CN115434843A - 热电联产的干热岩热利用系统 - Google Patents

热电联产的干热岩热利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热电联产的干热岩热利用系统，属于发电技术领域。其技术方案为：包括水过滤装置，水过滤装置的进水管连接有水池，出水口连接有虹吸管，进水管、虹吸管的进水端及出水端分别安装有电磁阀；虹吸管通过引水管连接有引水斗，引水管连接有排气管，引水管和排气管上安装有电磁阀；虹吸管伸入到竖井内且虹吸管的出水口下方沿竖井高度方向依次设置有多个水力发电机构，水力发电机构包括水轮发电机，水轮发电机的下方设置有落水斗，落水斗的出水口连接有落水管，水轮发电机通过电缆与输变电装置连接。本发明利用虹吸原理实现了干热岩采热与重力势能水力发电的耦合，整个生产过程无外接能源输入，无泵输送，可以实现零碳热电联产，大大降低了能耗。

Description

热电联产的干热岩热利用系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种热电联产的干热岩热利用系统。
背景技术
石化可移动能源一直在能源危机及环境污染中恶性循环，而普通的新能源如风电、光电、潮汐电都是极不稳定的能源形式。一种资源丰富而且能稳定输出的自然能源—干热岩的开发受到能源界的关注，我国干热岩资源丰富，储量巨大，现已经探明的干热岩资源为8.56亿万吨标煤的当量，按目前能耗消费量计算，利用这些干热岩资源能量足够我们自给自足4000年。干热岩是典型的可再生的清洁能源，因此干热岩将成为未来重要的资源之一。
水利势能发电是最安全环保的清洁可再生能源，也是一种稳定输出的能源，因此若能将干热岩热能及水利势能发电两者相结合以实现热能和电能的联产，则可大大降低能耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种热电联产的干热岩热利用系统，利用虹吸原理实现了干热岩采热与重力势能水力发电的耦合，整个生产过程无外接能源输入，无泵输送，可以实现零碳热电联产，大大降低了能耗。
本发明的技术方案为：
热电联产的干热岩热利用系统，包括水过滤装置，水过滤装置的进水管连接有水池，出水口连接有虹吸管，进水管、虹吸管的进水端及出水端分别安装有电磁阀；虹吸管通过引水管连接有引水斗，引水管连接有排气管，引水管和排气管上安装有电磁阀；虹吸管伸入到竖井内且虹吸管的出水口下方沿竖井高度方向依次设置有多个水力发电机构，水力发电机构包括水轮发电机，水轮发电机的下方设置有落水斗，落水斗的出水口连接有落水管，水轮发电机通过电缆与输变电装置连接；最下端的落水斗的出水口连接有介质管，介质管穿过竖井的底部伸入到下方的干热岩竖井内，竖井与干热岩竖井的相接处设置有井堵；干热岩竖井内，介质管上设置有若干个喷嘴或喷孔，干热岩竖井侧面连通有蒸汽斜井，蒸汽斜井的蒸汽出口伸出地面并连接有蒸汽管，蒸汽管通过蒸汽出管连接有用热装置，蒸汽出管上安装有电磁阀；用热装置的冷凝水通过冷凝水排出管与贮水罐连接，虹吸管通过循环管与贮水罐连接，冷凝水排出管与循环管上安装有电磁阀。
优选地，所述干热岩竖井侧面连通有多个蒸汽斜井。
优选地，所述蒸汽管连接有排空管，排空管上安装有蒸汽排空阀。
优选地，所述干热岩竖井底部连通有多个水平井。
优选地，所述贮水罐和蒸汽管的外部设置有第一保温层。
优选地，所述第一保温层采用二氧化硅气凝胶制成。
优选地，所述井堵的上下表面复合有保温绝热层。
优选地，所述井堵的上表面的保温绝热层采用PU泡沫复合板，井堵下表面的保温绝热层采用绝热气凝胶制成。
优选地，所述循环管外部设置有第二保温层。
优选地，所述第二保温层采用PU材质制成。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明的热电联产的干热岩热利用系统利用虹吸原理实现了干热岩采热与重力势能水力发电的耦合，整个生产过程无外接能源输入，无泵输送，可以实现零碳热电联产，大大降低了能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明的结构示意图。
图2是本发明的竖井、干热岩竖井及蒸汽斜井的结构示意图。
图中，1、水过滤装置；2、进水管；3、水池；4、虹吸管；5、电磁阀；6、引水管；7、引水斗；8、排气管；9、竖井；10、水轮发电机；11、落水斗；12、落水管；13、电缆；14、输变电装置；15、介质管；16、干热岩竖井；17、井堵；18、喷嘴；19、蒸汽斜井；20、蒸汽管；21、蒸汽出管；22、用热装置；23、冷凝水排出管；24、贮水罐；25、循环管；26、排空管；27、蒸汽排空阀；28、水平井。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明提供了一种热电联产的干热岩热利用系统，包括水过滤装置1，水过滤装置1的进水管2连接有水池3，出水口连接有虹吸管4，进水管2、虹吸管4的进水端及出水端分别安装有电磁阀5。水过滤装置1对水池3中的水源进行过滤净化，可以采用阴阳离子树脂、电子超声波等设备，属于现有技术中较为成熟的装置，其具体结构不再赘述。水过滤装置1的处理量根据干热岩竖井16采热区的蒸发量而定，如采用多层钢网和石英沙与陶粒过滤的物理过滤后，再经超声波复合过滤器，处理流量为25000T/h；采用阴阳离子树脂结合活性碳、分子筛等吸附材料过滤的过滤器，净化流量为15000T/h。
虹吸管4通过引水管6连接有引水斗7，引水管6连接有排气管8，引水管6和排气管8上安装有电磁阀5。引水斗7、引水管6和排气管8组成的引水机构的作用主要是在关闭虹吸管4出水端电磁阀5的前提下，将虹吸管4、水过滤装置1，直至水池3的所有装置、管线内都灌满引水，排出其中的空气，以为后续的虹吸做准备。引水斗7的位置高于所有相关装置的位置。引水斗7的材质可采用工程塑料、金属等，规格为DN1500，高度3000mm；引水管6可采用DN76的SUS304管。
虹吸管4伸入到竖井9内且虹吸管4的出水口下方沿竖井9高度方向依次设置有多个水力发电机构，水力发电机构包括水轮发电机10，水轮发电机10的下方设置有落水斗11，落水斗11的出水口连接有落水管12，水轮发电机10通过电缆13与输变电装置14连接；最下端的落水斗11的出水口连接有介质管15，介质管15穿过竖井9的底部伸入到下方的干热岩竖井16内，竖井9与干热岩竖井16的相接处设置有井堵17；干热岩竖井16内，介质管15上设置有若干个喷嘴18或喷孔，干热岩竖井16侧面连通有多个蒸汽斜井19，蒸汽斜井19的蒸汽出口伸出地面并连接有蒸汽管20，蒸汽管20连接有排空管26，排空管26上安装有蒸汽排空阀27；蒸汽管20通过蒸汽出管21连接有用热装置22，蒸汽出管21上安装有电磁阀5；用热装置22的冷凝水通过冷凝水排出管23与贮水罐24连接，虹吸管4通过循环管25与贮水罐24连接，循环管25外部设置有第二保温层，第二保温层可采用PU材质制成；冷凝水排出管23与循环管25上安装有电磁阀5。
水轮发电机10是本发明的产生电能的设备，在竖井9内上下方向可以安装多台水轮发电机10。由于水轮发电机10在竖井9内安装，因此受到井径的制约，可以选择水头高、流量小、设备细长型的水轮发电机10，如竖井9贯流式水轮机、轴流式水轮机、灯泡式水轮机、水斗式水轮机等。设计竖井9井深1000m，井径1000mm，可安装四台水轮发电机10，型号为轴流式水轮机水头200m，功率为90kw，发电总功率360kw，日产电量8640kwh。设计竖井9井深1200m，井径1200mm，可安装三台竖井9贯流式水轮机和一台水斗式水轮机，装机功率分别是75kw、200kw，总功率425kw，每天可发电量10200kwh。
干热岩竖井16底部连通有多个分叉的水平井28，水平井28内的介质管15上加工喷孔。介质管15规格为DN200，材质为SUS 316，水平井28内的介质管15规格为DN120，材质SUS316。介质管15上的喷嘴18为碳化硅材质和不锈钢材质，干热岩竖井16上部的喷嘴18为不锈钢材质SUS 310 S，流量200kg/h，安装密度为每8米一个；，干热岩竖井16下部的喷嘴18为碳化硅材质，流量为220kg/h，安装密度为每5米一个；水平井28内介质管15上的喷孔，流量250kg/h，安装密度为每3米一个。介质管15的连接可以是螺接，也可以是卡头连接，弯头部分可以是金属波纹管连接，也可以是碳纤维高强柔性管连接。
井堵17是隔断竖井9与干热岩竖井16的围护体，由于干热岩竖井16内的温度较高及蒸汽压力较大，除高强度材料封堵外，另外在井堵17的上下表面复合有保温绝热层，如在上表面复合有250mm厚的PU泡沫复合板，在井堵17下表面复合有100mm厚的绝热气凝胶。井堵17可采用50mm厚的SUS 304不锈钢板，φ800×50或φ700×50，或者采用500mm厚的混凝土。
竖井9与干热岩竖井16属一井结构，竖井9为井的上段一开井，干热岩竖井16为井的下段二开井，中间通过井堵17隔为两个空间，竖井9为开放性空间，干热岩竖井16与蒸汽斜井19、蒸汽管20为一个密闭空间。
竖井9和干热岩竖井16的井径、井深取决于干热岩资源地理位置的地下矿的温度和设计产生的热量。
某地干热岩梯度60℃/km，设计干热岩竖井16井径500mm、深度5500m，井底部温度330℃，竖井9的井径1000mm、井深1000m。干热岩竖井16底部的水平井28有两个，长度均为400m，水平井28总长度800m。蒸气斜井与干热岩竖井16交叉在1100m处，井径为400mm。
某干热岩资源丰富地区，干热岩梯度80℃/km，设计干热岩竖井16井径600mm、深度5000m，井底温度400℃，竖井9井深800m，井径1200mm。干热岩竖井16底部有三个分叉的水平井28，井径500mm、长度500m，水平井28总长度1500m。蒸汽斜井19有两眼，分别在干热岩竖井16900m处和950m处与之交叉，井径400mm，在干热岩竖井16和水平井28采热区建立EGS储能区。
蒸汽管20安装在蒸汽斜井19的井口部分，为密封连接；蒸汽管20的上部安装有排空阀，以备在设备检修中使用；蒸汽管20的外层有第一保温层，以防造成散热损失；蒸汽管20是蒸汽斜井19中上来的高温蒸汽与用热装置22之间的传输管线。蒸汽管20可采用DN300的SUS304管，外包80mm厚的二氧化硅气凝胶层。
用热装置22所用蒸汽可以是工业用蒸汽、汽轮机发电用蒸汽、设备建筑暖通用蒸汽等，用热装置22可根据蒸汽的温度、压力、体积而设计功率。
贮水罐24是将用热装置22工作后产生的冷凝水收集贮存，也可以作为虹吸管4虹吸的水源。作为虹吸管4水源时，贮水罐24由于受到虹吸力的负压作用，如虹吸管4的水头高度为300m，即受到3Mpa的负压力，贮水罐24可以是30000m2的拱顶罐，材质为碳钢，壁厚80mm，罐内环氧涂层防腐，罐外设置50mm厚的PU阻燃泡沫绝热材料保温。此外，由于冷凝水有较高的温度，可以用换热器二次利用这部分热量后再虹吸入竖井9内，将热能“吃干榨尽”。
1、操作方法：
（1）关闭水过滤装置1的进水管2上的电磁阀5；关闭虹吸管4出水端的电磁阀5，打开进水端的电磁阀5；打开引水管6、排气管8上的电磁阀5。
（2）在引水斗7内加灌淡水，使装置和管路内气体通过排气管8排空，水斗里的水位不再下降，关闭引水管6上的电磁阀5。
（3）打开水过滤装置1的进水管2上的电磁阀5以及虹吸管4出水端电磁阀5。
2、工作原理
经过上述操作后，当虹吸管4内的水从出水口流出后，受虹吸力的作用，虹吸管4会自动将水从水池3抽入到水过滤装置1中进行过滤净化。过滤后的水流入到虹吸管4中并由虹吸管4出水口落入到下方的水轮发电机10上，利用水的重力势能驱动水轮发电机10工作。随后水向下落入落水斗11中，并通过落水管12落入到下一级的水轮发电机10上，驱动下一级水轮发电机10工作，如此可以驱动多级水轮发电机10发电工作，最终落入最下端的落水斗11中的水通过介质管15穿过井堵17进入干热岩竖井16。介质管15一直延伸至干热岩竖井16的底部，如果干热岩竖井16底部设置水平井28，则介质管15延伸到水平井28内。进入干热岩竖井16采热区的相应介质管15上安装有喷嘴18或喷孔（一般干热岩竖井16安装喷嘴18，水平井28安装喷孔），将介质水喷射至采热区换热，水相变为蒸汽，在热力上行和蒸汽膨胀压力的驱动下，沿着蒸汽斜井19上升至地面上的蒸汽管20中，最终进入用热装置22（用热装置22可以是热发电场、工业用热、食品加工、蒸汽烘干、建筑用热等装置）。经用热装置22换热后蒸汽相变为冷凝水，通过冷凝水排出管23排入贮水罐24中。
此外，本发明的热电联产中有两个循环路线，即启动时，采用引水机构实现的引水蓄水循环，使贮水罐24中达到蒸发循环贮水量后，转入另一循环路线，即正常工作循环路线，关闭虹吸管4进水端的电磁阀5，打开循环管25上的电磁阀5，将贮水罐24中贮存的水作为水源进行循环。当正常工作循环路线中的水产生水耗后，可以适当启动引水蓄水循环路线，虹吸管4可从水池3中吸水以进行补水，以满足工作循环蒸发量用水。
在上述热电联产过程中，实现了通过水轮发电机10发电和干热岩竖井16产热的无碳联产，无外接能源消耗，环保友好，安全稳定输出，这是在所有的自然新能源中极少的存在。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，包括水过滤装置（1），水过滤装置（1）的进水管（2）连接有水池（3），出水口连接有虹吸管（4），进水管（2）、虹吸管（4）的进水端及出水端分别安装有电磁阀（5）；虹吸管（4）通过引水管（6）连接有引水斗（7），引水管（6）连接有排气管（8），引水管（6）和排气管（8）上安装有电磁阀（5）；虹吸管（4）伸入到竖井（9）内且虹吸管（4）的出水口下方沿竖井（9）高度方向依次设置有多个水力发电机构，水力发电机构包括水轮发电机（10），水轮发电机（10）的下方设置有落水斗（11），落水斗（11）的出水口连接有落水管（12），水轮发电机（10）通过电缆（13）与输变电装置（14）连接；最下端的落水斗（11）的出水口连接有介质管（15），介质管（15）穿过竖井（9）的底部伸入到下方的干热岩竖井（16）内，竖井（9）与干热岩竖井（16）的相接处设置有井堵（17）；干热岩竖井（16）内，介质管（15）上设置有若干个喷嘴（18）或喷孔，干热岩竖井（16）侧面连通有蒸汽斜井（19），蒸汽斜井（19）的蒸汽出口伸出地面并连接有蒸汽管（20），蒸汽管（20）通过蒸汽出管（21）连接有用热装置（22），蒸汽出管（21）上安装有电磁阀（5）；用热装置（22）的冷凝水通过冷凝水排出管（23）与贮水罐（24）连接，虹吸管（4）通过循环管（25）与贮水罐（24）连接，冷凝水排出管（23）与循环管（25）上安装有电磁阀（5）。
2.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述干热岩竖井（16）侧面连通有多个蒸汽斜井（19）。
3.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述蒸汽管（20）连接有排空管（26），排空管（26）上安装有蒸汽排空阀（27）。
4.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述干热岩竖井（16）底部连通有多个水平井（28）。
5.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述贮水罐（24）和蒸汽管（20）的外部设置有第一保温层。
6.如权利要求5所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述第一保温层采用二氧化硅气凝胶制成。
7.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述井堵（17）的上下表面复合有保温绝热层。
8.如权利要求7所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述井堵（17）的上表面的保温绝热层采用PU泡沫复合板，井堵（17）下表面的保温绝热层采用绝热气凝胶制成。
9.如权利要求1所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述循环管（25）外部设置有第二保温层。
10.如权利要求9所述的热电联产的干热岩热利用系统，其特征在于，所述第二保温层采用PU材质制成。
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