CN112984847A - 一种水热型地热综合利用系统及能量分配管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超长重力热管的水热型地热综合利用系统及能量分配管控方法，该系统通过将超长热管管体蒸发段内插于地下热水开采井内，形成地热水开采及超长热管采热循环。地热水流动不断向超长热管蒸发段提供热量，温度下降至适宜温度后输运至温泉洗浴设施。超长热管管体向地面热利用装置输送高温蒸汽，结合蒸汽调节阀等部件实现稳定控制开采地热进行发电/供热/制冷等环节的能流占比，进而实现稳定可靠的热力循环。本发明充分利用了超长热管采热和温泉洗浴热利用的优势，可以规避传统的水热直采热利用模式对温泉旅游的社会经济效益的损害，实现地热水的高效综合开采模式。

Description

一种水热型地热综合利用系统及能量分配管控方法

技术领域

本发明涉及地热能开发及利用领域，具体涉及一种水热型地热综合利用系统及能量分配管控方法。

背景技术

水热型地热能是以蒸气及液态水为主的地热资源，主要蕴含在天然出露的温泉和通过人工钻井直接开采利用的地热流体中，是目前地热勘探开发的主体。水热型地热资源的在我国东南沿海及川滇藏地区分布面广、数量多、热水量丰富，但大部分单个地热田规模较小，温度为中(90-150℃)低温、且以低温为主，开采深度总体比较浅，多数在千米之内，个别一千五到三千米。水热型地热资源埋藏浅、开发难度低，开发利用经济效益好，但开采和利用技术较为粗犷和落后。目前水热型地热的利用方式是粗犷型抽水洗浴为主，部分地热条件好的水热型地热采用抽取地下热水或蒸汽进行热利用。其中，温泉洗浴等商业利用模式，经济效益好，具有广泛的社会认可度，但温泉洗浴本身用热量不大，对于温度高于60℃的地热水通常需要进行降温处理，造成了地热资源，尤其是温度较高的地热资源的浪费。另一方面，采用取水供热的利用模式，不可避免地带来地热水的持续开采以及尾水的随意排放问题，不但会造成地下水位下降，还可引发严重的热污染、化学污染等环境问题。当前，地热供热/制冷/发电方面需求巨大，利用水热型地热资源进行高效的综合利用是未来的必然发展方向。

热管利用管内工质的在热端和冷端的相变及流动，可以将热量迅速地从高温段传输到低温段。热管具有较高的传热率、优良的等温性等特征，是目前最有效的传热设备之一。专利ZL201710343194.9及ZL201910328413.5等公开了可进行中深部地热开采的超长重力热管，突破了积液、气液卷携等瓶颈，实现热管内的传热稳定性和高效性，但由于管外为低导热的地下岩体，管外热阻较大程度限制了该热管采热系统性能。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明实施例提供了一种水热型地热综合利用系统及能量分配管控方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种水热型地热综合利用系统，包括地热水开采组件、热管组件和地面热利用装置；

所述热管组件包括热管管体，所述热管管体用于插入水热型地热热储的地热水生产井内，热管管体外壁面与地热水生产井内壁面形成间隙，为地热水的流道；所述热管管体内设置有工质，热管管体的工质出口端和地面热利用装置的工质入口端相连通，地面热利用装置的工质出口端和热管管体的工质入口端相连通，以使得工质在热管管体和地面热利用装置之间循环流动；

所述地热水开采组件包括增压泵，地热水在增压水泵作用下，流过热管管体外壁面与地热水生产井内壁面形成的间隙并与热管管体换热，之后抽取至地面，输送至地热水用水装置，剩余的地热水进行回收利用。

优选地，所述热管组件还包括蒸汽调节阀和液体回流调节阀；所述蒸汽调节阀连接在热管管体的工质出口端和地面热利用装置的工质入口端之间；所述液体回流调节阀连接在地面热利用装置的工质出口端和热管管体的工质入口端之间。

优选地，所述热管组件还包括工质储液罐，工质储液罐连接在地面热利用装置的工质出口端和液体回流调节阀的入口端之间。

优选地，所述地热水用水装置为温泉洗浴设施。

优选地，所述地热水开采组件还包括温泉流量调节阀，所述温泉流量调节阀连接在增压泵的出水口和温泉洗浴设施的进水口之间。

优选地，所述地热水开采组件还包括过回灌调节阀，剩余的地热水经过回灌调节阀后回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。

优选地，所述地面热利用装置为地热发电装置、直接供热装置、热泵装置、吸收式制冷装置或梯级热利用装置。

优选地，所述直接供热装置包括冷凝器以及和冷凝器相对的用热建筑。

优选地，所述工质包括水、液氨、二氧化碳、乙醇、丙酮、有机工质或无机工质；所述热管管体外壁为光滑壁面或增加强化换热元件，热管管体内为光管或含内结构的套管或含芯吸层的套管。

第二方面，本发明实施例提供了一种水热型地热综合利用系统的能量分配管控方法，所述系统上述的系统，所述方法包括：

根据温泉洗浴设施的需求温度和流量以及地面热利用装置的供热设计热量，计算热管管体的合理运行温度和蒸汽流量以及地热水采出的合理流量和温度；

关闭回灌调节阀，调节温泉水流量调节阀，使得温泉洗浴设施用地热水的流量，使其与计算量匹配；

调节蒸汽调节阀的开度，通过控制蒸汽流量，调节热管管体工作温度，随着热管蒸汽的采出，地热水生产井的地热水出水温度会逐渐下降，通过控制蒸汽流量使地热水出水温度逐渐稳定在需求的温泉水温度；

温泉水流量和温度以及热管的运行温度调节至稳定后，如果温泉水需要进行进一步的流量调节，则通过回灌调节阀进行调整，把多余的地热水回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本系统通过过抽取地热水用于温泉洗浴时，地热井内温泉水的强制对流，加热热管管体，使其内部流体的高效蒸发，进而实现稳定可靠的热管热力循环，从而同时实现地热水温泉洗浴式商业利用和超长热管采热供热/冷/电的高效热利用模式。

附图说明

图1为实施例中采用的基于超长重力热管的水热型地热综合利用系统示意图；

附图标记说明：1、水热型地热热储；2、地热水生产井；3、地热水、4、热管管体；5、工质；6、蒸汽流量调节阀；7、地面热利用装置；7-1、冷凝器；7-2、用热建筑；8、工质储液罐；9、液体回流调节阀；10、增压泵；11、温泉流量调节阀；12、温泉洗浴设施；13、回灌流量调节阀。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说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的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所示，本实施例提供的水热型地热综合利用系统，用于开采水热型地热并进行温泉洗浴和直接供热利用，包括地热水开采组件、热管组件和地面热利用装置7；

其中，该热管组件包括热管管体4，该热管管体4用于插入水热型地热热储1的地热水生产井2内，热管管体4外壁面与地热水生产2井内壁面形成间隙，为地热水3的流道；该热管管体4内设置有工质5，热管管体4的工质出口端和地面热利用装置7的工质入口端相连通，地面热利用装置7的工质出口端和热管管体4的工质入口端相连通，以使得工质在热管管体4和地面热利用装置7之间循环流动。

该地热水开采组件包括增压泵10，地热水3在增压水泵10作用下，流过热管管体4外壁面与地热水生产井2内壁面形成的间隙并与热管管体4换热，之后抽取至地面，输送至温泉洗浴设施12，剩余的地热水进行回收利用。

由此可见，本系统通过过抽取地热水用于温泉洗浴时，地热井内温泉水的强制对流，加热热管管体，使其内部流体的高效蒸发，进而实现稳定可靠的热管热力循环，从而同时实现地热水温泉洗浴式商业利用和超长热管采热供热/冷/电的高效热利用模式。

作为本实施例的一种优选，该热管组件还包括蒸汽调节阀6和液体回流调节阀9；该蒸汽调节阀6连接在热管管体4的工质出口端和地面热利用装置7的工质入口端之间；该液体回流调节阀9连接在地面热利用装置7的工质出口端和热管管体4的工质入口端之间。该蒸汽调节阀6用于调节热管管体4蒸汽压力，进而改变蒸汽上升速率，该液体回流调节阀9用于控制热管管体4底部水头，从而控制热管管4体内工质5循环流量并实现地热能量的分配。

此外，该热管组件还包括工质储液罐8，工质储液罐8连接在地面热利用装置7的工质出口端和液体回流调节阀9的入口端之间。也就是说，该热管管体4顶部依次连接蒸汽调节阀6、地面热利用装置7、工质储液罐5、液体回流调节阀9、热管管体4顶部，管内循环工质5在热管管体4内获取热量后汽化，并由蒸汽流量调节阀6输送至地面热利用装置7，放热液化后进入工质储液罐5，经液体回流调节阀9进入热管管体4，回流至热管管体4内部，重新获取热量并再次汽化。具体地，该热管管体4内循环工质5包括但不限于水、液氨、二氧化碳、乙醇、丙酮、有机工质或无机工质；该热管管体4外壁可以是光滑壁面，也可以增加翅片等强化换热元件，该热管管体4内可为光管、含内结构的套管、含芯吸层的套管

作为本实施例的另一种优选，该地热水开采组件还包括温泉流量调节阀11，该温泉流量调节阀11连接在增压泵10的出水口和温泉洗浴设施12的进水口之间，由温泉流量调节阀11调节输送流量。

此外，该地热水开采组件还包括过回灌调节阀13，剩余的地热水经过回灌调节阀13后回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。也就是说，水热型地热热储1、地热水生产井2、地热水3、增压泵10、温泉流量调节阀11、温泉洗浴设置12、回灌流量调节阀13依次相连，组成地热水循环回路；

具体地，上述地面热利用装置为地热发电装置、直接供热装置、热泵装置、吸收式制冷装置或梯级热利用装置。在本实施中，该地面热利用装置7为直接供热装置，包括冷凝器7-1以及和冷凝器7-1相对的用热建筑7-2。也就是说，超长热管管体4依次连接蒸汽调节阀6、地面热利用装置7中的冷凝器7-1、工质储液罐8、液体回流调节阀9，并再次连入热管管体4内，形成闭环回路，热管管体4大部分插入地热水生产井2内，与地热水生产井2的壁面形成地热水流通间隙。

本系统运行时，地热水在增压泵10作用下由水热型地热热储1中经由地热水生产井2，并在地热水生产井2与热管管体4的外壁形成的间隙中流动，与热管管体4进行换热后采出至地面，并经过温泉流量调节阀11，进入温泉洗浴设施12，剩余的地热水经回灌调节阀13回灌回地热热储1内。地热水流过超长热管管体4与生产井2间隙时向超长热管管体传递热量，使热管管内循环工质5在获取热量后汽化由从热管管体4的顶部出口经蒸汽调节阀6输送至冷凝器7-1，冷凝放热后的液体经过工质储液罐8和液体流量调节阀9回流至超长热管管体4内，并与地热水生产井2内的地热水进行换热再次汽化。

相应地，本实施例还提供了基于上述的水热型地热综合利用系统的能量分配管控方法，具体包括如下步骤：

1)根据温泉洗浴设施12的需求温度和流量以及用热建筑7-2的供热设计热量，计算超长热管的合理运行温度和蒸汽流量以及地热水采出的合理流量和温度；

2)关闭回灌调节阀13，调节温泉水流量调节阀11，使得温泉洗浴设施用地热水的流量，使其与计算量匹配；

3)调节蒸汽调节阀6的开度，通过控制蒸汽流量，调节超长热管工作温度，随着热管蒸汽的采出，地热水生产井2的地热水出水温度会逐渐下降，通过控制蒸汽流量可以使地热水出水温度逐渐稳定在需求的温泉水温度；

4)温泉水流量和温度以及热管的运行温度调节至稳定后，如果温泉水需要进行进一步的流量调节，可通过回灌调节阀14进行微调，把多余的地热水回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下技术优势：

(1)借助超长热管管体的等温特性，地热井内地热水温度在上升过程中更均匀稳定，降低碳酸盐等组分析出问题，避免地热井结垢，保证温泉水长期稳定的开采运行。此外，该温度还可根据温泉洗浴设施的需求，通过超长热管冷凝温度进行调节，无需对温度较高的地热水进行降温处理，实现地热水地热资源利用的高效合理能量分配。

(2)单井重力热管(取热)组件通过工质相变将热能储存在工质潜热中，热管具有较高均温性，因此热管管体能够在采热过程中维持更高的传热温差，进而可以更充分地利用地下水的对流效应来强化热管吸热段的取热过程，从而大幅提升单井采热系统的采热量。通过热管组件直接产生用于发电或供热的高温蒸汽，无需地面闪蒸系统及换热器等设备，从而简化了地面热利用装置，且管内循环工质无结垢和腐蚀效应，有助于热利用设备的长期稳定运行。

(3)本发明系统中，超长热管管体取热但不取水，温泉取水但量较少。两者相辅相成，不仅可以深挖温泉水深处的地热能，实现从浅层地热水到中深层地热能的综合开采模式，还可以规避传统的水热直采热利用模式对温泉旅游的社会经济效益的损害。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种水热型地热综合利用系统，其特征在，包括地热水开采组件、热管组件和地面热利用装置；

所述热管组件包括热管管体，所述热管管体用于插入水热型地热热储的地热水生产井内，热管管体外壁面与地热水生产井内壁面形成间隙，为地热水的流道；所述热管管体内设置有工质，热管管体的工质出口端和地面热利用装置的工质入口端相连通，地面热利用装置的工质出口端和热管管体的工质入口端相连通，以使得工质在热管管体和地面热利用装置之间循环流动；

所述地热水开采组件包括增压泵，地热水在增压水泵作用下，流过热管管体外壁面与地热水生产井内壁面形成的间隙并与热管管体换热，之后抽取至地面，输送至地热水用水装置，剩余的地热水进行回收利用。

2.如权利要求1所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述热管组件还包括蒸汽调节阀和液体回流调节阀；所述蒸汽调节阀连接在热管管体的工质出口端和地面热利用装置的工质入口端之间；所述液体回流调节阀连接在地面热利用装置的工质出口端和热管管体的工质入口端之间。

3.如权利要求2所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述热管组件还包括工质储液罐，工质储液罐连接在地面热利用装置的工质出口端和液体回流调节阀的入口端之间。

4.如权利要求2所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述地热水用水装置为温泉洗浴设施。

5.如权利要求4所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述地热水开采组件还包括温泉流量调节阀，所述温泉流量调节阀连接在增压泵的出水口和温泉洗浴设施的进水口之间。

6.如权利要求5所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述地热水开采组件还包括过回灌调节阀，剩余的地热水经过回灌调节阀后回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。

7.如权利要求1所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述地面热利用装置为地热发电装置、直接供热装置、热泵装置、吸收式制冷装置或梯级热利用装置。

8.如权利要求1所述的水热型地热综合利用系统，其特征在，所述工质包括水、液氨、二氧化碳、乙醇、丙酮、有机工质或无机工质；所述热管管体外壁为光滑壁面或增加强化换热元件，热管管体内为光管或含内结构的套管或含芯吸层的套管。

9.一种水热型地热综合利用系统的能量分配管控方法，所述系统为权利要求6所述的系统，其特征在于，所述方法包括：

根据温泉洗浴设施的需求温度和流量以及地面热利用装置的供热设计热量，计算热管管体的合理运行温度和蒸汽流量以及地热水采出的合理流量和温度；

关闭回灌调节阀，调节增压泵以及温泉水流量调节阀，使得温泉洗浴设施用地热水的流量，使其与计算量匹配；

调节蒸汽调节阀的开度，通过控制蒸汽流量，调节热管管体工作温度，随着热管蒸汽的采出，地热水生产井的地热水出水温度会逐渐下降，通过控制蒸汽流量使地热水出水温度逐渐稳定在需求的温泉水温度；

温泉水流量和温度以及热管的运行温度调节至稳定后，如果温泉水需要进行进一步的流量调节，则通过回灌调节阀进行调整，把多余的地热水回灌至地下热储或进行并入供暖系统进行热利用。

Images