CN109915334B - 地热井下循环高效热动电三联供装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明地热井下循环高效热动电三联供装置属于清洁能源开发与利用，是由注水井、采出井和发电机组构成，其注水井和采出井的底部的地热岩层上设有换热井组，注水井顶部安装着注水井井盖；采出井上部至顶端依次安装着涡轮机叶片、发电机组、转动轮片、采出井井盖和动力输出轮。本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，可提高热能的动力性能量的转化效率，利用一小部分热能就可以产生较大的运动及运力的特征，把以往水平流程发电系统改为垂直“U”型管发电系统，以低温回注井、热层、采出井形成垂直的大“U”型管水动力系统，使得动力气体的剩余量完全利用，而不必消耗电能来产生动力，即达到地热能的三联供——电能、动能及热能。

Description

地热井下循环高效热动电三联供装置及工艺方法

技术领域

本发明属于清洁能源开发与利用，尤其涉及地热井下循环高效热动电三联供装置及工艺方法。

背景技术

火力发电是电力发展进程中很重要的环节。全世界范围内火力发电还占最大的比例，我国火电比例高于发达国家对应比例。因火电燃料主要是以燃煤为主，向大气排放大量二氧化碳、一氧化碳，氮氧化物等污染物。因此世界各国都大力发展可再生能源，以减少火电数量。北欧国家及发达国家已发布国家战略计划，在20年之内全面取消燃煤发电厂。我国有关部门也正在研究规划尽快减少燃煤电厂数量。加快可再生新能源装机容量，减少碳排放，净化大气环境。

太阳能、风能、海洋能、河流能、地热等多种可再生新能源发达国家和部分发展中国家列为重点新能源发展计划，并取得一定成果。这此新能源中，地热能因其能量密度高、储量大、分布广及使用方便等优点，已被研究人员、能源企业及政府所重视，投入大量人力财物，已取得较好技术及经济效益。目前，大多地热能发电工艺流程是把地下储热层的热水抽到地面，再利用热水发电及对外供热，此方法的热能利用率较低，尤其是热能转化为动力能的效率更低。个别极优质的地热能区块，地下压力高且温度也很高（远高于100℃）可产生高压蒸汽喷射，地面装置能对外输出大功率的电能及热能。但由于还是采用高温高压蒸汽冲击涡轮机发电，然后蒸汽冷凝成水液化的传统工艺，其电能转化率及热能利用率都有待进一步提高。

发明内容

本发明旨在针对背景技术中存在的不足，而提供的地热井下循环高效热动电三联供装置。

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，是由注水井、采出井和发电机组构成，在注水井和采出井的底部的地热岩层上设有换热井组，注水井顶部安装着注水井井盖；采出井上部至顶端依次安装着涡轮机叶片、发电机组、转动轮片、采出井井盖和动力输出轮；注水井井盖上设有溶解气注入管和回注低温水管。

作为本发明的进一步改进，所述的换热井组是由两侧的分支水平井和中间的地层压裂缝构成。

作为本发明的进一步改进，在采出井井盖上设有管道与气液两相分离器连接，气液两相分离器通过单向热水管与换热器连接，换热器上设有高温输水管、低温外来水管和低温回流水管，低温回流水管与回注低温水管连通，气液两相分离器上部设有游离气出口管。

作为本发明的进一步改进，在采出井的内侧壁设有保温层。

作为本发明的进一步改进，所述的涡轮机叶片与发电机组传动连接、转动轮片的轴杆穿过采出井井盖与动力输出轮固定连接。

本发明的一种地热井下循环高效热动电三联供工艺，通过以下步骤实现的：

a、向注水井内注入低温水和溶解气溶解；

b、注水井内地热岩层中含溶解气的低温水通过换热井组进入到采出井；

c、含溶解气的低温水进入采出井中游离气析出上升；

d、上升的游离气驱动发电装置和动力输出驱动装置。

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，可提高热能的动力性能量的转化效率，利用一小部分热能就可以产生较大的运动及运力的特征，即：“微热巨动效应”，尤其对于低温低品质的地热能的高效开发利用更有重要意义，把以往水平流程发电系统改为垂直“U”型管发电系统，以低温回注井——地热层——采出井形成垂直的大“U”型管水动力系统，使得动力气体的剩余量完全利用、地热水的循环再利用及地面所有运动装备其动力直接取自热气喷射动能，而不必消耗电能来产生动力，即达到地热能的三联供——电能、动能及热能。

附图说明

图1为本发明的纵向结构剖视图；

图2为地热注采井组U型模型的“电—动—热”三联供高效工艺流程图；

图3为U型管饱和溶解液热气举驱动示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2和附图3对本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，作进一步说明。

实施例1

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，是由注水井1、采出井2和发电机组7构成，在注水井1和采出井2的底部的地热岩层3上设有换热井组4，注水井1顶部安装着注水井井盖5；采出井2上部至顶端依次安装着涡轮机叶片6、发电机组7、转动轮片8、采出井井盖9和动力输出轮10；注水井井盖5上设有溶解气注入管11和回注低温水管12。

实施例2

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，是由注水井1、采出井2和发电机组7构成，注水井1和采出井2均打至地热岩层3内、并在地热岩层3内设有换热井组4，所述的换热井组4是由两侧的分支水平井13和中间的地层压裂缝14构成。为了扩大地热岩层的吸热面积及降低水循环的流动阻力，可设计出岩层树状水平井及大型水平井定向压裂技术，得到“地层高效换热器”，使得循环系统的低温水回注井—树状联通地热层—高温高压采出井，构成注采平衡的统一水动力系统的U型管“热—动—电”转化系统。

将注水井1、采出井2置于地热岩层3的两侧，使之形成U型管流体密度差重力驱动循环效应，如图3所示，U型管中的流体是一个统一的水动力系统，低温单相流体密度大，重力大，而高温两相流体密度低，重量轻。在两侧管高度相等时，仅从物质重力能量分析，高密度单相流体的重力将对低密度的两相流体有推动举升作用。由此看出，为了充分利用低温单相与高温两相流密度产生的循环驱动力，即“升温——相变——密度差驱动效应”，把流体加热循环系统设计为垂直U型管系统。U型管流体密度差驱动法，轮机转速优化法等技术措施都是为了提高系统的动力特性，使得“微温巨动效应”达到最大化，提高热能的动力转化率。

在注水井1顶部安装着注水井井盖5，注水井井盖5上设有溶解气注入管11和回注低温水管12。

在采出井2的内侧壁设有保温层23，采出井2上部至顶端依次安装着涡轮机叶片6、发电机组7、转动轮片8、采出井井盖9和动力输出轮10；涡轮机叶片6与发电机组7传动连接、转动轮片8的轴杆24穿过采出井井盖9与动力输出轮10固定连接。在垂直气液两相流的管道中，不同高度处的流体压力及体积流量（流速）是逐渐变化的。因此，涡轮机涡扇的转速也应设计为分段分级差速旋转组合，使得每个分段的涡轮转速与流体流速之比处于流体与机械能高功率优化转化区间之内，实现差速分级涡轮机旋转动力高效转换系统。

从物质材料节约及剩余能量节约利用上考虑，载热动力流体（包括液体和气体）都必须循环再利用。为了提高流体在换热器中的换热效率及气体余能利用，可在发电及动力输出工艺之后设置气液两相分流器，分离出的热液进入换热器对外传热。分离出的带压带温气体在低温水管某处等压点位置再次进入水管，以溶解气状态溶入低温水中变成单相流体。即在在采出井井盖9上设有管道15与地面上的气液两相分离器16连接，气液两相分离器16通过单向热水管17与换热器18壳程的入口连接、壳程出口通过低温回流水管21与回注低温水管12连通，换热器18管程的入口和出口分别连接至低温外来水管20和高温输水管19，在气液两相分离器16上部设有游离气出口管22。

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，利用气体溶解度与温度的负向敏感特性，产生“微温巨动效应”，使得低温流体可溶解数百倍体积的气体，流体升温后溶解气脱出恢复为游离自由气、产生膨胀力及上升浮力，把热能迅速转化为巨大冲击动力，实现对外机械动力功；此溶解气从升温的液体中析出游离与体积膨胀的巨变可称为“微温巨动”效应。

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，利用游离气泡浮力举升动力效应，将已含溶解气的液体被加热升温时溶解气析出形成游离气泡，此时气泡在浮力举升作用下向上移动，产生“气举动力”效应；充分利用“升温—气举动力效应”，可以把以往水平单相流体循环系统改为垂直的气—液两相流系统。

本发明的地热井下循环高效热动电三联供装置，经涡轮发电系统后，剩余的气液流动动能可为工厂机械直接提供动力。此动力系统直接使用不仅提高了发电系统的热能利用率，而且减少电能消耗，提高能量利用率，避免出现无效能量循环：动力能—电能—动力能；高温高压高速流体经过①发电②外输动能③换热器，不仅把剩余能量提取外送（采暖供热、大棚种植养殖、工厂食品烘干等）而且动力流体被冷却降温后可增加流体的气体溶解度，提高系统的“微温巨动效应”，三联供组合模式—“发电—动力—供热”的热能效率利用将高于传统热电两联供组合模式。

实施例3

本发明的地热井下循环高效热动电三联供工艺，通过以下步骤：

a、向注水井内注入低温水和溶解气溶解形成饱和溶气水；

b、饱和溶气水通过地热层的换热井组换热进入到采出井；

c、高温过饱和水流入采出井的相对低压区井底，形成小气泡的两相流，游离气上升，增量，由泡状流发展为弹状流及段塞流。起到高效高速气举作用实现“热能巨动效应”；

d、高速气液两相流冲击涡轮机发电，气液两相流余能推动机械装置外输动力，两相流进入地面气液分离器；因垂直井筒内气液两相流速随深度变化较大。因此涡轮机叶片转速也应设计为分段、分级差速旋转组合，使得每个分段内的涡轮转速与对应位置流体之比处于高功率转化优化区间；

e、分离出的带压带温的游离气再次进入回注井与低温水溶解再循环利用；带余热单相液进入地面换热器给外来水加热输出热量；在地面增加气液分离器，把混相液体先分离出单相流体，分别充分利用各自的剩余能量热能、动能、压力能，然后再回注，混合与溶解，可循环高效再利用；

f、被冷却的地层水再次进入回注井，并与游离气溶解成饱和液，注入地热岩层再循环利用。

上述的溶解气可以是多种气体，只要满足下述条件即可:

1、在低温液体中有高的溶解度；

2、在高温液体中其溶解度大幅下降；

3、有较小的腐蚀性。

比如，氨气在常温水中溶解度很高能达到约350m³/m³。

为了增加地热层的渗透率，可采用：①水平定向钻井；②水平定向压裂；③水平人工定向射孔等；在地下热岩层采用树状分支水平井组加水力压裂造缝组合技术，提高地热岩的换热面积，减小流体渗流阻力损耗。

地热井下循环高效热动电三联供装置，在地热井筒内，利用“低温水回注——地热岩加热——采出井高温高速冲击发电”的U型管循环系统；利用气体的溶解度与温度的负向敏感特性，产生“微温巨动效应”，为热能高效转化为机械动能发明了一种高效方法；游离气的上浮举升作用，加速冲击作用在超深(几千米)地热井筒内能，展现出巨大的热—动力效果；注—采井构成的U型管具有统一的水动力学系统，由于注入井内单相流的密度远大于采出井内的汽液两相流的密度，所产生的两井之间水力压力差可成为流体循环的驱动力，提高流体对涡轮发电机系统的做功能力。该装置不仅热能可高效转化利用，而且环保无污染排放。

Claims (4)

1.地热井下循环高效热动电三联供装置，是由注水井（1）、采出井（2）和发电机组（7）构成，其特征在于注水井（1）和采出井（2）的底部的地热岩层（3）上设有换热井组（4），注水井（1）顶部安装着注水井井盖（5）；采出井（2）上部至顶端依次安装着涡轮机叶片（6）、发电机组（7）、转动轮片（8）、采出井井盖（9）和动力输出轮（10）；注水井井盖（5）上设有溶解气注入管（11）和回注低温水管（12）；在于采出井井盖（9）上设有管道（15）与气液两相分离器（16）连接，气液两相分离器（16）通过单向热水管（17）与换热器（18）连接，换热器（18）上设有高温输水管（19）、低温外来水管（20）和低温回流水管（21），低温回流水管（21）与回注低温水管（12）连通，气液两相分离器（16）上部设有游离气出口管（22）；

是通过以下步骤：

a、向注水井内注入低温水和溶解气溶解形成饱和溶气水；

b、饱和溶气水通过地热层的换热井组换热进入到采出井；

c、高温过饱和水流入采出井的相对低压区井底，形成小气泡的两相流，游离气上升，增量，由泡状流发展为弹状流及段塞流；

d、高速气液两相流冲击涡轮机发电，气液两相流余能推动机械装置外输动力，两相流进入地面气液分离器；

e、分离出的带压带温的游离气再次进入回注井与低温水溶解再循环利用；带余热单相液进入地面换热器给外来水加热输出热量；在地面增加气液分离器，把混相液体先分离出单相流体，分别充分利用各自的剩余能量热能、动能、压力能，然后再回注，混合与溶解，可循环高效再利用；

f、被冷却的地层水再次进入回注井，并与游离气溶解成饱和液，注入地热岩层再循环利用。

2.如权利要求1所述的地热井下循环高效热动电三联供装置，其特征在于换热井组（4）是由两侧的分支水平井（13）和中间的地层压裂缝（14）构成。

3.如权利要求1或2所述的地热井下循环高效热动电三联供装置，其特征在于采出井（2）的内侧壁设有保温层（23）。

4.如权利要求1或2所述的地热井下循环高效热动电三联供装置，其特征在于涡轮机叶片（6）与发电机组（7）传动连接、转动轮片（8）的轴杆（24）穿过采出井井盖（9）与动力输出轮（10）固定连接。