CN110832198A - 非常规的地热资源的发电系统及相关工厂 - Google Patents

Abstract

从地层中的非常规地热资源以常见的蒸汽的发电系统基于以下事实：该系统由地热井以及集成在井的深处的热泵组成，所述热泵由延伸的同心管道系统组成，管道系统中的较大直径的管道用于热交换和热输送流体的上升并且小直径管道用于从外部向其底端输送流体。

Description

非常规的地热资源的发电系统及相关工厂

技术领域

本发明涉及用于电能生产和/或用于民用用途的中低焓地热能源转换系统。此外，本发明涉及使用这种系统的工厂。

背景技术

从上个世纪的最初几年起，人们就知道在工业类型的工厂中开发地热电能；这种工厂非常普遍，特别是在意大利，地下能源的开发可以追溯到1913年，在冰岛，由于该国的粮食自给自足，因此这种工厂具有极高的重要性。

意大利仍保持有大量的地热储量，分为三类：低焓(t<90℃)、中焓(t<150℃)、高焓(t>150℃)。大部分常见液体形式的中低焓的储量仍然没有被开发。开发了大部分常见蒸汽形式的高焓的储量，但仍有广阔的机会来实现新的工厂。

除了关于正确识别有用场地的地质困难外，地热能源的开发还存在一些技术和管理上的问题，使地热能源开发工厂的启动变得复杂。

特别地，第一障碍是由技术问题造成的，也就是说，由钻井造成的，因此是由评估要通过的地质构造造成的。此外，与钻探有关的污染问题是显而易见的，由于地热资源经常导致污染大气的(特别是由硫组成的)泡沫物质的排放，这使得问题更严重。在所关注的地区观测到了由流体再注入而引起的轻微地震事件。最后，环境政治已经恰当地呈现出特殊的重要性，事实上，在建立一个新的系统时，必须考虑它对所在的生态系统的影响。

最后，目前已知的系统是抽水站，因此，正确的水管理政策(近来被认为是环保发展的基本要素)在战略和交际的观点下以及在经济上也呈现重要意义。这些问题在整个生产系统的安排上导致了广泛的复杂性，并且对实现时间以及投资和运行成本都有相当大的影响。

文献US3957108A提供了地热能源回收过程，该文献提供了一种热交换系统，其适用于减少与有害成分的处理相关的问题。

然而，从说明书和附图中可以看出，该系统不是完全封闭的，因此并不能完全解决上述任何问题。

发明内容

事实上，本发明解决的问题是提出了这样一种系统，其克服那些不便并且允许以合理价格来实现系统，以同时提高系统的能量效率，从而获得更好的性能。

特别地，本发明的目的是实现这样一种系统，其不包括再注入井，不将流动的有害流体带到地面，将急流的腐蚀或积垢降到最低，并且可以限制环境影响，运载工具减少暴露在景观上的结构以及工厂的附近生态系统的变化。

通过根据本发明并且非常简要地说明的闭合回路系统来达到这一目的，该系统包括以下阶段：

-将地下土壤中的换热器引入井中，通过向上和向下流动连通到地面工厂；

-将载送流体(通常是软化水)注入所述换热器，以使该液体完全蒸发；

-使蒸汽和/或热水从所述换热器漏出，并通过向下蒸汽而引导至地面；

-利用产生的蒸汽和/或热水以用于发电或用于可能关注的地区的民用用途。

涡轮发电系统通常与热提取系统设置在一起，该系统装配有用于接下来的全蒸汽冷凝和在地下土壤中再注入的冷却系统。

因此，本发明的另一个目的是实现简化的地热发电系统，以获得高效率，同时减少对环境景观的影响。

通过从地质构造提取地热的系统以用于发电系统来达到上述目的，所述系统的特点在于，其提供以下阶段：

-将通过特定的隔离管道(duct)而以液相净化的载送流体注入地热井；

-在布置于所述地热井内的密闭空间内使载送流体和地质构造中的流体之间进行热交换；

-使载送流体以过热蒸汽的形式上升，直至发电厂。

附图说明

通过以下对作为简洁的示例提供并且不限制对附图的描述的两个优选实施方案的详细描述来更好地理解本发明的进一步特征和优点，附图中：

图1是现有技术的地热泉的截面图；

图2是根据本发明第一实施方案的、适用于常见蒸汽罐的系统的地热井的横截面示意图；

图3是在地面上设置的根据本发明的系统的示意图；

图4是根据本发明第二实施方案的、适用于常见液体罐的系统的地热井的横截面示意图；

图5是热交换区域的详图。

具体实施方式

通常，如图1所示，地热井由一系列同心水泥管道组成，随着直径的减小，其长度不断增加。内部含有高温流体的地热罐的钻探区域一般没有管道保护，直到井的最大深度。通过高安全性阀系统(井口)来实现地面上的泉眼的闭合。在发电厂的情况下，以这种方式实现的井可以产生一些地热蒸汽水，足够用于供给一组电涡轮发电，从而保证节约成本。在接近涡轮发电厂的出口时，蒸汽被完全冷凝，液体通过专用井而重新注入地热罐，以尽可能使罐的压力保持恒定并限制耗尽次数。

同样地，在用于以高温进行常见液体提取的井的情况下，现在描述的方案则可以为重要的公共设施(如医院、学校或不同办公室)提供热水服务，从而保证节约。

相反，根据本发明，这一发现预示着改变内部井结构，以获得系统复杂性的进一步的优势。

在第一优选实施方案中，如图2所示，实际上，该系统提供了将换热器引入地热井，该换热器主要由具有几乎延伸到井的底部的两个同心管道的系统组成，其中，内部的一个管道直径较小、底部是开放的并且适于将载送流体在液相期间从站点作为起点而引入井内，而外部的一个管道底部是封闭的并且适于使载送流体在气相期间到达地面。

地热换热器经构造以与地下土壤和周围环境完全隔离，以将随着载送流体过热而在内部产生的、通常由纯水或其它合适的化合物组成的蒸汽以低功率(图中未显示)而单独引至地面并输送至发电厂。事实上，不需要接触地质构造，因此不可能发生井中含有的地层液体(例如，合成硫)的泄漏。

然而，为了明确地理解本发明所保护的地热发电系统的操作，在此指出根据本发明的开始发电的过程。

液相的载送流体通过较小尺寸的管道而被泵送至包括底部封闭的较大的管道的换热器的底部，以使得与由地热罐中的高温流体组成的高热源进行热交换。通过升温，通常由不含盐的水或任何其它成分组成的载送流体蒸发，并因此沿着输送管道而被回灌，从而在上升过程中由于与地热井中包含的流体的交换而过热。一旦到达井口，蒸汽通过合适的管道而被输送到通常由汽轮机和发电机组成的发电系统。

在传递了热能之后，蒸汽被完全冷凝，落到井的底部，在井的底部再次开始循环，事实上形成了蒸汽自然连通的循环流动。

载送流体的泄漏非常少，因此，通过非常低的耗水量而使过程进行。

在换热器的外部，换热器与钻探的地层之间的间隙中存在通常由接近饱和的蒸汽组成的地层流体的冷凝。只要流体凝结，它就会落到井的底部，在井的底部被重新吸收到地质构造(geological formation)中。

换热器外部的地层流体与换热器内部的载送流体之间的热交换由外部的罐内存在的蒸汽冷凝和内部的载送流体的蒸发来保证。这两种机制的特点都是热效率高。

为了进一步保证与地热罐对应的水位保持，由于设置了气闸，可以用周边固结位置提供井保护，周边固结位置将更大的直径的管道包围在所述固结位置与井之间，来自发电厂内部过程的蒸汽通过所述固井而再次被输送。

挥发的蒸汽在下落时冷凝，并再次平衡罐中的水量。

为了在适当的条件下进行热交换，中心管道(也称为地层管道)与地面的热载送流体完全隔离。为了获得最佳性能，地层管道的直径优选为140mm。

在地面上，存在由传统类型(径流式汽轮机)或更新类型(涡轮式汽轮机)的汽轮机以低功率启动的发电厂，如图3所示意性描述的。由于对本领域技术人员而言，所述系统不具有创新性特征，因此在此不作进一步描述，从而不使说明书添加相关技术细节而变得累赘。

然而，现在描述的系统构造为用于定义地热井中提取的换热器与换热器周围区域之间的协同作用。

为了使系统以所需的特点工作，必须确定交换器内的三个不同的区域：

-有限长度的底部区域，其中，载送流体通过小直径管道注入最底部的部分，过热，从而达到沸腾温度；

-较大长度的中间区域，其中，载送流体完全汽化；

-顶部区域，其中，载送流体在管道内过热。

同时，为了定义完全闭合的系统，可能会发生地层流体在外部的冷凝。为此，期望在井的最外壁与最大直径的管道的外壁之间形成腔室。

根据以上所述，地热罐中的交换机制显然是自然对流的冷凝类型。

-井产生的电能很大程度上取决于地层流体的比焓。井的产能的限制因素不是通过热交换(其确实非常有效)来表示的，而是通过载送流体的井口传导系统(headwellconducting system)来表示的。在这种情况下，热交换系数通常假设为很高的值，因为它们对应于相变状态(地层流体在管道外部的凝结和载送流体在内部的蒸发)；假设热交换系数值为1.2KW/MQ℃，交换表面为200m²，几乎相当于500mm的7”管道(17.78cm)，温差为50℃，在中等压力下的热势能值为12Mw，可以产生大约3Mw的电力。

-在第二实施方案中，如图4和图5所述，最后一个水泥保护管道在地热罐内的深处进行检查，并且在顶部区域被方便地钻探，井的最底端以非管道部分(裸孔)结束。

特别地，井内的结构包括由两条管线上的不同元件组成的复杂的热交换系统。载送流体管线由换热器和通向地面的输送管道组成；在这条管线上连通了伸缩式机械元件，其允许固定机械元件(称为封隔器)的长度变化。

液体形成管线主要由液压泵组成，液压泵通过顶部区域的窗口将液体泵入泉中，并且通过载送流体的传送管道将液体再注入到更深的区域。

流体交换热能：地层流体和载送流体在井内总是完全分离的。热能的传输过程以如下方式进行：

-载送流体(纯水)以过热的液相形式通过小直径管道注入井内，从内部交换管道壁吸收热量并蒸发，

-蒸汽通过输送管道上升到井口，从井中喷出并且被输送到热电站，蒸汽从热电站以过热液体的形式回灌，

-通过泵从储层的顶部区域抽取地层流体(液体)并且推动其以高速与外部交换壁接触，从而产生热量，然后冷却。

-地层流体(液体)回灌底部区域，并且通过冷却产生的液体密度差而形成常规的循环流动；排出的流体往往停留在储层的最底部，在那里与岩石接触时会迅速发热。

因此，井内的两个区域通过液压方式而与两条管线共用的、固定在保护管道的壁上、称为封隔器的机械元件分离。

在隔离的地层管道与受保护的外部固结和容纳站之间的间隙中，朝向地热罐插入底部开放的另一管道，该管道上安装有载送流体的供应泵。

为了允许正确的操作并且避免振动或(在最严重的情况下)碰撞，两个管道通过两个管道相互位置的保持元件而保持在稳定的位置，两个管道的相互位置必须平行。

将从对操作的描述中更好地理解，在这种情况下，交换器外部的热交换通过电动泵辅助产生的井内的地层循环水来保证。

从前面的描述来看，很明显，本文描述的非常规地热系统提供了井中地热地层中存在的流体(高温下受污染的蒸汽水或液态水)与由高纯度水或其它成分组成的载送流体之间的高效热交换。

因此，可以理解，以这种方式描述的本发明满足了预定目的，实现了经济实惠的系统，通过减少对于注入过冷的水或与井的内部完全接触导致的井内温度降低的焓泄漏，而显著减少了环境影响，包括关于景观的影响以及与受污染的地层流体提取相关的污染影响。

确实可以注意到，现在引入的系统并不隐含受污染的地层流体提取，而是仅仅由于与地层内存在的流体的高效热交换而通过载送流体装置的热量提取。此外，从实现和描述的过程中，没有向环境中输入受污染的流体，并且不存在再注入到地质构造中的再流动。

可以很好地理解，所描述的第二实施方案中的方案看起来特别通用，因为它也可以用于低焓的已开发油田中、靠近住宅区和/或工业区中用于加热和/或冷却用途，具有经济上可持续的优势。

从前面的描述中，可以很好地理解，这些技术方案可以减少钻井的数量并简化地面上的工厂，从而消除向大气中泵入的流体的昂贵净化系统，总体而言最小化了环境污染风险。

因此，也达到了非常规工厂的使用和管理地热能源生产的预定目的，它可以将有限的环境和景观影响与高能效值结合起来。

特别地，获得了一种创新的闭合系统回路，通过该回路，高温地热凭借插入井内的热交换管道被转移到进入井的深处的载送流体，所述热交换管道使得地热地层中存在的流体与由高纯度水组成的载送流体之间高效地进行热交换。

载送流体以液体形式注入井内，在与井完全隔离的管道内方便地过热和蒸发，然后在足够高的压力和略低于地层的温度下流到井外并供应到发电厂(涡轮发电机)。在发电厂的出口处，由井产生的所有蒸汽再次冷凝并被泵入井中，泄漏量大大减少。

在特定的地质条件下，这种闭合回路系统可能具有很好的潜力，并且如果没有更高的效率，具有类似于在深水储层(bearing)中产生的流体再注入的原始地热地层的效率。

然而，除此之外，从环境的角度来看，这种系统是很好的：事实上，地质构造中所含的污染物在任何情况下从来都不会分散到外部环境中。另一方面，浅层流体对地下地层的污染几率也会降低。

最后，极大地限制了由低温流体的再注入导致的关于地层流体的温度降低的问题。

然后：

-具有相同可能性的成本降低

-没有向大气的有害气体排放或温室效应

-环境可持续性，因为没有使用可耗尽的资源。

此外，还证明了当地下土壤是由低渗透的地质构造组成时(其不能通过已知的技术体系开采)，也可以采用适用于常见的蒸汽罐的方案。

因此，扩展了该领域的发展的可能性。

对于在常见液体处的罐，交换系数的初步计算表明，有可能获得一定量的井口蒸汽，足以在交换长度区域相当有限(大约500米管道)的情况下产生3MW以上的电功率。

考虑系数值为1.0KW/mq℃的热交换，交换表面为400mq，相当于接近500m的9”5/8(24.45cm)管道，中间温度差为33℃，热交换潜力为13MW。上述数值的选择和模拟都相当谨慎，我们可以认为，在执行规划期间，更成熟的评估可以展现更高的值，至少提高30％。

上述完成模型适用于以地层中非常低的温度梯度(相当于1-5℃/100m)为特点的地热储层中的应用，典型地在通常用于自然压裂的渗透性地层中。

同样地，由于现在描述的系统不提供地层流体的注入，而只提供一定深度处的热交换，因此大大地降低了与对关注区域的地质系统规划的影响相关的事件(如最小实体地震或沉降事件)的风险。

最后，由于井与地下土壤隔离，因此化学污染风险也几乎为零。因此，预计不会有排放到大气中的CO₂和H₂S排放或者生产阶段期间来自工厂的其它排放。

以这种方式揭示了上述方案的显著范围。

然而，应当理解，不能认为本发明限于上面描述的仅代表本发明的示例性实施方案的特定说明，而是可以有不同的变体形式。

Claims (7)

1.一种从地热资源提取热量的系统，包括地热井和从井的底部到地面的流体输送管道，其特征在于，所述输送管道包括放置在所述地热井的底部、通过换热器以流体密封方式连通的向上和向下流动分支，所述换热器由延伸的同心管道系统组成，最大直径的管道用于热交换和热载送流体的上升，小直径的管道用于从外部向其最底端输送载送流体。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，气闸设置在所述换热器和地热地层之间，适于使凝结相排出。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述同心管道延伸到接近井的底部。

4.根据权利要求1和权利要求3中任一项所述的系统，其特征在于，由于设置了排出蒸汽所通过的气闸，所述系统通过周边固结位置来保护，所述周边固结位置将较大直径的管道包围在所述固结位置与所述管道之间。

5.根据权利要求1和权利要求4中任一项所述的系统，其特征在于，较小直径的管道与地面的载送流体完全隔离。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，被隔离的管道的直径为大约140mm。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在井和发电厂以及同一工厂之间的不同液相和蒸汽的情况下，提供了载送流体管道的管道系统。

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