CN109186112A - 一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置 - Google Patents
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Abstract
一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，属于地热能取热装置技术领域，解决换热后的高温换热介质取热效率低、套管下放过程中井内易憋压的技术问题，解决方案为：本装置包括取热装置和滑套，滑套安装于取热装置的下方，取热装置包括外层取热套管、中心套管和保温管，保温管设置于中心套管的上方，保温管的侧壁设置有空心夹层；滑套包括聚能套管、滑套壳体和用于连接聚能套管与滑套壳体的滑套连接座，滑套壳体的心部设置有滑套中心管，泄压塞通过固定连接柱固定安装于滑套中心管的内侧壁上。本发明增加了输入换热装置内的换热介质，避免换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，提高换热效率，而设置的滑套避免了下井过程中井内憋压。
Description
技术领域
本发明属于地热能取热装置技术领域，特别涉及一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置。
背景技术
我国平均地温梯度约3℃/100米。即在恒温层以下，每向下增加100米，地温增加约3℃。地下1000～4000米，地温约50～135℃。这部分中深层地热资源温度不足以开发利用于发电，但是可以成为建筑供热的稳定热源。
目前我国对中深层地热能利用，主要采用直接开采中深层地热水用于建筑供热的方式，即在地热水资源丰富地区，开凿地热井，直接抽取地下热水用于建筑供热，地下水温度利用后直接排放或回灌。但是目前中深层地热取热技术还不成熟，换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，导致提取的地热能被损耗，取热效率无法提升，成为限制中深层地热取热发展的瓶颈，而为了提高换热介质使用时的温度，只能钻更深的井、取更多的地热能，无形中建设成本大幅增高，制约了地热能提取技术的全面推广。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，解决换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热、取热效率无法提高的技术问题，本发明提供一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，它包括取热装置和滑套，其中：所述滑套安装于取热装置的下方；
所述取热装置包括外层取热套管、中心套管和保温管，所述外层取热套管的中部和上部位置处设置为广口段，外层取热套管的下部设置为窄口段，所述中心套管安装于窄口段中，中心套管的外侧壁与窄口段的内侧壁之间设置有环形空间，中心套管侧壁的侧壁上设置有筛孔，中心套管的上端部延伸至广口段的底部，中心套管的上端面安装有下安装法兰，下安装法兰的上方设置有与下安装法兰相配合的上安装法兰，上安装法兰与保温管的下端面固定连接，保温管的上端面贯穿广口段延伸至地表外部，所述保温管的侧壁设置有空心夹层；所述广口段的上端面设置为换热介质进液口，所述保温管的上端面设置为换热介质的出液口；
所述滑套包括聚能套管、滑套壳体和用于连接聚能套管与滑套壳体的滑套连接座，所述聚能套管设置于所述外层取热套管的下方并位于中心套管下部的外侧，聚能套管的内侧壁与中心套管的外侧壁之间设置有环形空间，聚能套管的侧壁设置有空心夹层，聚能套管的空心夹层内填充有氢气；所述滑套连接座设置于聚能套管的下方，滑套连接座的上端面与中心套管的下端面之间安装有永磁环体；所述滑套壳体设置于滑套连接座的下方，滑套壳体的心部设置有滑套中心管，滑套中心管的上部贯穿滑套连接座与中心套管连通，滑套中心管的下部与外部地层连通，滑套中心管侧壁的中部设置有“八”字形的第一泄压孔，滑套中心管侧壁的下部设置有倒“八”字形的第二泄压孔，所述滑套中心管的内部位于第一泄压孔的上方设置有固定连接柱，泄压塞通过固定连接柱固定安装于滑套中心管的内侧壁上，所述滑套中心管的内部位于第一泄压孔与第二泄压孔之间设置有限位底座，高压换热介质将泄压塞从固定连接柱上压断后，泄压塞落入限位底座中。
进一步地，所述外层取热套管的广口段与窄口段一体成型。
进一步地，所述保温管的材质为PE管。
进一步地，所述外层取热套管的长度为2000-3000米，所述广口段从地表延伸至换热介质排出时需要的温度与地下地热温度相等位置处。
进一步地，所述聚能套管的内侧壁与中心套管的外侧壁之间的环形空间内还设置有支撑架。
进一步地，所述限位底座的心部设置有开口向上的喇叭状通孔。
进一步地，所述限位底座的材质为不锈钢。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，将外层取热套管设置为广口段与窄口段，增加了输入换热装置内的换热介质，同时高温换热介质由外层取热套向中心套管流动的过程中，由于管口截面面积减小，增大了高温换热介质的压力，使得高温换热介质能够快速通过中心套管流动至保温管中；而且，由于外层取热套管中低温换热介质的重量大于高温介质的重量，所以在低温换热介质自重的影响下，降低了高温换热介质抽取端泵的抽吸力，减少了能源的消耗。
2、本发明提供的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，高温换热介质经保温管运输至换热系统外部，侧壁设置有空心夹层的保温管能够有效降低高温换热介质与广口段内的低温换热介质产生热交换，避免了换热后的高温换热介质在井内运输过程中（向低温的地层段内散热），提高了换热效率。
3、滑套在高温介质恒定压力情况下起到封闭作用，在一定压力注入的情况下滑套打开，起到了防止下套管期间遇阻不能建立循环导致卡钻的可能；聚能套管的夹层内填充入氢气后，起到了积聚热量并有效存储的功能。
附图说明
图1为本发明主视剖视结构示意图，图中箭头表示换热介质的流动方向。
图中，11为广口段，12为窄口段，2为中心套管，21为筛孔，31为下安装法兰，32为上安装法兰，4为保温管，5为聚能套管，6为支撑架，7为永磁环体，8为滑套连接座，9为滑套壳体，10为固定连接柱，13为泄压塞，14为限位底座，15为滑套中心管，16为第一泄压孔，17为第二泄压孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，它包括取热装置和滑套，其中：所述滑套安装于取热装置的下方；
所述取热装置包括外层取热套管、中心套管2和保温管4，所述外层取热套管的中部和上部位置处设置为广口段11，外层取热套管的下部设置为窄口段12，所述中心套管2安装于窄口段12中，中心套管2的外侧壁与窄口段12的内侧壁之间设置有环形空间，中心套管2侧壁的侧壁上设置有筛孔21，中心套管2的上端部延伸至广口段11的底部，中心套管2的上端面安装有下安装法兰31，下安装法兰31的上方设置有与下安装法兰31相配合的上安装法兰32，上安装法兰32与保温管4的下端面固定连接，保温管4的上端面贯穿广口段11延伸至地表外部，所述保温管4的侧壁设置有空心夹层；所述广口段11的上端面设置为换热介质进液口，所述保温管4的上端面设置为换热介质的出液口；
所述滑套包括聚能套管5、滑套壳体9和用于连接聚能套管5与滑套壳体9的滑套连接座8，滑套在定压情况下起到封闭作用，实际应用中一般设置打开压力为12兆帕，在12兆帕以内的压力下滑套将始终封闭，而此种井一般运行压力为1.6兆帕；
所述聚能套管5设置于所述外层取热套管的下方并位于中心套管2下部的外侧，聚能套管5的内侧壁与中心套管2的外侧壁之间设置有环形空间，聚能套管5的侧壁设置有空心夹层，聚能套管5的空心夹层内填充有氢气，聚能套管5的夹层内注入氢气后，起到了积聚热量并有效存储的功能，因为氢气的比热容是14000J/(g*K)，而水的比热容是4200J/(g*K)，也就是氢气可以存储3倍于水的热容量，在干热岩取热井间歇运行期间（例如：每天运行14小时的井，在其他10小时停止运行），这时地层内强大的大地热流密度不断补充，使其地温快速恢复并将井内换热介质（水）加热，但是换热介质在加热到一定程度时热容量满足后就不再存储，而氢气可以存储3倍的热容量，在接下来运行期间氢气将释放热量，以此起到聚能放热的功能，所以称该套管为聚能套管5；所述滑套连接座8设置于聚能套管5的下方，滑套连接座8的上端面与中心套管2的下端面之间安装有永磁环体7，永磁环体7可以吸附套管安装完毕后掉落的铁屑等杂质，防止在封闭运行期间污染地面的机组设备，导致的换热运行效率降低；所述滑套壳体9设置于滑套连接座8的下方，滑套壳体9的心部设置有滑套中心管15，滑套中心管15的上部贯穿滑套连接座8与中心套管2连通，滑套中心管15的下部与外部地层连通，滑套中心管15侧壁的中部设置有“八”字形的第一泄压孔16，滑套中心管15侧壁的下部设置有倒“八”字形的第二泄压孔17，所述滑套中心管15的内部位于第一泄压孔16的上方设置有固定连接柱10，泄压塞13通过固定连接柱10固定安装于滑套中心管15的内侧壁上，所述滑套中心管15的内部位于第一泄压孔16与第二泄压孔17之间设置有限位底座14，高压换热介质将泄压塞13从固定连接柱10上压断后，泄压塞13落入限位底座14中。
进一步地，所述外层取热套管的广口段11与窄口段12一体成型。
进一步地，所述保温管4的材质为PE管。
进一步地，所述外层取热套管的长度为2000-3000米，所述广口段11从地表延伸至换热介质排出时需要的温度与地下地热温度相等位置处。
进一步地，所述聚能套管5的内侧壁与中心套管2的外侧壁之间的环形空间内还设置有支撑架6。
进一步地，所述限位底座14的心部设置有开口向上的喇叭状通孔。
进一步地，所述限位底座14的材质为不锈钢。
本发明的原理及使用方法如下：
本实施例中，客户要求换热介质出液口处换热介质的使用温度为25℃，根据实际地况地下25℃位置处距地表511.7米，所以广口段11的长度设置为511.7米。
从广口段11中向换热系统内注入换热介质，换热介质经广口段11流入窄口段12，换热介质流动过程中从地底取热，流动至窄口段12底部的换热介质提取地热能后成为高温换热介质；然后，换热介质从外层取热套管底部经中心套管2侧壁的筛孔21填充至中心套管2中，最终换热介质由保温管4的上端面换热介质的出液口处排出，为供热系统提供高温换热介质。
将外层取热套管的广口段增加了输入换热装置内的换热介质，同时高温换热介质由外层取热套向中心套管流动的过程中，由于管口截面面积减小，增大了高温换热介质的压力，使得高温换热介质能够快速通过中心套管流动至保温管中；高温换热介质经保温管运输至换热系统外部，侧壁设置有空心夹层的保温管能够有效降低高温换热介质与广口段内的低温换热介质产生热交换，避免了换热后的高温换热介质在井内运输过程中再次散热，提高了换热效率。
下井过程中，当换热介质的压力高于泄压塞13的打开压力时，高压换热介质将泄压塞13从固定连接柱10上压断，然后泄压塞13落入限位底座14中，换热介质依次经第一泄压孔16、第二泄压孔17后排出，实现井内泄压，起到了防止下套管期间遇阻不能建立循环导致卡钻的可能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，它包括取热装置和滑套，其特征在于：所述滑套安装于取热装置的下方；
所述取热装置包括外层取热套管、中心套管（2）和保温管（4），所述外层取热套管的中部和上部位置处设置为广口段（11），外层取热套管的下部设置为窄口段（12），所述中心套管（2）安装于窄口段（12）中，中心套管（2）的外侧壁与窄口段（12）的内侧壁之间设置有环形空间，中心套管（2）侧壁的侧壁上设置有筛孔（21），中心套管（2）的上端部延伸至广口段（11）的底部，中心套管（2）的上端面安装有下安装法兰（31），下安装法兰（31）的上方设置有与下安装法兰（31）相配合的上安装法兰（32），上安装法兰（32）与保温管（4）的下端面固定连接，保温管（4）的上端面贯穿广口段（11）延伸至地表外部，所述保温管（4）的侧壁设置有空心夹层；所述广口段（11）的上端面设置为换热介质进液口，所述保温管（4）的上端面设置为换热介质的出液口；
所述滑套包括聚能套管（5）、滑套壳体（9）和用于连接聚能套管（5）与滑套壳体（9）的滑套连接座（8），所述聚能套管（5）设置于所述外层取热套管的下方并位于中心套管（2）下部的外侧，聚能套管（5）的内侧壁与中心套管（2）的外侧壁之间设置有环形空间，聚能套管（5）的侧壁设置有空心夹层，聚能套管（5）的空心夹层内填充有氢气；所述滑套连接座（8）设置于聚能套管（5）的下方，滑套连接座（8）的上端面与中心套管（2）的下端面之间安装有永磁环体（7）；所述滑套壳体（9）设置于滑套连接座（8）的下方，滑套壳体（9）的心部设置有滑套中心管（15），滑套中心管（15）的上部贯穿滑套连接座（8）与中心套管（2）连通，滑套中心管（15）的下部与外部地层连通，滑套中心管（15）侧壁的中部设置有“八”字形的第一泄压孔（16），滑套中心管（15）侧壁的下部设置有倒“八”字形的第二泄压孔（17），所述滑套中心管（15）的内部位于第一泄压孔（16）的上方设置有固定连接柱（10），泄压塞（13）通过固定连接柱（10）固定安装于滑套中心管（15）的内侧壁上，所述滑套中心管（15）的内部位于第一泄压孔（16）与第二泄压孔（17）之间设置有限位底座（14），高压换热介质将泄压塞（13）从固定连接柱（10）上压断后，泄压塞（13）落入限位底座（14）中。
2.根据权利要求1所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述外层取热套管的广口段（11）与窄口段（12）一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述保温管（4）的材质为PE管。
4.根据权利要求1所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述外层取热套管的长度为2000-3000米，所述广口段（11）从地表延伸至换热介质排出时需要的温度与地下地热温度相等位置处。
5.根据权利要求1所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述聚能套管（5）的内侧壁与中心套管（2）的外侧壁之间的环形空间内还设置有支撑架（6）。
6.根据权利要求1所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述限位底座（14）的心部设置有开口向上的喇叭状通孔。
7.根据权利要求6所述的一种深层干热岩、中深层地热源聚能换热装置，其特征在于：所述限位底座（14）的材质为不锈钢。
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