CN110761961B - 干热岩地热能开采利用系统及开采利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了干热岩地热能开采利用系统及开采利用方法。通过多个发电机系统串联进行发电，且每一组发电机系统后面均设有热交换器，通过将热交换器中的能量分别对所需要消耗不同温度的热能消耗单元进行利用，实现发电和热能直接区分利用的方式，使得本发明更加有经济价值；同时可以在各个发电机系统中并联多个发电机系统，以提高能量转换数量。本发明的有益效果是：能够提高热能的使用效率，转化更加高，成本低，更加容易实施，使用寿命长的优点。

Description

干热岩地热能开采利用系统及开采利用方法

技术领域

本发明涉及干热岩地热能开采利用系统及开采利用方法技术领域。

背景技术

本发明人长期从事与城市规划、城市设计、产业布局、产品设计、技术研发、地质构造综合类项目开发相关的科研和专业服务工作。在实践中发现能源供给是社会发展非常重要的环节，也是造成环境污染的主要源头之一。依据其多年的实践经验和探索研究，提出了本发明专利申请。即，采用分布式产业组团打造并提升干热岩地热资源的高效利用系统，实现对地球能源的合理使用，为子孙后代造福。

系统是在干热岩热能开发应用领域里从两大关键环节解决问题。即：第一个环节是将干热岩地热能从开采到利用系统的布局方式，以多通路水载体循环系统和模块式多循环多梯级应用平衡体系的功能构建；第二个环节是在实际项目应用中，对关键环节和技术指标的把控要素。

1、地球上干热岩作为一种可再生的热能，其储量和可开发利用的潜力空间巨大，据官方媒体公布的数据，中国地区仅开发利用2％的干热岩热能储量，按照当前年消耗能源总量，可持续提供4880年的能源总供给。本应用系统是针对距离地表平均深度为3000-7000米之间，温度可达到摄氏200度以上的干热岩地热能开采和利用。中国目前处在规模性开发利用的探索阶段，美国、欧洲、亚洲、非洲其他国家有近20年成功应用的案例，但是项目存在着开发应用的产业单一，规模和热能利用效率都十分有限。

2、干热岩地热资源开发与应用是在增强型地热系统，将储存于干热岩中的热能开采出来。利用这种地热能进行的发电过程不产生废水、不消耗燃料、不产生碳排放、无污染物产生等优点。干热岩地热资源在地球上可谓无处不在，但是以往的开发利用进程缓慢，其中一个主要原因是传统应用系统对地热能利用效率低，产业单一，达不到良好的投资回报性价比。由于开发利用干热岩地热能项目的投资金额较大，当前干热岩地热资源应用主要用于发电，也有专家学者提出作为能源供给集中应用，但在技术应用和实施方面仍有漫长的过程。为了让更多的区域都满足可开发利用条件，让干热岩地热能开发项目达到更好的投资回报性价比，是本发明的关键，也是解决干热岩作为地热能源开发利用最基础的技术性和操作实施性问题。本发明针对干热岩地热能资源开发利用现状和行业痛点，对全球技术、设备、资源条件等都进行的深入的研究和分析后。提出了一套从多个层面解决问题办法。形成了从探热、采热、用热一体化的开发应用技术系统和项目实施步骤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供干热岩地热能开采利用系统及开采利用方法，其能够提高热能的使用效率，转化更加高，成本低，更加容易实施，使用寿命长的优点。

本发明所采用的技术方案是：

干热岩地热能开采利用系统，其包括依次连通的抽液通道、第一发电机系统、第一热交换器、第二发电机系统、第二热交换器、第三发电机系统、第三热交换器及回灌通道；第一热交换器连接有第一能源利用系统，第二热交换器连接有第二能源利用系统，第三热交换器连接有第三能源利用系统；抽液通道上安装有抽液装置，回灌通道安装有注液装置。

进一步，抽液通道与第一热交换器之间并联有至少两个第一发电机系统；第一热交换器与第二热交换器之间并联有至少两个第二发电机系统；第二热交换器与第三热交换器之间并联有至少两个第三发电机系统。因为抽液通道的流量足够大，因此在各个发电机系统上可以并联多个与自身发电机种类一样的发电机系统，有利于提高能量的转换数量。

第一发电机系统为干蒸汽涡轮发电机系统；干蒸汽涡轮发电机系统与第一热交换器之间连通有第一流量调节阀；第一流量调节阀与第一热交换器之间连接有第一转换器；第一热交换器与第二发电机系统之间连通有第一止回阀；第一止回阀与第一热交换器之间连通有第一流量及温度监测系统。

第一热交换器包括第一箱体和第一换热管道；第一箱体内部设有第一空腔，第一换热管道安装在第一空腔内部且第一换热管道的两端均延伸至第一箱体外部，第一换热管道的一端为第一冷凝水进口且连通有第五流量及温度监测系统，第一换热管道的另一端为第一冷凝水出口，第一冷凝水出口依次连通有第一汽水分离装置和干蒸汽分配器。

第二发电机系统为扩容蒸汽发电机系统；扩容蒸汽发电机系统与第二热交换器之间连通有第二流量调节阀；第二流量调节阀与第二热交换器之间连接有第二转换器；第二热交换器与第三发电机系统之间连通有第二止回阀；第二止回阀与第二热交换器之间连通有第二流量及温度监测系统。

第二热交换器包括第二箱体和第二换热管道；第二箱体内部设有第二空腔，第二换热管道安装在第二空腔内部且第二换热管道的两端均延伸至第二箱体外部，第二换热管道的一端为第二冷凝水进口且连通有第四流量及温度监测系统，第二换热管道的另一端为第二冷凝水出口，第二冷凝水出口依次连通有第二汽水分离装置和湿蒸汽分配器；扩容蒸汽发电机系统为内含有闪蒸汽、双闪蒸汽及多闪蒸汽发电模块的扩容蒸汽发电机系统。

第三发电机系统为双循环式蒸汽发电机系统；双循环式蒸汽发电机系统与第三热交换器之间连通有第三流量调节阀；第三流量调节阀与第三热交换器之间连接有第三转换器；第三热交换器与回灌通道之间连通有第三止回阀。

第三热交换器包括第三箱体和第三换热管道；第三箱体内部设有第三空腔，第三换热管道安装在第三空腔内部且第三换热管道的两端均延伸至第三箱体外部，第三换热管道的一端为第三冷凝水进口且连通有第三流量及温度监测系统，第三换热管道的另一端为第三冷凝水出口，第三冷凝水出口依次连通有热水分配器。

所述干热岩地热能开采利用系统还包括有控制系统，控制系统均电性连接于抽液装置、第一发电机系统、第二发电机系统、第三发电机系统、注液装置、第一流量调节阀、第二流量及温度监测系统、第三流量及温度监测系统及第四流量及温度监测系统。

开采利用方法，其包括以下步骤：控制器控制抽液装置工作，抽液装置通过抽液通道将地下的热源介质抽出，热源介质依次流经第一发电机系统、第一流量调节阀、第一转换器、第一热交换器、第一流量及温度监测系统、第二发电机系统、第二流量调节阀、第二转换器、第二热交换器、第二流量及温度监测系统、第二止回阀、第三发电机系统、第三流量调节阀、第三转换器、第三热交换器、第三止回阀、注液装置、回灌通道回流至地下热源位置；第一冷凝水依次流经第五流量及温度监测系统、第一热交换器内部的第一换热管道、第一汽水分离装置、干蒸汽分配器及高温热能量消耗单元；高温热能量消耗单元内部的温度范围在150摄氏度至240摄氏度之间；第二冷凝水依次流经第四流量及温度监测系统、第二热交换器内部的第二换热管道、第二汽水分离装置、湿蒸汽分配器及中温热能量消耗单元；中温热能量消耗单元内部的温度范围在90摄氏度至150摄氏度之间；第三冷凝水依次流经第三流量及温度监测系统、第三热交换器内部的第三换热管道、热水分配器及低温热能量消耗单元；低温热能量消耗单元内部的温度范围在25摄氏度至90摄氏度之间。

在干蒸汽分配器上设置第一供热仪表，在湿蒸汽分配器上设置第二供热仪表，在热水分配器上设置第三供热仪表，控制系统通过第一供热仪表、第二供热仪表及第三供热仪表来分别监测高温热能量消耗单元、中温热能量消耗单元及低温热能量消耗单元的能量消耗数值，控制系统通过控制第一流量调节阀、第二流量调节阀及第三流量调节阀以调整热源介质的流量。

本发明的有益效果是：能够提高热能的使用效率，转化更加高，成本低，更加容易实施，使用寿命长的优点。

附图说明

图1是应用本发明技术在整个工作过程的工作流程图；

图2是勘查及布局规划设计工艺流程图；

图3是本发明中的结构原理示意图；

图4是本发明中干热岩地热能开发采用的水载体循环系统原理示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明干热岩地热能开采利用系统，其包括依次连通的抽液通道、第一发电机系统1、第一热交换器4、第二发电机系统7、第二热交换器10、第三发电机系统13、第三热交换器16及回灌通道；第一热交换器4连接有第一能源利用系统，第二热交换器10连接有第二能源利用系统，第三热交换器16连接有第三能源利用系统；抽液通道上安装有抽液装置，回灌通道安装有注液装置。

进一步，抽液通道与第一热交换器4之间并联有至少两个第一发电机系统1；第一热交换器4与第二热交换器10之间并联有至少两个第二发电机系统7；第二热交换器10与第三热交换器16之间并联有至少两个第三发电机系统16。因为抽液通道的流量足够大，因此在各个发电机系统上可以并联多个与自身发电机种类一样的发电机系统，有利于提高能量的转换数量。

第一发电机系统1为干蒸汽涡轮发电机系统；干蒸汽涡轮发电机系统与第一热交换器4之间连通有第一流量调节阀2；第一流量调节阀2与第一热交换器4之间连接有第一转换器3；第一热交换器4与第二发电机系统7之间连通有第一止回阀6；第一止回阀6与第一热交换器4之间连通有第一流量及温度监测系统5。

第一热交换器4包括第一箱体和第一换热管道；第一箱体内部设有第一空腔，第一换热管道安装在第一空腔内部且第一换热管道的两端均延伸至第一箱体外部，第一换热管道的一端为第一冷凝水进口19且连通有第五流量及温度监测系统18，第一换热管道的另一端为第一冷凝水出口，第一冷凝水出口依次连通有第一汽水分离装置20和干蒸汽分配器21。

第二发电机系统7为扩容蒸汽发电机系统；扩容蒸汽发电机系统与第二热交换器10之间连通有第二流量调节阀8；第二流量调节阀8与第二热交换器10之间连接有第二转换器9；第二热交换器10与第三发电机系统13之间连通有第二止回阀12；第二止回阀12与第二热交换器10之间连通有第二流量及温度监测系统11。

第二热交换器10包括第二箱体和第二换热管道；第二箱体内部设有第二空腔，第二换热管道安装在第二空腔内部且第二换热管道的两端均延伸至第二箱体外部，第二换热管道的一端为第二冷凝水进口23且连通有第四流量及温度监测系统22，第二换热管道的另一端为第二冷凝水出口，第二冷凝水出口依次连通有第二汽水分离装置24和湿蒸汽分配器25；扩容蒸汽发电机系统为内含有闪蒸汽、双闪蒸汽及多闪蒸汽发电模块的扩容蒸汽发电机系统。

第三发电机系统13为双循环式蒸汽发电机系统；双循环式蒸汽发电机系统与第三热交换器16之间连通有第三流量调节阀；第三流量调节阀与第三热交换器16之间连接有第三转换器；第三热交换器16与回灌通道之间连通有第三止回阀17。

第三热交换器16包括第三箱体和第三换热管道；第三箱体内部设有第三空腔，第三换热管道安装在第三空腔内部且第三换热管道的两端均延伸至第三箱体外部，第三换热管道的一端为第三冷凝水进口27且连通有第三流量及温度监测系统26，第三换热管道的另一端为第三冷凝水出口，第三冷凝水出口依次连通有热水分配器28。

所述干热岩地热能开采利用系统还包括有控制系统，控制系统均电性连接于抽液装置、第一发电机系统1、第二发电机系统7、第三发电机系统13、注液装置、第一流量调节阀2、第二流量及温度监测系统11、第三流量及温度监测系统26及第四流量及温度监测系统；抽液通道与第一热交换器4之间并联有至少两个第一发电机系统1；第一热交换器4与第二热交换器10之间并联有至少两个第二发电机系统7；第二热交换器10与第三热交换器16之间并联有至少两个第三发电机系统13。

开采利用方法，其包括以下步骤：控制器控制抽液装置工作，抽液装置通过抽液通道将地下的热源介质抽出，热源介质依次流经第一发电机系统1、第一流量调节阀2、第一转换器3、第一热交换器4、第一流量及温度监测系统5、第二发电机系统7、第二流量调节阀8、第二转换器9、第二热交换器10、第二流量及温度监测系统11、第二止回阀12、第三发电机系统13、第三流量调节阀、第三转换器、第三热交换器16、第三止回阀17、注液装置、回灌通道回流至地下热源位置；第一冷凝水依次流经第五流量及温度监测系统、第一热交换器内部的第一换热管道、第一汽水分离装置20、干蒸汽分配器21及高温热能量消耗单元32；高温热能量消耗单元32内部的温度范围在150摄氏度至240摄氏度之间；第二冷凝水依次流经第四流量及温度监测系统、第二热交换器10内部的第二换热管道、第二汽水分离装置24、湿蒸汽分配器25及中温热能量消耗单元33；中温热能量消耗单元33内部的温度范围在90摄氏度至150摄氏度之间；第三冷凝水依次流经第三流量及温度监测系统26、第三热交换器16内部的第三换热管道、热水分配器28及低温热能量消耗单元34；低温热能量消耗单元(34)内部的温度范围在25摄氏度至90摄氏度之间。

在干蒸汽分配器21上设置第一供热仪表29，在湿蒸汽分配器25上设置第二供热仪表30，在热水分配器28上设置第三供热仪表31，控制系统通过第一供热仪表29、第二供热仪表30及第三供热仪表31来分别监测高温热能量消耗单元32、中温热能量消耗单元33及低温热能量消耗单元34的能量消耗数值，控制系统通过控制第一流量调节阀2、第二流量调节阀8及第三流量调节阀以调整热源介质的流量。

本发明的有益效果是：能够提高热能的使用效率，转化更加高，成本低，更加容易实施，使用寿命长的优点。

以下内容为用于辅助理解整个过程的描述。

本发明提出“采用分布式产业组团布局方法打造并提升干热岩地热资源的高效利用系统”，其主要功能包含了：目标靶区选址、注水井和生产井靶点的确定、用热产业匹配性布局、供热装置、热载体转换接口、安全稳定可靠性供热运行的技术保障设施、自动调整用热需求量波动的平衡调节设施等。在确保用热产业具有良好投资回报性价比的条件下，能得到广泛的应用推广为目的，经估算在经济效益指标方面，本发明系统与当前使用的其他干热岩地热能应用系统相比较，本系统可实现在利用地热能发电的收益达3倍以上；在非发电用热产业可实现5倍以上的收益。而现有利用干热岩地热能的开发系统，几乎都是将干热岩地热能采热发电后，将余热余汽导入冷却塔冷却后再回灌到地下的水循环系统。两者相比较，无论从经济效益指标和地热能利用率方面都有非常明显的差别。

本发明与其他干热岩地热能发电及地热能应用系统相比较其特点是：第一，从不同层次解决问题，包括跨专业、跨行业的技术、规范等综合性问题；第二，重点提升采热和用热的系统功能。即，以产业组团的方式布局用热产业集群，大幅提升干热岩地热能应用的效率。第三，将地热能水载体的循环方式和系统设施设备的功能模块化，并在重要的节点和接口部位，配置排污、汽水分离、通过智能化系统调节生产井的开口比例，使得产热量与用热量相匹配，从而取消了使用冷却设备冷却后再回灌的功能，大幅降低运行能耗，提升地热资源的利用率。

本发明的目的是为了让干热岩地热能开发应用得到更广泛推广，是从对干热岩的资源优选勘探→经济指标分析→开发技术设计→用热产业布局规划→供热转换接口设计→水载热体回注循环再利用，设计了一套系统性的开发和技术应用体系，有关工作开展具体流程图见图1。

图1所示的工作流程图，是本发明系统应用实施的总体步骤。其工作流程是：从“目标开发靶区”开始，对靶区及其周边地区的“地理位置、区域规划、人文历史、地方产业状况等、地质资料等信息收集”后，经分析整理形成《初期报告汇总》。经专家评审确认具有开发价值后，进行“物理勘察”工作物理勘察的具体内容和要求见后续章节；依据“物理勘察”得到的实际数据后再整理形成《干热岩热儲量分析报告》；工程设计部门或其他专业单位将根据上述内容进行“干热岩地热能发电厂征地及开采方案设计”工作，接下来进行“产业规划设计”“投资评估”“项目报告及可行性研究分析报告”“初期规划设计”“环评”即环境评估工作，提交给当地政府进行“政府立项”。“政府立项”获得批复后，推进“产业投资及运营商入驻”“征地及详规设计”申请“施工许可”。在得到《施工许可证》后推进项目实施“施工、采购、安装EPC”总包或分包工作。对总包或分包工作完成后，要进行工程“验收”，并“筛选运营商入驻”进入“生产运营”阶段。

在实施图1的工作程序中，形成的《初期报告汇总》必须体现并满足四个方面技术参数和经济指标才能开展后续工作，即：1靶区周边20公里范围内有明显地热的异常现象；2靶区内的地下干热岩层属于致密型热岩体构造；3地热能储量可供建设5MW发电装机容量以上的发电设备使用20年以上，干热岩体温度不低于摄氏200度，其开采深度不超过5000米；4周边具备现有余热利用的产业，或者未来具备打造利用余热余汽产业的条件。上述任何四个指标必须同时满足，如有任何一项指标不能达标者，均做为放弃项目处理。

在图1中“物理勘察”工作部分，将该工作分两个阶段完成：第一阶段在靶区内采用电阻法、电磁法、重力法等物理探测手段，深度不低于10千米深，并根据取得的参数进行分析推演出地下干热岩热儲构造的3D模型。第二阶段，选择1或2个靶点钻探试验钻井，试验井的钻探深度以达到摄氏200度以上为目标。钻探过程保留好样品，以备其他工序分析使用。通过第二阶段钻探试验井所得出的数据，反推验证第一阶段推演的3D模型与实际数据对比后的吻合程度，如有出入对初始建立的3D模型进行的调整，得到有依据的3D模型。有关物理勘察的细化流程在图2中有所表示，该图将地勘、布局规划、设计工作的进一步细化形成了工艺流程图。

图2是“勘察和布局设计工艺流程图”，进一步细化本发明系统应用到具体干热岩地热能项目应用的实施步骤。其工作内容从“勘察目标、项目靶区选址”工作开始，初期工作是从实地调研和地理位置分析、地热异常现象等内容进行分析后展开。接下来的重要工作就是“申请物探许可证”，该项工作是从多角度展开，并进行项目基本条件的分析。包括，政策条件、地理条件、环境评估、技术可行性分析等。该结论是项目在后续工作能否有效实施的关键，把控好此环节即可节省后续工作的成本，也为后续工作展开提供了必要的保障。在得到物探许可证后，接下来进入具体的技术工作程序。包括：文献调研、航磁勘测、地质勘查、水文调查、地球化学研究、地球物理研究；在物探工作中“选定区域下部应有高温岩体，估算热儲容量，流体、岩体温度和该底层渗透率热流值；预测产出流体是干蒸汽、液体或二者混合物；确定地热流体化学性质，预测发电潜力，至少能够维持20年以上”是主要的工作内容；并依据上述内容完成《勘察综合评价》报告。依据《勘察综合评价》报告中得到的初探数据，进入选择钻探实验井验证井的工作。在实施操作过程中，需要建立“随井监测数据，确认勘探综合评价结果”。在地表以上部分需要“对道路、土地性质、周边城市功能；主要地质构造，如火山口边界、主断层、近期岩浆流、基岩露头以及可能存在的地下渗透性岩石单元轮廓；所有地热显示通过类型、温度和化学性质进行鉴定”，并且对：“氡含量等值线；地震活动；重力等值线；电阻力等值线采集，建立3D工程模型”。依据3D工程模型，实施“地热开采钻井，钻探生产井和注水井回灌井。在钻井取热工程采用“储层刺激”——人工压裂技术，即通过水平压裂钻孔方式向深部干热岩石进行压裂，形成裂缝破碎带，然后由注入井注入高压流体，横穿蓄水池，高压流体流过干热岩中的人工裂隙而过热水、汽温度可达150～250℃，并从生产井泵上来。发电后的冷却流体再次通过高压泵注入地下热交换系统进行循环利用。干热岩发电的整个过程都是在一个封闭的系统内进行。在完成地下钻井工程后，需要实施“地下人工热儲构建设计，生产井，注水井回灌井通道的维护与监测系统设计和构建”工作。在地下工作完成后开始对“电厂设施建设，传输设施建设施工”“发电并网验收”。

如照图3所示，本发明采用的EGSEnhanced Geothermal Systems增强型地热系统与ORCOrganic Rankine Cycle有机朗肯循环发电系统；涡轮高效发电机组结合单闪蒸FORC和双闪蒸DFORC在高温区150-220℃运行以及特殊工质温差式发电系统中温区90-150℃进行三级发电应用。发电后的余热余汽采用“多组团多梯级方式”，在产业用热端接口，针对数千个不同用热行业的温度需求值进行分析总结后，划分为的三个温度区间采用供热方式并配置相应的热交换设备。这样的产业布局方式可以充分利用产出的热能，待循环系统内水温至20-25℃左右再注入地下。将干热岩地热能在发电后的余热余汽应用方面，采取按照温度区间进行定质化的分区。即，高温区150-220℃、中温区90-150℃以及低温区20-90℃，共三个区域。该区域划分的必要性是：第一，便为用热产业实行集群供热服务体系；第二，在技术和布局产业方面进行模块的定质供给界限。第三，为后续一体化的智能供热管理系统提供设计和应用依据。

具体在每个温度区域可植入的余热余汽用热产业，按其对温度需求具体划分为：高温区150-220℃有：高浓缩液蒸发；牛皮纸或纸浆降解；水-硫化氢双温交换法制取重水；硅藻土干燥；鱼肉和木材干燥；拜耳法生产氧化铝工艺；新型高级建材固化处理、烘焙类食品加工等供热，包括蒸煮类食品加工，棉质纺织品漂白及烘干，溴化锂或二氧化碳中央制冷系统等。中温区90-150℃有：采用暖气片式的暖集中供热系统，溴化锂或二氧化碳为制冷媒介的中央空调系统；果蔬类食品加工；制造食品罐头；农产品高速干燥；制糖；制盐；蒸馏水制取；多效蒸发；多效浓缩；轻集料混凝土砌块干燥和固化；有机材料海藻、草料和蔬菜的干燥；单毛洗涤和干燥、水产干燥和除水。低温区20-90℃有：为颐养康养社区集中供暖；温泉洗浴中心恒温供热；大型室内热带雨林供暖；设施农业生产；农业科技育种及养殖业生产；畜牧业温室和浴疗加热；游泳池；生物降解发酵；水产养殖、育苗等。可见，循环水载体温度经过上述的分区用热方式，使用后可直接回注到注水井，无需经过冷却塔冷却。从而节省不必要的能耗，提升干热岩地热资源的高效利用。

图3所示：

对干热岩热能应用的设施及装置，本发明是设计了一套水载体循环系统。其系统原理图参见附图4，该系统包括了从地上到地下的全部循环过程。地下工作腔的设计是依据之前章节建立的3D工程模型完成，通过计算对地上用热量与地下供给量比较做到供需平衡。在地上每口注水井的井口处均设置安装了一个“回灌阀”，该阀不同与普通的止回阀单向阀，除了具有单向阀的功能外，还有比例阀的调节和温度探测功能。该“回灌阀”在本系统中起到的作用非常关键，会根据用热量的多少做出比例调整，其结果会使得整个系统的水载体流速及压力产生变化，直接影响到系统内热交换器的热交换输出热量，可谓是“一指动千斤”的作用。其止回功能是防止地下压力反作用到地上设备，即使注水泵处于停机非工作状态也不会给地上其他设施带来反向压力。在地上每口生产井处均布置的一个“流量调节阀”，该阀与传统大型化工厂使用的调节阀有所不同，需要有大口径、对泥沙通过性强、抵御地下高水汽压力在8MPa以上的要求。选用该阀具有自动比例调节功能的目的是配合系统其他用热产业随着需求量出现变化而做出相应的调整，也是实现全系统智能化的必要装置之一。在图4中，每一个生产井出口的后端都安装了“汽水分离排污装置”，该装置的作用有三个作用：第一，提供高品质的干蒸汽；第二，过滤从地下带出的泥沙的杂质；第三，具有排污功能；第四，该装置本身工作所消耗的能量有自带热回收功能，并入到上述的供热温度区域内再次利用。

上述“回灌阀”“流量调节阀”“汽水分离排污装置”在本系统中的作用都非常关键，本发明申请人将作为另案申请专利。

对图4所示的系统原理包括对相关部件进行功能性分析可以看出以下特点：1本技术和装备系统是地上采用组团式的产业布局具体上述章节已有描述实现干热岩地热能高效利用的关键性体系。2将所有用热产业采用“换热器+发电设备”及“换热器+产业应用”两组模块的方式应用用于上述的定质化温度分区内，为系统配置设施和设备、实现标准化、简单化的配套提供了设计和应用的基础，降低了工作难度和制造成本。3水载热体从地下到地上经多级多产业应用再回注到地下的全过程中，均采用间接换热热交换装置的方式使得整个循环系统的工作运行空间形成闭环，其运行过程不会消耗用水量仅在施工完整后对地下工作腔、管道、换热设施、设备进行一次性的供水，在定期检修维护时再进行少量的用水补充，其正常运行的各类能耗指标都会很低。4系统余热余汽，可通过用热模块进行串联，或并联连接，根据温度高低和用热量多少，进行合理的布置。串联与并联方式的设计选择标准是以在用热设备的温度需求决定，在同一温区供热时采用并联方式连接供热，在递减温区供热时采用串联方式连接供热。5图4中，#2注水井与#3生产井的在地表的布局位置，可与地下工作腔相距一定距离可达10公里以上，通过在地下打水平井的方式与地表用产业集群联通，此布局方式可以利用地下空间建立管道输送，避免因长距离输送带来的热损失。6)地下工作腔与井口的连接连接方法，可布置2口或2口以上注水井回灌井，生产井也布置2口或2口以上。这种布置方式将干热岩地热能输送到地上，再经过地上管道及辅助设施的连接，供给“热交换装置+发电设备”或“热交换装置+产业应用”两大用热模块。就实现了“多循环及多级串并联混用的分布式产业组团”模式，也是本发明的独特之处。7水载体自生产井出口到回灌井入口之间设置的两个具有开口比例调节功能阀，可实现本系统水载体流量、流速、压力在设计能力范围内的连续可调，是系统的运行稳定、可靠的重要保障设施。8本系统和可实现智能化运行，即在每个用热端口安装采集温度、流量、压力等参数仪表，经过仪器仪表采集后反馈到中央处理器系统，经过预置程序经可编程芯片或PCB线路板处理后，便可实施智能化运行操作。

1、本发明是针对干热岩地热能的开发利用，是以技术和设备建立一个多循环多级采热用热产业布局系统为基础，并将项目开发及其建设施工、优质资源选址、投资性价比合理等要素统一考虑后，提出的系统性解决方案。其目的是为了让干热岩这种可再生的清洁能源得到快速的推广和应用，是在对当前干热岩地热能应用可推广中存多样性问题做了深入研究分析后提出了的，也是本发明在干热岩地热能应用领域与其他技术或设备应用等在本质上的区别。

2、以下通过将水载体在不同状态下的含热量比焓值，在的温度变化情况下参照《热工应用设计手册》等文献提供的参考数据，便可推算出本发明在热利用效率方面带来的效果：以从地下采热温度为摄氏200度为例，每公斤热蒸汽水所附带的热量在压力为1.0Mpa时，其比焓值是677千卡/公斤，通过传统的发电装置，无论一级或多级发电后，其温度下降至摄氏150度压力降为0.6Mpa时其比焓降632千卡/公斤。两者相减就是在当前采用地热能发电设备所采用的发电方式下，所消耗的地热能量。可见其使用的热量仅为45大卡/公斤，仍有557大卡/公斤的热量未被利用。当水载体在摄氏25度压力0.6Mpa状态下的比焓值是75大卡每公斤，在日常的生产和生活中，摄氏25-150度的水载体有大量的产业可以应用。由此可见，仍有12.3倍可使用热量热能未被应用，而是通过冷却塔冷却后回灌到地下。按本发明采用多循环分布式布局的地热能产业应用方式，即使将管道输送、热交换效率的损失率总和假设为50％，仍然可以有5-7倍以上的干热岩地热能被有效利用，并获取非常大的经济效益。上述仅做了粗略的推算和比较，便可看出本发明所提出的干热岩地热能应用系统与该领域的其他系统相比较，其应效率的区别十分明显。

3、本发明提出的干热岩地热能开发利用系统，为具体项目的有效推进和实施而设计的工作流程。其关键点即要解决应用中技术的关键环节、也要突破行业之间技术屏障、理清产业关系，满足规范要求及资源储量条件等，避免在建设和投资回报方面出现的风险。

4、按照本发明系统及实施路径，可从技术和关键节点进行把控，其他相关的工作可通过委托外包服务的方式实施。从而简化实施难度，充分发挥其他相专业服务机构单位的能力，做到即能把控又能开放合作的方式，简化清晰地推动干热岩的地热能高效利用开发工作。

5、对干热岩地热开发应用中，选择优质地热资源十分重要。按照本发明给出的物探手段，去建立正确的干热岩地热能热岩体3D模型的方法，也是本发明的其中一个关键环节。

本发明“采用分布式产业组团布局方法提升干热岩地热资源的高效利用的开发系统”可将干热岩地热开发利用，从目标靶区的选择到实际应用一体化的产业集群或包括生活组团。并使得整个项目获得持续稳定的能源供给，同时具备良好的投资回报。对地方政府、项目投资开发机构、能源规划咨询服务单位、专业运营企业在干热岩的地热资源开发利用方面，减少投资风险风险，提供一个具操作性的工作流程。

在技术和设备应用系统，采用多组团多梯级多循环方式布局设计原理在干热岩热能开发用领域实现了原理上的创新和突破。其应用价值更加广泛。

以上仅总结了本发明的系统性和关键节点功能的优势，其他局部性特点，未做详细描述。本发明人将会另案对有必要的部件、设施设备及技术进行相关知识产权的申请。

本发明的关键点是针对干热岩地热资源开发应用提出了系统性的应用以及核心技术、设备，包括节点要素的把控。欲保护点内容如下：

本发明是针对干热岩地热能开发利用提出的一套系统性技术解决方案和实施工作路径。即，从对干热岩的资源优选勘探→经济指标分析→开发技术设计→用热产业布局规划→供热转换接口设计→水载热体回注循环再利用，设计了一套系统性的开发和技术应用体系。从探热、采热、用热一体化的系统开发应用提出的应用方法。

在干热岩地热能开发利用的项目进行可行性研究决策和判定分析时，必须体现并满足四个方面技术参数和经济指标才能开展后续工作，即：1靶区周边20公里范围内有明显地热的异常现象；2靶区内的地下干热岩层属于致密型热岩体构造；3地热能储量可供建设5MW发电装机容量以上的发电设备使用20年以上，干热岩体温度不低于摄氏200度，其开采深度不超过5000米；4周边具备现有余热利用的产业，或者未来具备打造利用余热余汽产业的条件。此选址四个指标必须同时满足，是建立干热岩地热能高效系统关键的基础条件。

在对地下勘察通过物理勘察建立工程3D工程模型的方式：即，将该工作分两个阶段完成：第一阶段在靶区内采用电阻法、电磁法、重力法，采集氡含量等值线，地震活动，重力等值线，电阻力等值线等物理探测手段，深度不低于10千米深，并根据取得的的参数进行分析推演出地下干热岩热儲构造的3D模型。第二阶段，选择1或2个靶点钻探试验井，试验钻的深度以达到摄氏200度以上为目标。通过第二阶段钻探试验井所得出的数据，反推验证第一阶段推演的3D模型与实际数据对比后的吻合程度，如有出入对初始建立的3D模型进行的调整，得到有依据的3D模型。也是后期的工作开展的设计依据。

本发明采用的EGSEnhanced Geothermal Systems增强型地热系统与ORCOrganicRankine Cycle有机朗肯循环发电系统；涡轮高效发电机组结合单闪蒸FORC和双闪蒸DFORC在高温区150-220℃运行以及特殊工质温差式发电系统中温区90-150℃进行三级发电应用。发电后的余热余汽采用“多组团多梯级方式”，在产业用热端接口，针对数千个不同用热行业的温度需求值进行分析总结后，划分为的三个温度区间采用供热方式并配置相应的热交换设备。这样的产业布局方式可以充分利用产出的热能，待循环系统内水温至20-25℃左右再注入地下。将干热岩地热能在发电后的余热余汽应用方面，采取按照温度区间进行定质化的分区。即，高温区150-220℃、中温区90-150℃以及低温区20-90℃，共三个区域。该区域划分的必要性是：第一，便为用热产业实行集群供热服务体系；第二，在技术和布局产业方面进行模块的定质供给界限。第三，为后续一体化的智能供热管理系统提供设计和应用依据。

针对干热岩地热能开发利用系统，除发电应用以外，采用定质化温度分区的方式充分利用余热余汽。即，按照用热产业其对温度需求具体划分为：在高温区150-220℃植入的产业有：高浓缩液蒸发；牛皮纸或纸浆降解；水-硫化氢双温交换法制取重水；硅藻土干燥；鱼肉和木材干燥；拜耳法生产氧化铝工艺；新型高级建材固化处理、烘焙类食品加工等供热，包括蒸煮类食品加工，棉质纺织品漂白及烘干，溴化锂或二氧化碳中央制冷系统等。在中温区90-150℃植入的产业有：采用暖气片式的暖集中供热系统，溴化锂或二氧化碳为制冷媒介的中央空调系统；果蔬类食品加工；制造食品罐头；农产品高速干燥；制糖；制盐；蒸馏水制取；多效蒸发；多效浓缩；轻集料混凝土砌块干燥和固化；有机材料海藻、草料和蔬菜的干燥；单毛洗涤和干燥、水产干燥和除水。在低温区20-90℃植入的产业有：为颐养康养社区集中供暖；温泉洗浴中心恒温供热；大型室内热带雨林供暖；设施农业生产；农业科技育种及养殖业生产；畜牧业温室和浴疗加热；游泳池；生物降解发酵；水产养殖、育苗等。以此方式植入产业，经过循环水载体供热使用后可直接回注到注水井，无需经过冷却塔冷却。从而节省不必要的能耗，提升干热岩地热资源的高效利用。

图4所示的干热岩地热能开发采用的水载体循环系统系统具有以下特点：1本技术和装备系统是地上采用组团式的产业布局，实现干热岩地热能高效利用的关键性体系。2将所有用热产业采用“换热器+发电设备”及“换热器+产业应用”两组模块的方式应用用于上述的定质化温度分区内，为系统配置设施和设备、实现标准化、简单化的配套提供了设计和应用的基础，降低了工作难度和制造成本。3水载热体从地下到地上经多级多产业应用再回注到地下的全过程中，均采用间接换热热交换装置的方式使得整个循环系统的工作运行空间形成闭环，其运行过程不会消耗用水量仅在施工完整后对地下工作腔、管道、换热设施、设备进行一次性的供水，在定期检修维护时再进行少量的用水补充，其正常运行的各类能耗指标都会很低。4系统余热余汽，可通过用热模块进行串联，或并联连接，根据温度高低和用热量多少，进行合理的布置。串联与并联方式的设计选择标准是以在用热设备的温度需求决定，在同一温区供热时采用并联方式连接供热，在递减温区供热时采用串联方式连接供热。5图4中，#2注水井与#3生产井的在地表的布局位置，可与地下工作腔相距一定距离可达10公里以上，通过在地下打水平井的方式与地表用产业集群联通，此布局方式可以利用地下空间建立管道输送，避免因长距离输送带来的热损失。6)地下工作腔与井口的连接连接方法，可布置2口或2口以上注水井回灌井，生产井也布置2口或2口以上。这种布置方式将干热岩地热能输送到地上，再经过地上管道及辅助设施的连接，供给“热交换装置+发电设备”或“热交换装置+产业应用”两大用热模块。就实现了“多循环及多级串并联混用的分布式产业组团”模式，也是本发明的独特之处。7水载体自生产井出口到回灌井入口之间设置的两个具有开口比例调节功能阀，可实现本系统水载体流量、流速、压力在设计能力范围内的连续可调，是系统的运行稳定、可靠的重要保障设施。8本系统和可实现智能化运行，即在每个用热端口安装采集温度、流量、压力等参数仪表，经过仪器仪表采集后反馈到中央处理器系统，经过预置程序经可编程芯片或PCB线路板处理后，便可实施智能化运行操作。

本项目采用的EGSEnhanced Geothermal Systems增强型地热系统与ORCOrganicRankine Cycle有机朗肯循环发电系统相结合，在设计产能范围内，即使使用需求量峰值或季节性发生变化，都可以进行合理的调节，而不影响具体系统的正常生产运行。本发电特性是其他热电联产技术所不具备的功能。这样的系统完全可以取消冷凝水回注前的散热装置，同时降低了投资成本和运营成本。与其他热电联产技术相比较，可提高采热使用效率的3-5倍以上，也实现了生产过程的循环水使不需要经过冷却设备即可回注地下再次使用的创新设计。

本专利为干热岩的开发利提供了一套具有专业的计划性和管理性的建设开发流程系统，但是，在其中的服务功能模块上，可对接多个传统的专业服务机构，成分一个开放的协同合作平台，成为一个针对服务大数据和信息互联互通的服务平台，以便更好的管理和深度进行干热岩地热资源的开发利用和产业之间的互联互通。将干热岩地热能的开发利用从一个专业性较高的产业产业，通过本开发系统转换成为一个可与诸多传统产业相融合发展的生态系统。实现产业的融通、互联。

“储层刺激”是特指对地下拟开发的目标干热岩岩体，采取人工干预的手段进行压裂和构造墙体的行为。

“发电并网验收”是国家电力行业的专业用语。指的是发电厂将其所生产的电力通过高压输变电电网输送到其他的用电场所。该项工作需要取得国家电力行业有关单位进行预先许可，并对其相关的工程设施等进行的验收行为。

Claims (3)

1.干热岩地热能开采利用系统，其特征在于包括依次连通的抽液通道、第一发电机系统(1)、第一热交换器(4)、第二发电机系统(7)、第二热交换器(10)、第三发电机系统(13)、第三热交换器(16)及回灌通道；第一热交换器(4)连接有第一能源利用系统，第二热交换器(10)连接有第二能源利用系统，第三热交换器(16)连接有第三能源利用系统；抽液通道上安装有抽液装置，回灌通道安装有注液装置；第一发电机系统(1)为干蒸汽涡轮发电机系统；干蒸汽涡轮发电机系统与第一热交换器(4)之间连通有第一流量调节阀(2)；第一流量调节阀(2)与第一热交换器(4)之间连接有第一转换器(3)；第一热交换器(4)与第二发电机系统(7)之间连通有第一止回阀(6)；第一止回阀(6)与第一热交换器(4)之间连通有第一流量及温度监测系统(5)；第一热交换器(4)包括第一箱体和第一换热管道；第一箱体内部设有第一空腔，第一换热管道安装在第一空腔内部且第一换热管道的两端均延伸至第一箱体外部，第一换热管道的一端为第一冷凝水进口(19)且连通有第五流量及温度监测系统(18)，第一换热管道的另一端为第一冷凝水出口，第一冷凝水出口依次连通有第一汽水分离装置(20)和干蒸汽分配器(21)；第二发电机系统(7)为扩容蒸汽发电机系统；扩容蒸汽发电机系统与第二热交换器(10)之间连通有第二流量调节阀(8)；第二流量调节阀(8)与第二热交换器(10)之间连接有第二转换器(9)；第二热交换器(10)与第三发电机系统(13)之间连通有第二止回阀(12)；第二止回阀(12)与第二热交换器(10)之间连通有第二流量及温度监测系统(11)；第二热交换器(10)包括第二箱体和第二换热管道；第二箱体内部设有第二空腔，第二换热管道安装在第二空腔内部且第二换热管道的两端均延伸至第二箱体外部，第二换热管道的一端为第二冷凝水进口(23)且连通有第四流量及温度监测系统(22)，第二换热管道的另一端为第二冷凝水出口，第二冷凝水出口依次连通有第二汽水分离装置(24)和湿蒸汽分配器(25)；扩容蒸汽发电机系统为内含有闪蒸汽、双闪蒸汽及多闪蒸汽发电模块的扩容蒸汽发电机系统；第三发电机系统(13)为双循环式蒸汽发电机系统；双循环式蒸汽发电机系统与第三热交换器(16)之间连通有第三流量调节阀；第三流量调节阀与第三热交换器(16)之间连接有第三转换器；第三热交换器(16)与回灌通道之间连通有第三止回阀(17)；第三热交换器(16)包括第三箱体和第三换热管道；第三箱体内部设有第三空腔，第三换热管道安装在第三空腔内部且第三换热管道的两端均延伸至第三箱体外部，第三换热管道的一端为第三冷凝水进口(27)且连通有第三流量及温度监测系统(26)，第三换热管道的另一端为第三冷凝水出口，第三冷凝水出口依次连通有热水分配器(28)。

2.根据权利要求1所述的干热岩地热能开采利用系统，其特征在于：所述干热岩地热能开采利用系统还包括有控制系统，控制系统均电性连接于抽液装置、第一发电机系统(1)、第二发电机系统(7)、第三发电机系统(13)、注液装置、第一流量调节阀(2)、第二流量及温度监测系统(11)、第三流量及温度监测系统(26)及第四流量及温度监测系统；抽液通道与第一热交换器(4)之间并联有至少两个第一发电机系统(1)；第一热交换器(4)与第二热交换器(10)之间并联有至少两个第二发电机系统(7)；第二热交换器(10)与第三热交换器(16)之间并联有至少两个第三发电机系统(13)。

3.开采利用方法，其设有如权利要求1所述的干热岩地热能开采利用系统，其特征在于包括以下步骤：控制器控制抽液装置工作，抽液装置通过抽液通道将地下的热源介质抽出，热源介质依次流经第一发电机系统(1)、第一流量调节阀(2)、第一转换器(3)、第一热交换器(4)、第一流量及温度监测系统(5)、第二发电机系统(7)、第二流量调节阀(8)、第二转换器(9)、第二热交换器(10)、第二流量及温度监测系统(11)、第二止回阀(12)、第三发电机系统(13)、第三流量调节阀、第三转换器、第三热交换器(16)、第三止回阀(17)、注液装置、回灌通道回流至地下热源位置；第一冷凝水依次流经第五流量及温度监测系统、第一热交换器内部的第一换热管道、第一汽水分离装置(20)、干蒸汽分配器(21)及高温热能量消耗单元(32)；高温热能量消耗单元(32)内部的温度范围在150摄氏度至240摄氏度之间；第二冷凝水依次流经第四流量及温度监测系统、第二热交换器(10)内部的第二换热管道、第二汽水分离装置(24)、湿蒸汽分配器(25)及中温热能量消耗单元(33)；中温热能量消耗单元(33)内部的温度范围在90摄氏度至150摄氏度之间；第三冷凝水依次流经第三流量及温度监测系统(26)、第三热交换器(16)内部的第三换热管道、热水分配器(28)及低温热能量消耗单元(34)；低温热能量消耗单元(34)内部的温度范围在25摄氏度至90摄氏度之间；在干蒸汽分配器(21)上设置第一供热仪表(29)，在湿蒸汽分配器(25)上设置第二供热仪表(30)，在热水分配器(28)上设置第三供热仪表(31)，控制系统通过第一供热仪表(29)、第二供热仪表(30)及第三供热仪表(31)来分别监测高温热能量消耗单元(32)、中温热能量消耗单元(33)及低温热能量消耗单元(34)的能量消耗数值，控制系统通过控制第一流量调节阀(2)、第二流量调节阀(8)及第三流量调节阀以调整热源介质的流量。

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