CN115059594A

CN115059594A - 一种深地空间水、电及制冷多联供系统

Info

Publication number: CN115059594A
Application number: CN202210792108.3A
Authority: CN
Inventors: 查吕应; 张鏖; 张瀚月; 党俊虎; 沈俊; 黄帅; 刘亚姣; 雷永辉; 李志勇; 赵宇; 王勉
Original assignee: National Academy of Defense Engineering of PLA Academy of Military Science
Current assignee: National Academy of Defense Engineering of PLA Academy of Military Science
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: CN115059594B

Abstract

本发明提出一种深地空间水、电及制冷多联供系统，包括第一热交换器、凝气式汽轮机、发电机、地源热泵、第一储热水罐、第二储热水罐、电源切换装置和地热生产井，所述的第一热交换器设置在地热生产井内，第一热交换器通过介质循环管道连接凝气式汽轮机，凝气式汽轮机的汽轮机驱动发电机发电，凝气式汽轮机的凝气器其排气端口通过第一板式热交换器将热量置换至第一储热水罐。本发明提供的多联供系统涵盖了水、电、制冷等多种能源供应，在能源梯级利用的前提下，提高了可再生能源地热能的利用率；在一定期限内，可不依靠外部能源输入，只依靠地下空间内部的地热能及备用发电机实现较长时间的自我运行；同时，本系统结构合理，运转高效节能。

Description

一种深地空间水、电及制冷多联供系统

技术领域

本发明涉及地下工程，尤其涉及地下工程的供给保障技术，具体是一种深地空间水、电及制冷多联供系统。

背景技术

深地空间（地下深度≥500m）具有极强的封闭性、潮湿性、细菌聚集性、岩体释放有毒有害物质的长期性等特征。在深地空间营造的深地下工程，远离城市、封闭，缺乏城市市政附属配套的保障，存在水、电、制冷等功能需求。而这些水、电设施及制冷设备的布设安装，在深地空间中，存在安全要求严格、场地空间受限、污染物外运不便等客观限制条件，对其内部人员的基本生存条件构成重要影响，严重威胁内部人员的身体健康、生命安全。

大部分深地空间的可再生能源十分丰富，比如地热能，地热能大部分来自地球深处的可再生性热能，是地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入地壳后的多重作用，把热量从地下深处带到近表层。地热能是一种清洁可再生能源，在我国地热资源开发中，经过多年的技术积累，地热能可用于发电、制冷、供暖、发展温室农业和温泉旅游等。

目前，国内大部分深地工程采用传统的电力、天然气等单独、割裂式能源供应体系，这种体系中各种能源有明显的供应界面、相互协调性不足，为了保障供应安全，能源整体冗余难以避免，能源利用的整体效率低下；同时区域内的地热能等再生能源造成浪费严重，而在外部电源、水源切断的紧急状态下，空间内用水、用电不能得到有效保障。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种深地空间水、电及制冷多联供系统，本系统利用地热能构建，采用能源综合梯级利用原理，可实现不同热力系统的合理匹配与组合，并且本系统能显著提高地热能的利用率，局部具有自循环功能，整体具有运行高效节能的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种深地空间水、电及制冷多联供系统，包括第一热交换器、凝气式汽轮机、发电机、地源热泵、第一储热水罐、第二储热水罐、电源切换装置和地热生产井，所述的第一热交换器设置在地热生产井内，第一热交换器通过介质循环管道连接凝气式汽轮机，凝气式汽轮机的汽轮机驱动发电机发电，凝气式汽轮机的凝气器其排气端口通过第一板式热交换器将热量置换至第一储热水罐；

所述第一储热水罐连接有第二板式热交换器，所述第二板式热交换器通过第二返流管将第一储热水罐多余的热量返还至地热生产井；所述的第一储热水罐设有第一接口，第一接口连接外部水源；所述第一储热水罐连接有生活热水管网，所述生活热水管网用于向地下空间提供生活热水；生活热水管网包括排水管路，所述排水管路连接有废水回收处理装置；

所述的发电机其电力输出端连接有储能装置，所述储能装置连接电源切换装置的输入端，电源切换装置的输入端还分别连接有备用发电机和外部电源，备用发电机用于外部电源故障后冗余；电源切换装置的输出端分别连接地源热泵的电源、第一储热水罐的电源和地下空间电网；

所述的地源热泵其换热器也设置在地热生产井内，所述地源热泵仅具有冷量输出端，其冷量输出端通过循环管道向深地下空间提供制冷，制冷产生的热量通过地源热泵的换热器返回至地热生产井；所述的循环管道还连接有第三板式热交换器，第三板式热交换器连接第二储热水罐，第二储热水罐也连接生活热水管网。

所述的废水回收处理装置由地下空间电网供电，废水回收处理装置通过回收管路将处理后的废水返回至生活热水管网。

所述的第一储热水罐还具有第二接口和第三接口，第二接口通过供水管路连接生活热水管网的输入端口，第三接口通过回流管路连接生活热水管网的回流端口。

所述的第一板式热交换器、第二板式热交换器均内置于第一储热水罐内部；所述的第三板式热交换器内置于第二储热水罐的内部，第二储热水罐由地下空间电网供电。

所述的凝气式汽轮机其凝气器的排气端口连接第一板式热交换器的介质输入端口，第一板式热交换器的介质输出端口通过第一返流管连接有第二热交换器，第二热交换器位于地热生产井内；所述的第一返流管中部还连接有抽气器；所述的凝气式汽轮机其凝气器的排液端口连接废水回收处理装置。

所述的第二返流管连接有第三热交换器，所述第三热交换器也位于地热生产井内。

所述的储能装置为磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组通过逆变器连接电源切换装置。

所述的备用发电机为柴油发电机或汽油发电机。

本发明的原理：

正常时，首先以外部电源为供电电源，汽轮机发电机储备电能并提供生活热水；当储能装置的电量充满后，电源切换装置切换至汽轮机发电机供电，储能装置释放电能至地下空间电网；储能装置的电量释放后，切换电源为外部电源；地源热泵在制冷的同时也提供生活热水,提高地热能的利用率；备用发电机作为外部电源的故障后后冗余；

当外部电源临时切断，首先以备用发电机为供电电源，汽轮机发电机正常运行，可延长供电时间；汽轮机发电、地源热泵同时提供生活热水，保障用水；

当外部电源长时间切断，深地空间关闭非必要电器，仅保留照明、通讯等必要用电，此时以汽轮机发电机为主要供电电源，备用发电机作为汽轮机发电机的故障后冗余；汽轮机发电、地源热泵同时提供生活热水；

当外部水源供应切断时，由于生活热水管网连接有废水回收处理装置，可将用过的水分类处理后反复使用，同时还可选择关闭地源热泵，将第二储热水罐中的水补充至生活热水管网，从而建立地下空间内部生活用热水的一个自循环，尽可能的利用现有水资源延长空间内部的用水时间。

本发明的有益效果：

本发明提供的多联供系统是深地下工程的重要组成部分，涵盖了水、电、制冷等多种能源供应，在能源梯级利用的前提下，提高了可再生能源地热能的利用率；本系统在能源的消费侧集成供能，提供深地工程内部的供水、制冷、供电，在一定期限内，可不依靠外部能源输入，只依靠地下空间内部的地热能及备用发电机实现较长时间的自我运行；同时，本系统结构合理，运转高效节能，正常情况下，热水的供热来源有两处，因此，可有效保证热水供应。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为本发明中第一储热水罐的管路连接示意图。

图中，1、第一储热水罐，2、第二储热水罐,31、汽轮机,32、凝气器，4、发电机，5、地源热泵,6、第一热交换器，7、电源切换装置，8、地热生产井，9、地下空间电网，10、外部水源，11、第一板式热交换器，12、第二板式热交换器，13、生活热水管网，14、废水回收处理装置，15、储能装置，16、备用发电机，17、外部电源，21、第一返流管，22、第二返流管，23、抽气器，51、循环管道，53、第三板式热交换器，61、介质循环管道，62、第二热交换器，63、第三热交换器，62、101、第一接口，102、第二接口，103、第三接口,111、介质输入端口，112、介质输出端口，121、供水管路，131、排水管路，132、回收管路,133、回流管路。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明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作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。

如图1、图2所示，一种深地空间水、电及制冷多联供系统，包括第一热交换器6、凝气式汽轮机、发电机4、地源热泵5、第一储热水罐1、第二储热水罐2、电源切换装置7和地热生产井8，所述的第一热交换器6设置在地热生产井8内，第一热交换器6通过介质循环管道61连接凝气式汽轮机，凝气式汽轮机的汽轮机31驱动发电机4发电，凝气式汽轮机的凝气器32其排气端口通过第一板式热交换器11将热量置换至第一储热水罐1；具体的，本发明的发电类型为蒸汽发电，发出的电能可满足地下空间各种用电需求，发电未利用的水蒸气与余热可以继续重复利用，为地下空间提供生活热水；

在本发明的一个实施例中，所述第一储热水罐1连接有第二板式热交换器12，所述第二板式热交换器12通过第二返流管22将第一储热水罐1多余的热量返还至地热生产井8，具体的，当第一储热水罐1的水温过高时，开启第二板式热交换器12；所述的第一储热水罐1设有第一接口101，第一接口101连接外部水源10；所述第一储热水罐1还具有第二接口102和第三接口103，第二接口102通过供水管路121连接生活热水管网13的输入端口，第三接口103通过回流管路133连接生活热水管网13的回流端口；生活热水管网13与第一储热水罐1之间为循环管路，用不完的水返回第一储热水罐1重复加热利用；所述生活热水管网13用于向地下空间提供生活热水；生活热水管网13包括排水管路131，所述排水管路131连接有废水回收处理装置14；

所述的发电机4其电力输出端连接有储能装置15，所述储能装置15连接电源切换装置7的输入端，电源切换装置7的输入端还分别连接有备用发电机16和外部电源17，备用发电机16用于外部电源17故障后冗余；电源切换装置7的输出端分别连接地源热泵5的电源、第一储热水罐1的电源和地下空间电网9；

所述的地源热泵5其换热器也设置在地热生产井8内，所述地源热泵5仅具有冷量输出端，其冷量输出端通过循环管道51向深地下空间提供制冷，制冷产生的热量通过地源热泵5的换热器返回至地热生产井8；所述的循环管道51还连接有第三板式热交换器53，第三板式热交换器53连接第二储热水罐2，第二储热水罐2也连接生活热水管网13。具体的，本发明利用了地源热泵技术，地源热泵是利用地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种，热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备，地源热泵能转移地下水中的热量或者冷量的到需要的地方；在本发明的中，由于深地空间始终为湿热高温环境，因此，仅选取地源热泵的制冷功能，制冷产生的热量一部分返回至地热生产井8，一部分通过换热器加热第二储热水罐2的水，为深地空间提供第二热水源；地源热泵的特点：高效节能，稳定可靠，维护费用低，使用寿命长。

所述的废水回收处理装置14由地下空间电网9供电，废水回收处理装置14通过回收管路132将处理后的废水返回至生活热水管网13。具体的，废水回收处理装置14与生活热水管网13之间也是一种循环管路，在外部水源10切断时可保障一定时间的用水。

如图2所示，所述的第一板式热交换器11、第二板式热交换器12均内置于第一储热水罐1内部；所述的第三板式热交换器53内置于第二储热水罐2的内部，第二储热水罐2由地下空间电网9供电。具体的，第一板式热交换器11、第二板式热交换器12与第一储热水罐1为一体化结构，第三板式热交换器53与第二储热水罐2为一体化结构，便于换热、效率高；在本发明中，第一板式热交换器11、第二板式热交换器12与第一储热水罐1的用电均通过第一储热水罐1的电源提供；第三板式热交换器53的用电通过第二储热水罐2的电源提供。

所述的凝气式汽轮机其凝气器32的排气端口连接第一板式热交换器11的介质输入端口111，第一板式热交换器11的介质输出端口112通过第一返流管21连接有第二热交换器62，第二热交换器62位于地热生产井8内；所述的第一返流管21中部还连接有抽气器23；所述的凝气式汽轮机其凝气器32的排液端口连接废水回收处理装置14。这样的结构，是以凝汽器32排出的蒸汽作为第一板式热交换器11的换热介质，当蒸汽从第一板式热交换器11的介质输出端口112排出时，如温度较高，则关闭抽气器23，将蒸汽引入第二热交换器62，使多余热量返回地热生产井8，当管路压力过大，则开启抽气器23，排出气体。

所述的第二返流管22连接有第三热交换器63，所述第三热交换器63也位于地热生产井8内。

所述的储能装置15为磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组通过逆变器连接电源切换装置7。在本发明的一个实施例中，储能装置15采用磷酸铁锂电池，该类电池较铅酸电池寿命更长，铅酸电池寿命约在300~500次，而磷酸铁锂电池的循环寿命约在3000次以上；储能装置15在充满电后通过电源切换装置7放电，逆变器是为了保证输出电压满足用电要求。

所述的备用发电机16为柴油发电机或汽油发电机。

具体的，本发明利用地热能发电提供储备电能并提供热水，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能，地热能发电一般不需要燃料，发电成本上多数情况下都比水电、火电、核电要低，设备的利用时间长，投资费用低，且不受季节变换影响，发电稳定，能够在一定限度内保障深地空间内部用电的需求；

发电未利用的水蒸气与余热可以继续重复利用，经过第一板式热交换器11与预先储存在第一储热水罐1中的冷水经过换热，从而升高第一储热水罐1中的水温，升温后的热水可满足深地下工程内部人员的生活用热水；而流经第一板式热交换器11后多余的余热可回收至地热生产井；

当外部水源供应面临切断时，生活热水管网连接的废水回收处理装置将用过的水分类处理后反复使用，同时关闭地源热泵，将第二储热水罐中的水补充至生活热水管网，从而建立地下空间内部生活用热水的一个自循环，尽可能的利用现有水资源延长空间内部的用水时间；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims

1.一种深地空间水、电及制冷多联供系统，包括第一热交换器（6）、凝气式汽轮机、发电机（4）、地源热泵（5）、第一储热水罐（1）、第二储热水罐（2）、电源切换装置（7）和地热生产井（8），其特征是：

所述的第一热交换器（6）设置在地热生产井（8）内，第一热交换器（6）通过介质循环管道（61）连接凝气式汽轮机，凝气式汽轮机的汽轮机（31）驱动发电机（4）发电，凝气式汽轮机的凝气器（32）其排气端口通过第一板式热交换器（11）将热量置换至第一储热水罐（1）；

所述第一储热水罐（1）连接有第二板式热交换器（12），所述第二板式热交换器（12）通过第二返流管（22）将第一储热水罐（1）多余的热量返还至地热生产井（8）；所述的第一储热水罐（1）设有第一接口（101），第一接口（101）连接外部水源（10）；所述第一储热水罐（1）连接有生活热水管网（13），所述生活热水管网（13）用于向地下空间提供生活热水；生活热水管网（13）包括排水管路（131），所述排水管路（131）连接有废水回收处理装置（14）；

所述的发电机（4）其电力输出端连接有储能装置（15），所述储能装置（15）连接电源切换装置（7）的输入端，电源切换装置（7）的输入端还分别连接有备用发电机（16）和外部电源（17），备用发电机（16）用于外部电源（17）的故障后冗余；电源切换装置（7）的输出端分别连接地源热泵（5）的电源、第一储热水罐（1）的电源和地下空间电网（9）；

所述的地源热泵（5）其换热器也设置在地热生产井（8）内，所述地源热泵（5）仅具有冷量输出端，其冷量输出端通过循环管道（51）向深地下空间提供制冷，制冷产生的热量通过地源热泵（5）的换热器返回至地热生产井（8）；所述的循环管道（51）还连接有第三板式热交换器（53），第三板式热交换器（53）连接第二储热水罐（2），第二储热水罐（2）也连接生活热水管网（13）；

所述的废水回收处理装置（14）由地下空间电网（9）供电，废水回收处理装置（14）通过回收管路（132）将处理后的废水返回至生活热水管网（13）。

2.根据权利要求1所述的一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的第一储热水罐（1）还具有第二接口（102）和第三接口（103）.，第二接口（102）通过供水管路（121）连接生活热水管网（13）的输入端口，第三接口（103）通过回流管路（133）连接生活热水管网（13）的回流端口。

3.根据权利要求1所述的一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的第一板式热交换器（11）、第二板式热交换器（12）均内置于第一储热水罐（1）内部；所述的第三板式热交换器（53）内置于第二储热水罐（2）的内部，第二储热水罐（2）由地下空间电网（9）供电。

4.根据权利要求1所述的一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的凝气式汽轮机其凝气器（32）的排气端口连接第一板式热交换器（11）的介质输入端口（111），第一板式热交换（11）的介质输出端口（112）通过第一返流管（21）连接有第二热交换器（62），第二热交换器（62）位于地热生产井（8）内；所述的第一返流管（21）中部还连接有抽气器（23）；所述的凝气式汽轮机其凝气器（32）的排液端口连接废水回收处理装置（14）。

5.根据权利要求1所述的一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的第二返流管（22）连接有第三热交换器（63），所述第三热交换器（63）也位于地热生产井（8）内。

6.根据权利要求1所述的一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的储能装置（15）为磷酸铁锂电池组，所述磷酸铁锂电池组通过逆变器连接电源切换装置（7）。

7.根据权利要求1一种深地空间水、电及制冷多联供系统，其特征是：所述的备用发电机（16）为柴油发电机或汽油发电机。