CN110986397A - 一种梯级利用的增强型干热岩地热系统 - Google Patents

一种梯级利用的增强型干热岩地热系统 Download PDF

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申秀乾
张忠林
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丁雪琳
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Abstract

本发明公开了一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，包括与地下干热岩相连的生产井管道和回灌井管道，生产井管道和回灌井管道之间依次连接有一级板式换热器、二级板式换热器、三级板式换热器和注水泵，一级板式换热器的换热端连接有有机朗肯循环发电机组，二级板式换热器的换热端连接有供暖模块，三级板式换热器的换热端连接有辐射采暖模块。本发明有效避免了系统运行一段时间不稳定的缺点，可以通过分水器选择多个回灌井管道同时使用或者只使用一个。本发明充分利用了各个温度段的热水，采取了发电、供暖、地暖辐射等多级利用方式，充分利用各个温度范围的工质，能最大化的利用干热岩的热能，减少了不必要的能量浪费，提高了整个系统的利用率。

Description

一种梯级利用的增强型干热岩地热系统
技术领域
本发明涉及地热系统技术领域，特别是指一种梯级利用的增强型干热岩地热系统。
背景技术
增强型地热系统是利用干热岩热能的常用方法，干热岩分布遍布全球，据中国地质调查局数据显示，中国大陆3-10km深处的干热岩资源总量为2.5*1025J（合856万亿吨标准煤），若能开采利用2%，就相当于我国以2010年全国一次性消耗总量（32.5亿吨标准煤）的基础下使用5300年。且增强型地热系统利用干热岩具有可持续性、环保、不受昼夜影响等多种优势。传统的增强型地热系统利用干热岩的方式，一般是采用生产井和注入井一一对应的生产方式，这种生产方式在热岩层换热面积十分有限，容易造成热瓶颈，不能稳定地输出一定温度的热水。不仅不能稳定地进行生产，而且会对配套利用设施产生不利影响。
经过检索，现有申请日为2018.10.31、申请号为CN201821778903.2的中国实用新型专利，公开了一种中深层地热能吸收压缩式一体化集中供热系统，通过吸收式热泵、二级压缩式热泵和三级压缩式热泵的阶梯设置，可多级、梯度地提取地热能量，增加额外的中温热量用于加热二次网循环水，向用户供热，相比常规集中供热方式及地热能利用方式，该系统形成对中深层地热资源的深度梯级化利用，增加了系统供热能力和单位取热量。
但是该实用新型的技术方案的梯级利用侧重体现在吸收式热泵、二级压缩式热泵和三级压缩式热泵的作用，通过增加热泵来对取热工质二次加工以提高利用效率，本质上并没有改变生产井与注入井一一对应的缺点。而且该方案需要抽取地下水，利用不同层热水回灌容易造成污染，存在管道腐蚀及吸收式热泵腐蚀、二级压缩式热泵腐蚀和三级压缩式热泵腐蚀等问题，严重影响整个系统的使用稳定性和使用寿命。另外，该实用新型的技术方案虽然字面意思上是梯级利用，但只是利用了热泵进行热量利用，通过增加多个热泵来对生产的热水多级利用，在这一方面做出了一定的贡献，并没有在本质上提升系统的利用效率。本领域技术人员清楚地知道热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。因此该实用新型的技术方案的整个系统的能源利用效率并没有实质提升，而是通过电力对热泵进行做工提高了供热性能，实质上并没有提高地热能源的利用率。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，解决了现有地热系统利用率低且稳定性差的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，包括与地下干热岩相连的生产井管道和回灌井管道，所述生产井管道和回灌井管道之间依次连接有一级板式换热器、二级板式换热器、三级板式换热器和注水泵，一级板式换热器的换热端连接有有机朗肯循环发电机组，二级板式换热器的换热端连接有供暖模块，三级板式换热器的换热端连接有辐射采暖模块。
进一步地，所述生产井管道设置有一个，所述回灌井管道设置有至少两个，回灌井管道与三级板式换热器的回水端通过分水器相连。
进一步地，所述三级板式换热器与回灌井管道之间设置有四级板式换热器，四级板式换热器的换热端连接有热泵机组，热泵机组与辐射采暖模块相连，所述分水器设置在四级板式换热器的回水端与回灌井管道之间。
进一步地，所述四级板式换热器与回灌井管道之间设置有除气装置，除气装置设置在注水泵的前端。
进一步地，所述除气装置与四级板式换热器之间设置有除污装置。
进一步地，所述生产井管道和回灌井管道下方的连通方式为管道连接或打通的岩层空隙连接或压裂裂缝连接。
进一步地，所述一级板式换热器的进水端温度为135℃-140℃，一级板式换热器的回水端温度为90℃-95℃，二级板式换热器进水端温度为90℃-95℃，二级板式换热器出水端温度为60℃-65℃，三级板式换热器进水端温度为60℃-65℃，三级板式换热器出水端温度为40℃-45℃。
进一步地，所述生产井管道外部设置有保温单元，保温单元包括套设在生产井管道外部的无缝钢管，无缝钢管的内壁与生产井管道的外壁之间设置有保温层，无缝钢管的上下两端通过封板与生产井管道的外壁焊接密封。
本发明首先采取多个回灌井管道和一个或少量的生产井管道的方式，有效避免了系统运行一段时间不稳定的缺点，可以通过分水器选择多个回灌井管道同时使用或者只使用一个。其次，本发明充分利用了各个温度段的热水，采取了发电、供暖、地暖辐射等多级利用方式，充分利用各个温度范围的工质，能最大化的利用干热岩的热能，减少了不必要的能量浪费，提高了整个系统的利用率。另外，本发明为了维持系统的长久稳定运行，创造性的加入除气装置和除污装置，以避免换热工质中气体或污物过多影响热水在干热岩层的换热效率。本发明采用洁净水源作为取热工质，避免了背景技术中专利方案使用地源热水在系统中循环运行不稳定的弊端，避免了因侵蚀造成的管道及换热装置损坏的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原理结构示意图；
图2为图1中生产井管道和回灌井管道的布置图；
图中，1、机朗肯循环发电机组，2、供暖模块，3、辐射采暖模块，4、一级板式换热器，5、二级板式换热器，6、三级板式换热器，7、热泵机组，8、四级板式换热器，9、除气装置，10、除污装置，11、注水泵，12、生产井管道，13、干热岩人工热储层，14、回灌井管道，15、分水器，16、无缝钢管，17、保温层；18、封板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，如图1所示，包括与地下干热岩相连的生产井管道12和回灌井管道14，生产井管道12和回灌井管道14在干热岩层通过管道连接或打通的岩层空隙连接或水力压裂裂缝连接实现连通，建立低下干热岩人工热储层13。使用清洁的水源作为取热工质注入回灌井管道14中，工质在干热岩人工热储层13中与高温岩体进行能量交换，再从井中抽取出来进行利用。
所述生产井管道12和回灌井管道14之间依次连接有一级板式换热器4、二级板式换热器5、三级板式换热器6和注水泵11，一级板式换热器4、二级板式换热器5、三级板式换热器6为取热功能结装置，注水泵11为取热工质循环流动的动力功能装置。
从生产井管道12流出的高温工质温度可达到135℃-140℃，135℃-140℃的高温工质进入一级板式换热器4进行换热利用，一级板式换热器4的换热端连接有有机朗肯循环发电机组1，有机朗肯循环发电机组1利用一级板式换热器4输出的热能进行发电。流出一级板式换热器4的工质温度降低为90℃-95℃，90℃-95℃的工质流入二级板式换热器5，进行二级利用。
所述二级板式换热器5的换热端连接有供暖模块2，供暖模块2利用二级板式换热器5输出的热能作为采暖或制冷的热源。流出二级板式换热器5的工质温度降低为60℃-65℃，60℃-65℃的工质流入三级板式换热器6，进行三级利用。
所述三级板式换热器6换热端连接有辐射采暖模块3，辐射采暖模块3利用三级板式换热器6输出的热能进行生活供水或地板辐射采暖使用。流出三级板式换热器6的工质温度降低为40℃-45℃，40℃-45℃的工质既可以在注水泵11的作用下直接回灌至回灌井管道14，也可以用作他用。
实施例2，一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，如图2所示，所述生产井管道12设置有一个，所述回灌井管道14设置有至少两个，回灌井管道14与三级板式换热器6的回水端通过分水器15相连。注水泵11设置在三级板式换热器6的回水端与分水器15之间，通过使用一个注水泵11即可实现对多个回灌井管道14进行泵水。
采取多个回灌井管道14和一个或少量的生产井管道12的方式，有效避免了系统运行一段时间不稳定的缺点，可以通过分水器15选择多个回灌井管道同时使用或者只使用一个。
本实施例的其他结构与实施例1相同。
实施例3，一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，所述三级板式换热器6与回灌井管道14之间设置有四级板式换热器8，通过四级板式换热器8对从三级板式换热器6的40℃-45℃工质进行充分利用。
四级板式换热器8的换热端连接有热泵机组7，热泵机组7与辐射采暖模块3相连。四级板式换热器8产生的热能与热泵机组7产生的热能共同作用，对辐射采暖模块3进行辅热，以防止三级板式换热器6无法满足辐射采暖模块3正常使用的情况发生。
所述分水器15设置在四级板式换热器8的回水端与回灌井管道14之间，注水泵11设置在分水器15与四级板式换热器8的回水端之间。
本实施例的其他结构与实施例2相同。
实施例4，一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，所述四级板式换热器8与回灌井管道14之间设置有除气装置9，除气装置9设置在注水泵11的前端。所述除气装置9与四级板式换热器8之间设置有除污装置10。
为了使整个系统的长久稳定地运行，创造性的加入除气装置9和除污装置10，以避免换热工质中气体或污物过多而影响热水在干热岩层的换热效率。
本实施例的其他结构与实施例3相同。
实施例5，一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，所述生产井管道12外部设置有保温单元，保温单元包括套设在生产井管道12外部的无缝钢管16，无缝钢管16既能保证结构强度，又能够无缝钢管16的内壁与生产井管道12的外壁之间设置有保温层17，无缝钢管16的上下两端通过封板18与生产井管道12的外壁焊接密封。
本实施例的其他结构可以与实施例1-4任一项相同。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种梯级利用的增强型干热岩地热系统，包括与地下干热岩相连的生产井管道（12）和回灌井管道（14），其特征在于：所述生产井管道（12）和回灌井管道（14）之间依次连接有一级板式换热器（4）、二级板式换热器（5）、三级板式换热器（6）和注水泵（11），一级板式换热器（4）的换热端连接有有机朗肯循环发电机组（1），二级板式换热器（5）的换热端连接有供暖模块（2），三级板式换热器（6）的换热端连接有辐射采暖模块（3）。
2.根据权利要求1所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述生产井管道（12）设置有一个，所述回灌井管道（14）设置有至少两个，回灌井管道（14）与三级板式换热器（6）的回水端通过分水器（15）相连。
3.根据权利要求2所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述三级板式换热器（6）与回灌井管道（14）之间设置有四级板式换热器（8），四级板式换热器（8）的换热端连接有热泵机组（7），热泵机组（7）与辐射采暖模块（3）相连，所述分水器（15）设置在四级板式换热器（8）的回水端与回灌井管道（14）之间。
4.根据权利要求3所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述四级板式换热器（8）与回灌井管道（14）之间设置有除气装置（9），除气装置（9）设置在注水泵（11）的前端。
5.根据权利要求4所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述除气装置（9）与四级板式换热器（8）之间设置有除污装置（10）。
6.根据权利要求2-5任一项所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述生产井管道（12）和回灌井管道（14）下方的连通方式为管道连接或打通的岩层空隙连接或压裂裂缝连接。
7.根据权利要求6所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述一级板式换热器（4）的进水端温度为135℃-140℃，一级板式换热器（4）的回水端温度为90℃-95℃，二级板式换热器（5）进水端温度为90℃-95℃，二级板式换热器（5）出水端温度为60℃-65℃，三级板式换热器（6）进水端温度为60℃-65℃，三级板式换热器（6）出水端温度为40℃-45℃。
8.根据权利要求7所述的梯级利用的增强型干热岩地热系统，其特征在于：所述生产井管道（12）外部设置有保温单元，保温单元包括套设在生产井管道（12）外部的无缝钢管（16），无缝钢管（16）的内壁与生产井管道（12）的外壁之间设置有保温层（17），无缝钢管（16）的上下两端通过封板（18）与生产井管道（12）的外壁焊接密封。
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