO2腐蚀的材料，以减轻循环工质对气轮机的腐蚀；气轮机的单机功率应在2MW以上，以保证单井的经济性；发电机3、压缩机7与S‐CO2气轮机2相连，在气轮机的带动下转动发电、压缩工质。
工质检测单元4位于S‐CO2气轮机2出口，可以定期检测S‐CO2中的杂质含量，将含有较多杂质的循环工质排出，添加新的CO2；定期加入阻垢剂或缓蚀剂，防止地热井管结垢或是腐蚀穿孔。
压缩机7位于回热器5和冷凝器6之后，和S‐CO2气轮机2同轴转动，将在S‐CO2气轮机2中做功膨胀后的CO2压缩至指定压力，并推动循环进行；经压缩机7压缩后的S‐CO2流经回热器预热后进入热干岩取热井。
根据岩石温度的不同，将热干岩取热翅片套管外层分为上下两段，外层下降管段12和外层强化换热管段13。外层下降管段12为光管，占到总长度的70％以上，温度提升缓慢，岩石压力和循环工质压力均较小，选用石油套管钢即可。外层强化换热管段13位于热干岩层中，岩层压力大温度高，循环工质静压大腐蚀性强，可选用铝硅合金钢等耐腐蚀、强度大、导热优良的金属材料；外层强化换热管段13外表面沿圆周和竖直方向均匀焊接着翅片14，增大了传热表面积，提升了单井出力。热干岩取热井管底部采用封闭设计，设置底部抗冲击加厚层15，承受循环工质的静压和冲击磨蚀。
如图3中图3a、图3b和图3c所示，热干岩取热翅片套管采用同轴套管结构，分为内外两层；外层下降管段12不外加翅片；外层强化换热管段13外表面沿圆周与竖直方向均匀分布着翅片14，翅片14能够增加换热面积，提高单井出力；翅片14可选用板翅(图3a、图3b)或针翅(图3c)。
如图4所示，外层强化换热管段底部设置了底部抗冲击加厚层15，采用厚壁锻件封头和外层强化换热管段13采用宽U形或窄U形坡口对接焊接在一起。
如图5所示，内回流管11的入口设置稳流单元，采用管端扳边方式将入口扳成12‐15°的喇叭口，使取热工质在管底加速，避免回流。
如图6所示，每一段外层管中设置3片以上的板状支架以固定内回流管，进入外层强化换热管段13的板状支架除固定作用外，还将板状支架19和内回流管11中心线呈大于0°小于90°略带旋流。
本发明的工作原理：热干岩取热翅片套管采用同轴套管结构，分为内外两层。循环工质从外层流至取热井底部后汇集到内层，在下降过程吸收土壤、岩石和热干岩中的地热能不断升温，再从保温良好的内层回流至地面，通过S‐CO2气轮机将热能转化为机械能，再带动发电机发电。经过回热器和冷凝器降温后进入压缩机加压，再次进入外层吸收地热能开始新的循环。S‐CO2只在热干岩取热管系统内流动，不与热干岩接触，无需建立开式的地下储层系统，无需钻探复杂的注入井、压裂井、生产井，避免了渗漏、腐蚀、结垢等诸多问题。为了增强热干岩段的换热能力，在取热套管外表面增设了翅片，以增大传热面积，提高单井出力，同时缩短了取热井长度，减少了钻探与运行成本。
Claims (8)
1.基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：包括：翅片套管，为同轴套管，分为内外两层即外层管和内回流管，外层管提供S-CO2流至井底吸收地热能的通道，外层管分为外层下降管段和外层强化换热管段；外层下降管段，提供循环工质从井口到热干岩层的流动通道；外层强化换热管段，位于热干岩层，外表面有沿圆周和竖直方向均匀分布的强化换热翅片，可显著提升翅片套管的换热面积，工质主要在外层强化换热管段吸热升温；内回流管，提供循环工质从井底到井口的流动通道；气轮机，位于井口处，与内回流管出口相连接，将S-CO2的热能转化为机械能，带动发电机发电；工质检测单元，位于气轮机出口，检测CO2中的杂质含量，适时投入阻垢剂或防腐剂并更换部分变质CO2；回热器，位于工质检测单元之后，预热压缩机出口的S-CO2流体；冷凝器，位于回热器之后，将CO2充分降温，以减少压缩功；压缩机，位于冷凝器之后，将CO2压缩至超临界态，并提供循环动力，控制CO2的流量和压力；
所述翅片套管采用S-CO2作为取热循环工质，CO2作为循环工质具有流动性好、传热效率高、性质稳定、腐蚀结垢倾向低、传热系数大、比热容大的优点；CO2在31.1℃和7.38MPa的条件下即可转变为超临界态，通过循环泵对CO2加压8MPa以上，即能保证CO2在循环过程中全程保持超临界态，流动状态更稳定，换热传热效率更高；
所述外层强化换热管段外表面沿圆周与竖直方向均匀分布着翅片，翅片能够增加换热面积，使用导热优良的耐高温水泥将外层强化换热管段固定在地热井中；翅片根部与外层强化换热管段外表面相连，通过热传导方式吸收热干岩中的热量；翅片选用板翅，采用焊接方式固定在外表面；板翅固定在竖直方向上，以免影响固井水泥的流动；翅片选用铝硅合金类耐腐蚀导热性能优良的金属材料。
2.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：所述外层下降管段从井口一直到热干岩层，根据地质条件选用石油套管钢或不锈钢；外层下降管段长度占外层管总长度的70％以上，温度变化缓慢，无需外加翅片便能保证充分换热；外层强化换热管段位于热干岩层之中，根据地质条件选用铝硅合金或铜合金类耐腐蚀、强度大、导热优良的金属材料，通过热传导方式与热干岩换热；外层强化换热管段的长度能够满足设计流量与温度下的换热需求。
3.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：所述外层强化换热管段底部设置了底部抗冲击加厚层，热干岩取热井底部承受的循环工质静压达30MPa以上，还附加了工质流动方向改变带来的冲击动压，承受压力大；采用厚壁锻件封头和外层强化换热管段采用宽U形或窄U形坡口对接焊接在一起，从而将取热井管底部密封且承受超临界压力，形成取热井管内部的闭路循环。
4.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：所述内回流管入口在地热井底部，出口和地面的气轮机相连，吸收了热干岩热量的取热工质从外层流入内回流管；内回流管具有良好的保温性能，以确保出口工质具有较高的品位，以提升发电效率；内回流管的入口设置稳流单元，采用管端扳边方式将入口扳成12-15°的喇叭口，使取热工质在管底加速，避免回流。
5.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：所述内回流管采用钢塑复合管，钢塑复合管的塑料外层能够抵抗循环介质的高温腐蚀，同时具有低的导热系数，有效提高热干岩取热井管的出口温度；钢质内层强度大，能够承受循环工质的高压。
6.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：为确保翅片套管的良好连接与固定，每段翅片套管之间采用螺纹连接；安放取热井管时先放入外层管，使用水泥固定后再放入内回流管；每一段外层管中设置3片以上的板状支架以固定内回流管，进入外层强化换热管段的板状支架除固定作用外，将板状支架和内回流管中心线呈大于0°小于90°略带旋流，形成旋流，削弱流动边界层，强化换热和避免温度分布不均；板状支架选用不锈钢。
7.根据权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统，其特征在于：所述工质检测单元位于S-CO2气轮机出口，能够定期检测S-CO2中的杂质含量，将含有较多杂质的CO2排出，添加新的CO2；定期加入阻垢剂或缓蚀剂，防止地热井管发生S-CO2腐蚀。
8.权利要求1所述的基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统的发电方法，其特征在于：由压缩机工作将CO2压缩至超临界态，并提供动力推动S-CO2经过回热器预热之后进入外层下降管段入口，阀门配合调节S-CO2循环工质流量和压力S-CO2循环工质在翅片套管的外层管向下流动并吸收岩石和热干岩中的热量，在取热井底部汇集至内回流管；升温后的循环工质从内回流管的出口进入S-CO2气轮机，通过S-CO2气轮机将热能转化为机械能，带动发电机转动发电；降温降压后的S-CO2进入工质检测单元4，检测杂质浓度，添加缓蚀剂，并更换部分变质工质；检测过后的CO2经过回热器释放余热，经过冷凝器进一步冷却降温后进入压缩机加压后开始新的循环。
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