CN111734592A - 一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，包括将输入的地热水载体进行汽水分离的汽水分离器、将分离后的低温热水进行发电的发电机组、将分离后的蒸汽进行二次加热升温的二次升温装置，所述二次升温装置工作所需的电力由发电机组供给。本发明对供热管道载热流体介质进行二次加热升温，不需要任何外来能源补充便可满足用热产业对不同热温度和用热类型的使用需求。在运行过程中无需消耗外部能源、无碳排放，可大幅提升对地热资源的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种地热能综合开发与利用领域，具体涉及一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备。
背景技术
在当前地热能综合开发与利用领域供热系统中，常规使用的供热应用均采用温度递减的方式。如遇使用温度高于供热温度时，都没有从利用自身含带的能源去思考解决方案，或许受到技术和设备等约束。少数解决方法还是回到依靠传统方法，利用外部能源的补充同时另需增加相应的设备予以辅助。例如，地下空气源热泵、水源热泵等都无法摆脱对外部能源的依赖。地热资源在该领域中只是起到节省能源的作用，无法做到100％将地热能这种可再生清洁能源独立性的使用，更无法实现将地热能综合开发与利用推向“分布式离网供给”的发展模式。大部分研究地热能开发与利用的学者们，是从更深层的地热资源或更高温度的干热岩储层开发去寻找解决方案，这样会使得地热能开发与利用的成本过高、技术难度更大，约束行业的发展速度。
发明内容
本发明提供一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，对供热管道载热流体介质进行二次加热升温，不需要任何外来能源补充便可满足用热产业对不同热温度和用热类型的使用需求。在运行过程中无需消耗外部能源、无碳排放，可大幅提升对地热资源的利用效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，包括将输入的地热水载体进行汽水分离的汽水分离器、将分离后的低温热水进行发电的发电机组、将分离后的蒸汽进行二次加热升温的二次升温装置，所述二次升温装置工作所需的电力由发电机组供给。
作为对上述技术方案的改进，所述二次升温装置包括对高温蒸汽进行二次升温的超临界闪蒸罐或包括对中温蒸汽进行二次升温的热媒油交换器；
所述超临界闪蒸罐连接在汽水分离器顶部的高温蒸汽输出管上；所述超临界闪蒸罐包括中空的罐体，设置于罐体内腔顶部的罐体中芯，设置于罐体中芯顶部的闪蒸器；所述闪蒸器内置有电热丝和填设于电热丝周围的热熔盐，所述闪蒸器下方设置有高温蒸汽的输入口，该输入口为高温节省输出管的输出口；所述罐体的顶端设置有闪蒸蒸汽的输出口；
所述热媒油交换器连接在汽水分离器上部的中温蒸汽输出管上；所述热媒油交换器包括壳体，设置于壳体内的热交换组件，设置于壳体内并位于热交换组件前端的加热丝，设置于壳体一端使进入壳体内的热媒油首先流经加热丝、再流经热交换组件的热媒油循环入口、设置于壳体另一端使流经热交换组件的热媒油循环流出的热媒油循环出口，所述热交换组件设置有使中温蒸汽进入的输入口、使被加热的中温蒸汽流出的输出口；
所述电热丝和加热丝的电力由发电机组供给。
作为对上述技术方案的改进，所述高温蒸汽输出管、中温蒸汽输出管上分别设置有增压泵和单向阀。
作为对上述技术方案的改进，所述发电机组包括设置于汽水分离器底部使用汽水分离器分离后的热水间接加热发电的第一发电机组、设置于汽水分离器下端出口使用热水直接加热发电的第二发电机组；所述第一发电机组和第二发电机组并联后连接电控柜并由电控柜的出线分别连接超临界闪蒸罐的电热丝、热媒油交换器的加热丝为电热丝、加热丝提供工作电力。
作为对上述技术方案的改进，所述第二发电机组连接有余热回收装置。
作为对上述技术方案的改进，所述第一发电机组为单工质发电机或双工质发电机，所述第二发电机组为涡轮发电机或单闪发电机或双闪发电机。
作为对上述技术方案的改进，所述热熔盐为氯化钠或氯化钙。
作为对上述技术方案的改进，所述超临界闪蒸罐为立体罐体，所述罐体的底部中心设置有排污阀，罐体的底部周围设置有罐体支腿来支撑罐体，罐体的顶端设置有顶盖，所述顶盖设置有电加热接头且与闪蒸器内的电热丝连接。
作为对上述技术方案的改进，所述热媒油交换器为卧式，所述热交换组件包括换热管左端板、换热管右端板，设置于换热管左端板、换热管右端板内侧且上下错位布置的上折流板、下折流板，架设于换热管左端板之间的若干个换热管，所述热交换组件通过换热管左端板、换热管右端板架设于壳体中部；所述壳体一端内腔设置加热丝，壳体外端设置有电加热器端盖，电加热器端盖外设置电加热导线和壳体内腔的加热丝连接，所述壳体的另一端设置有端盖。
本发明的工作方式是：
由生产井从地下产出的水载体≧60℃热水或蒸汽经过汽水分离器立式罐体进行除渣和汽水分离后，于汽水分离器底部以热交换介质方式间接加热连接第一发电机组可选用单、双工质发电机转换为电力；汽水分离器下端出口直接热交换连接第二发电机组可选用涡轮、单闪、双闪发电机转换为电力，余热回收输出；高温蒸汽350-700℃是由汽水分离器顶部输出，经过增压泵、单向阀，接入超临界闪蒸罐将≧60℃的热水或蒸汽温度提升到350-700℃温度区间所需的任意温度经控制阀输出给用热产业使用；中温蒸汽120-350℃是由汽水分离器上端输出，经过增压泵、单向阀，接入热媒油交换器将≧60℃的热水或蒸汽温度提升到120-350℃温度区间所需的任意温度经控制阀输出给用热产业使用。
在应用本发明的设施装备对热水蒸汽进行二次加热升温调控时，要特别注意选择相应的蒸汽温度与压力。该蒸汽温度与压力的变化曲线由两个区间段，分部由：图4A所示是常规蒸汽温度与压力的变化曲线图，图4B所示是超临界蒸汽温度与压力变化曲线图。图4A、B中所示的压力参数是指罐体腔体内工作压力的绝对压力值。图4A及图4B所示温度坐标即纵坐标参数值的单位是℃，压力坐标即横坐标压力参数值的单位是Mpa。在应用时可根据使用温度需求，在纵坐标方向找出温度值，向水平方向延伸与曲线相交处找出所对应的横坐标点，便是所需绝对压力参数值Mpa。然而，选择增压泵的工作压力参数的公式是：
增压泵压力参数P＝罐体内工作压力P1-被加热蒸汽进口压力P2
由公式可见，增压泵工作压力的选择是罐体内工作压力与被加热蒸汽压力之差
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，从地下生产井 201产出的热水蒸汽由输入口接入，经处理后由三个不同的输出接口,其中有两个是二次升温后的蒸汽输出口；有一个是发电剩余后的余热回收的输出口。本发明的设施装备适用于地下生产井201产出的热水温度≧60℃或蒸汽，若生产井201采出热能温度更高，则本发明系统装备的工作效率也会更好。在地热能综合开发与利用领域，主要是针对中深层2000-9000米地热进行开采。依据不同地区的地热的资源品富，生产井可采出热能温度范围由60-420℃不等，通常经济性采热温度为60-240℃。
由生产井201采出的热水蒸汽≧60℃，经本发明系统设备处理后，可分别输出2个不同的高温蒸汽输出和1个余热回收输出；或者任意1个高温输出和1 个余热回收输出。该2个高温输出口的工作输出温度区间范围分别是： 350-700℃II；120-350℃III；余热回输出的温度范围是：40-60℃IV。在正常工作运行过程不需要任何外部能源的补充，无碳排放，实现可再生清洁能源的分布式离网运行模式。
附图说明
图1为本发明的整体组成结构示意图；
图2为超临界闪蒸罐的工作原理图；
图3为热媒油交换器的工作原理图；
图3A为热媒油交换器的整体结构示意图；
图3B为热交换管组件的结构示意图；
图3C为上折流板的结构示意图；
图3D为下折流板的结构示意图；
图4A所示是常规蒸汽温度与压力的变化曲线图；
图4B为超临界蒸汽温度与压力变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备其工作运行方式是：由生产井201从地下产出的水载体≧60℃热水或蒸汽经过汽水分离器202立式罐体进行除渣和汽水分离后，于汽水分离器202底部以热交换介质方式间接加热连接发第一发电机组211可选用单、双工质发电机转换为电力；汽水分离器202下端出口直接热交换连接第二发电机组210可选用涡轮、单闪、双闪发电机转换为电力，余热回收经IV输出；高温蒸汽350-700℃是由汽水分离器顶部的高温蒸汽输出管204输出，经过增压泵205、单向阀206，接入超临界闪蒸罐207将≧60℃的热水或蒸汽温度提升到350-700℃温度区间所需的任意温度经控制阀213输出给用热产业使用；中温蒸汽120-350℃III 是由汽水分离器上端的中温蒸汽输出管输出215，经过增压泵、单向阀206，接入热媒油交换器209将≧60℃的热水或蒸汽温度提升到120-350℃温度区间所需的任意温度经控制阀214输出给用热产业使用。
为了安全起见，汽水分离器202顶部可安装安全通道203，安全通道203上设置有安全阀，给汽水分离器202提供安全保障，图二中的附图标记106为汽水分离器的罐体。
超临界闪蒸罐207的工作原理：如图2所示，是超临界闪蒸罐的剖立面结构视图。组成部分由：罐体中芯顶部的闪蒸器109内置有电热丝103和热熔盐 104可选用氯化钠熔化温度801-1465℃，或氯化钙熔化温度772-1600℃；接口110是被加热水蒸汽的输入口，接口111是加热后的输出口,电加热接头101 与电热丝103相连接，接口105用于连接仪器仪表，顶盖102用于固定闪蒸器，接口107用于连接排污阀，罐体支腿108用于支撑和固定罐体。在正常工作时图1所示，利用本发明自系统中的第二发电机组210、第一发电机组211产生的电力，用电导线经电控柜212连接将电热丝103升温将盐体熔化。经加压后的热水或蒸汽温度60-200℃经A1口进入到罐体内，以喷射的方式喷向闪蒸器 109。闪蒸器109的工作温度范围是：810-1465℃熔盐为氯化钠时或 780-1350℃熔盐为氯化钙时，该温区对于水属于超临界温度，水载体进入罐体内会被瞬间汽化为高温蒸汽或超临界蒸汽。根据高温蒸汽产业端的使需求，通过调节增压泵205的输出压力，便可对罐体内经超临界升温后的蒸汽温度实施输出温度和压力的调控。本超临界闪蒸罐207在升温加热原理是采用的热超临界加热装置，可直接提供超临界状态的蒸汽输出，也可用于提供常规出蒸汽压力140-350℃输出给用热产业使用。
热媒油交换器209的工作原理：如图3所示，是热媒油交换器209的剖立面结构视图。图3A所示，是该热媒油交换器209的外观图。该热媒油交换器209 选用卧式罐体型，由以下主要部件组成：电加热导线1、电加热器端盖2、电热丝3、端盖5、换热管左端板5、换热管右端板6、上折流板7(见图3C所示)、下折流板8(见图3D所示)、换热管9、交换器外壳10、热媒油循环出口11、被加热热水蒸汽输入口12、被加热热水蒸汽输出口13、被加热热水蒸汽输出口14、热交换管组件15(见图3B所示)。本热媒油热交换器209的工作原理是采用电加热热媒油的方式作为热源，其使用电源产生于本发明系统的自身发电设备。当被二次加热的热水蒸汽经被加热热水蒸汽输入口12进入热媒油热交换器 B段时(如图3所示)。该热水蒸汽与热交换管9外表面接触获取交换热能。热交换管9内由热媒油或称导热油载热体是一个独立循环流动回路(如图1所示)，通过管道与内循环泵208连接完成。电热丝3对循环热媒油直接加热，布置在热媒油热交换器A段腔内。热媒油可根据工作温度需求区间，选用不同类型的热媒油，通常热媒油的沸点为230-450℃石化产品市场有售。在本发明系统装备中，通过自发电力经电导线、控制柜、加热丝3连接，加热丝在热媒油热交换器A段腔内对导热油进行加热，再经热媒油循环出口11管道将内循环泵 208连接后，回到入口14形成导热油加热的闭环连续流动。需被加热的热水蒸汽由被加热热水蒸汽输入口12输入，在腔体B段被加热后，再经被加热热水蒸汽输出口13输出。从而完成提供中温蒸汽120-350℃III的工作全过程。根据对输出蒸汽温度值的要求，通过调节增压泵205的输出压力，便可输出蒸汽输出端III的蒸汽温度和压力的进行调控。
在应用本发明设备对热水蒸汽进行二次加热升温调控时，要特别注意：选择相应的蒸汽温度与压力。该蒸汽温度与压力的变化曲线由两个区间段，分部由：图4A所示是常规蒸汽温度与压力的变化曲线图，图4B所示是超临界蒸汽温度与压力变化曲线图。图4A、B中所示的压力参数是指罐体腔体内工作压力的绝对压力值。图4A及图4B所示温度坐标即纵坐标参数值的单位是℃，压力坐标即横坐标压力参数值的单位是Mpa。在应用时可根据使用温度需求，在纵坐标方向找出温度值，向水平方向延伸与曲线相交处找出所对应的横坐标点，便是所需绝对压力参数值Mpa。然而，选择增压泵的工作压力参数的公式是：
增压泵压力参数P＝罐体内工作压力P1-被加热蒸汽进口压力P2
由公式可见，增压泵工作压力的选择是罐体内工作压力与被加热蒸汽压力之差是相对压力，需特别引起注意。
经上述对本发明的工作原理和关键设备、部件等描述，可以归纳总结出本发明所公开的“利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备”具有以下技术方面的效果：第一，本发明的设施设备无需外部能源补充即可完成对输入≧60℃的热水蒸汽的二次升温与加热。第二，本发明系统设备可同时应用两种或任选其一方式对热水蒸汽进行加热。加热后的输出温度可在120-700℃区间内任意温度选择获取所需求二次加热升温的蒸汽。第三，通过本发明公开的技术原理及其关键设备超临界闪蒸罐207和热媒油热交换器209，可实现为大规模工业化生产供提供蒸汽。在工作过程中，虽然超临界闪蒸罐207内的熔盐加热体温度工作可达1600℃，热媒油热交换器209热媒油工作腔温度可达480℃，但应用本发明公开的二次加热升温设备，其加热体内无明火加热、处常压工作状态无高压，热交换效率高达95-99％，运行稳定。第四，在实际应用中，用热产业对所需工作需求温度℃具体数值，可按照图4所示的温度与压力关系曲线，找出对应的压力参数值Mpa后，在通过调节增压泵205、单向阀206的工作输出压力，便可得到相应的工作输出温度℃。有关不同温度区间的温度与压力变化曲线参数模型嵌入到本发明设施装备的控制系统CPU内，可自动完成运算控制调节的操作。第五，本超临界闪蒸罐207在升温加热原理是采用的热超临界闪蒸加热装置，可直接提供超临界状态的蒸汽，也可输出140-350℃饱和蒸汽输出给用热产业使用。
本发明的关键点和欲保护点是：
1、本发明公开一套利用地热自身能源对供热管道进行二次加热升温的设施装备，针对地热能综合开发与利用领域，不需要任何外来能源补充便可满足用热产业对不同热温度和用热类型的使用需求。由生产采出的热水蒸汽≧60℃，经本发明系统设备处理后，可分别输出2个不同的高温蒸汽输出和1个余热回收输出；或者任意1个高温输出和1个余热回收输出。该2个高温输出口的工作输出温度区间范围分别是：350-700℃II；120-350℃III；余热回输出的温度范围是：40-60℃IV。在正常工作运行过程不需要任何外部能源的补充，无碳排放，实现可再生清洁能源的分布式离网运行模式。
2、本发明所公开的超临界热超导闪蒸罐，其结构与工作原理，可为地下采出的热水热水或蒸汽温度60-200℃经升温加热后，为用热产业提供不同的高温蒸汽，甚至是超临界饱和蒸汽。闪蒸器109的工作温度范围在810-1465℃，选用熔盐为氯化钠作为热熔介质，在780-1550℃是，选用熔盐为氯化钙作为热熔介质。该不同的介质工作温区对于水，均属于超临界温度，水载体进入罐体内会被瞬间汽化为高温蒸汽或超临界蒸汽。根据高温蒸汽产业端的使用需求，通过调节增压泵205的输出压力，便可对罐体内经超临界升温后的蒸汽温度实施输出温度和压力的调控。本超临界闪蒸罐207在升温加热原理是采用的热超临界加热装置，可直接提供超临界状态的蒸汽输出，也可用于提供常规出蒸汽压力 140-350℃输出给用热产业使用。
3、本发明所公开的本热媒油热交换器209的工作原理是采用电加热热媒油的方式提供热源，其加热电源产生于本发明系统的自发电力。该原理的优点在于热媒油的内循环系统，可保持热交换管温度均匀，换热效率高，在正常工作温度下230-450℃不产生工作作内压，运行安全可靠。在对外输出的蒸汽温度值120-350℃III的工作全过程。根据高温蒸汽产业端的使用需求，通过调节增压泵208的输出压力，便可对罐体内经超临界升温后的蒸汽温度实施输出温度和压力的调控。
依据图4A及图4B所示的蒸汽温度与压力变化曲线，结合本发明系统装备，可精准按设定要求通过二次加热升温后输出所需的工作蒸汽温度与压力。有关不同温度区间的温度与压力变化曲线参数模型嵌入到本发明设施装备的控制系统CPU内，可自动完成运算控制调节的操作。按照本发明所描述的增压泵工作参数选择公式：
增压泵压力参数P＝罐体内工作压力P1-被加热蒸汽进口压力P2
可根据产业常用的用热参数和地下采出地热的温度与压力状况，选择合适的增压泵工作参数。
4、本发明所公开的是在热能综合应用中对产出热水或蒸汽的二次升温系统设施及装备，利用其自身热能进行工作的原理，在工作过程中的局部关键本设备如超临界闪蒸罐207，热媒油热交换器209等，以及关键参数即本发明公开的两种不同温区状态下温度与压力的变化曲线，都需要系统一致的完整配方下，方可达到预期效果。
其中本申请中申请的术语解释如下：
1、“分布式离网供给”：是指在能源供给领域里，可以不依赖与传统的公共电网或供热管网，能够独立运行，而不需要外来能源补充的能源运行模式。
2、“超临界闪蒸加热技术”：是对于被加热的介质而言，热源加热体温度在被加热介质的超临界温度温区内进行工作所采用的技术手段。当被加热介质接近加热体时，在未接触到加热体前，就已被大幅温差瞬间汽化从液态或微粒子固态直接变成气态。
3、“超临界饱和蒸汽”：水蒸气在22.1-25.4MPA，温度在374＝566℃环境下蒸汽状态，称为：超临界饱和蒸汽。
4、“绝对压力值”是指压力相对于真空状态下的压力值，通常压力仪器仪表搜显示的压力值均为绝对压力，便于获取统一数据进行控制。
Claims (9)
1.一种利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：包括将输入的地热水载体进行汽水分离的汽水分离器、将分离后的低温热水进行发电的发电机组、将分离后的蒸汽进行二次加热升温的二次升温装置，所述二次升温装置工作所需的电力由发电机组供给。
2.根据权利要求1所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述二次升温装置包括对高温蒸汽进行二次升温的超临界闪蒸罐或包括对中温蒸汽进行二次升温的热媒油交换器；
所述超临界闪蒸罐连接在汽水分离器顶部的高温蒸汽输出管上；所述超临界闪蒸罐包括中空的罐体，设置于罐体内腔顶部的罐体中芯，设置于罐体中芯顶部的闪蒸器；所述闪蒸器内置有电热丝和填设于电热丝周围的热熔盐，所述闪蒸器下方设置有高温蒸汽的输入口，该输入口为高温节省输出管的输出口；所述罐体的顶端设置有闪蒸蒸汽的输出口；
所述热媒油交换器连接在汽水分离器上部的中温蒸汽输出管上；所述热媒油交换器包括壳体，设置于壳体内的热交换组件，设置于壳体内并位于热交换组件前端的加热丝，设置于壳体一端使进入壳体内的热媒油首先流经加热丝、再流经热交换组件的热媒油循环入口、设置于壳体另一端使流经热交换组件的热媒油循环流出的热媒油循环出口，所述热交换组件设置有使中温蒸汽进入的输入口、使被加热的中温蒸汽流出的输出口；
所述电热丝和加热丝的电力由发电机组供给。
3.根据权利要求2所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述高温蒸汽输出管、中温蒸汽输出管上分别设置有增压泵和单向阀。
4.根据权利要求2所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述发电机组包括设置于汽水分离器底部使用汽水分离器分离后的热水间接加热发电的第一发电机组、设置于汽水分离器下端出口使用热水直接加热发电的第二发电机组；所述第一发电机组和第二发电机组并联后连接电控柜并由电控柜的出线分别连接超临界闪蒸罐的电热丝、热媒油交换器的加热丝为电热丝、加热丝提供工作电力。
5.根据权利要求4所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述第二发电机组连接有余热回收装置。
6.根据权利要求4所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述第一发电机组为单工质发电机或双工质发电机，所述第二发电机组为涡轮发电机或单闪发电机或双闪发电机。
7.根据权利要求2所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述热熔盐为氯化钠或氯化钙。
8.根据权利要求2所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述超临界闪蒸罐为立体罐体，所述罐体的底部中心设置有排污阀，罐体的底部周围设置有罐体支腿来支撑罐体，罐体的顶端设置有顶盖，所述顶盖设置有电加热接头且与闪蒸器内的电热丝连接。
9.根据权利要求2所述利用地热产出能源进行二次加热升温的设施装备，其特征在于：所述热媒油交换器为卧式，所述热交换组件包括换热管左端板、换热管右端板，设置于换热管左端板、换热管右端板内侧且上下错位布置的上折流板、下折流板，架设于换热管左端板之间的若干个换热管，所述热交换组件通过换热管左端板、换热管右端板架设于壳体中部；所述壳体一端内腔设置加热丝，壳体外端设置有电加热器端盖，电加热器端盖外设置电加热导线和壳体内腔的加热丝连接，所述壳体的另一端设置有端盖。
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