CN115822899A - 一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，包括开凿在地层内的地热井，在所述地热井上形成有热循环单元和电能单元，其中：热循环单元，该热循环单元的进出端与所述地热井形成循环线路，而在热循环单元上还具有至少一条热交换线路，该热交换线路与终端用能建筑相连，所述热循环单元包括用于将透平，该透平与地热井的环空处通过管道相连；电能单元，包括安装在透平的输出部上的发电机；本发明利用超临界二氧化碳作为循环工质，在井下换热器中提取地层热量，气化后的二氧化碳推动汽轮机发电，并将发电后的二氧化碳余热通过冷凝器提取进行供暖利用，该系统可以充分提取地层中的热量，并实现了电/热联供，起到了环保和节能的作用。

Description

一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统

技术领域

本发明属于地热发电/供暖、储能技术领域，具体涉及一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统。

背景技术

作为一种可再生的清洁能源，国内地热能的开发利用受制于资源分布不均(高温少、中低温多)、回灌等技术瓶颈所限，导致目前直接利用占比较大，仅在我国北方地区冬季清洁供暖和缓解大气污染上发挥了重要作用。但据研究，中深层水热型地热系统的开发已经在国内多地造成了地下水位的快速下降，这种情况在华北地区尤为显著，持续下去必然会引发沉降漏斗形成、地表差异沉降等地质灾害；目前中深层地热能开发利用已经开始从传统的直接开发地下水向“取热不取水”的方向发展，“取热不取水”的一种实现形式为井下循环换热，该方式在从地层中提取热量的同时不开发地下水资源，通过井下换热的方式弥补了水热型地热系统的一些劣势和不足。

目前井下换热技术的换热介质以水为主，这种换热方式的换热能力有限，并且换热循环需要较大电力消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，利用二氧化碳作为循环介质，以解决上述背景技术中提出的井下换热技术的换热介质以水为主，并且需要较大电力消耗的问题，同时使热储层、热储层内的超临界流体发生相应的压力场变化、温度场变化、化学场变化，热储层内引发渗流，实现热储层中热传导之外的热对流交换。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，包括开凿在地层内的地热井，在所述地热井上形成有热循环单元和电能单元，其中：

热循环单元，该热循环单元的进出端与所述地热井形成循环线路，而在热循环单元上还具有至少一条热交换线路，该热交换线路与终端用能建筑相连，所述热循环单元包括用于将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的透平，该透平与地热井的环空处通过管道相连；

电能单元，包括安装在透平的输出部上的发电机。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述地热井的内部设置有井下换热器。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述热循环单元包括安装在所述透平的气体出口端上的压缩泵，所述压缩泵的输出口上安装有冷凝器，所述冷凝器的输出端上安装有压缩机相连，所述压缩机的输出端安装有连续油管，该连续油管回流至地热井内；所述冷凝器输出端通过管道连接有电动压缩式热泵，在冷凝器的进气端与电动压缩式热泵之间还安装有循环泵一，所述电动压缩式热泵的输出端安装有循环泵二。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述循环线路包括地热井、透平、压缩泵、冷凝器、压缩机形成的一次循环线路，以及冷凝器、电动压缩式热泵、循环泵一形成的二次循环线路。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述热交换线路由所述冷凝器、电动压缩式热泵、循环泵二构成。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述电动压缩式热泵的表面开设有腔槽，在腔槽的内侧设置有防护网，在腔槽的内壁处固定有安装柱，所述安装柱与防护网贯穿连接，在安装柱的表面还设有用于将防护网限位的限位组件。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述安装柱的顶部开设有放置孔，所述限位组件放置在放置孔的内部，该限位组件包括鼓簧，所述鼓簧的表面形成有朝向外部隆起的弧形结构，所述安装柱的表面开设有侧槽，所述安装柱的内部还旋入有限位螺栓，所述限位螺栓与鼓簧贯穿连接。

作为本发明中一种优选的技术方案，所述防护网的表面开设有卡槽，每两个对称的卡槽之间安装有防护筋，多个防护筋呈交错状分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用超临界二氧化碳作为循环工质，在井下换热器中提取地层热量，气化后的二氧化碳推动汽轮机发电，并将发电后的二氧化碳余热通过冷凝器提取进行供暖利用，本发明利用超临界二氧化碳作为循环工质，在井下换热器中提取地层热量，气化后的二氧化碳推动汽轮机发电，并将发电后的二氧化碳余热通过冷凝器提取进行供暖利用，同时使热储层、热储层内的超临界流体发生相应的压力场变化、温度场变化、化学场变化，热储层内引发渗流，实现热储层中热传导之外的热对流交换，该系统可以充分提取地层中的热量，并实现了电/热联供，起到了环保和节能的作用。

该系统可以充分提取地层中的热量，并实现了电/热联供，起到了环保和节能的作用。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明电动压缩式热泵的结构示意图；

图3为本发明防护网与电动压缩式热泵的安装处剖视图；

图4为本发明鼓簧的安装剖视图；

图5为本发明防护网的组成图。

图中：1、地热井；2、井下换热器；3、透平；4、发电机；5、压缩泵；6、冷凝器；7、压缩机；8、电动压缩式热泵；82、防护网；821、卡槽；822、防护筋；83、安装柱；831、放置孔；832、侧槽；84、鼓簧；85、限位螺栓；9、循环泵一；10、循环泵二。

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。

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，包括开凿在地层A内的地热井1，该地热井1为封闭式完井与地层A内不产生物质交换，在地热井1上形成有热循环单元和电能单元，地质条件不同，涉及的温度和能量就不同，同时地面设备就会发生调整，地层温度大于150℃可能发电+供暖才有效益，低于150℃可能只用于供暖，本发明核心通过该系统使得井下热交换效率得到提高，同时功耗降低，系统cop得以提高，而应用场景更为宽泛，且自然介质零污染，该系统由位于井筒内的复合连续管缆和位于地面的换热存储系统组成，实验系统仅仅用于验证测试复合连续管换热CO₂相变提取地热能的能力及参数，其中：

热循环单元，该热循环单元的进出端与地热井1形成循环线路，而在热循环单元上还具有至少一条热交换线路，该热交换线路与终端用能建筑C相连，热循环单元包括用于将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的透平3，该透平3与地热井1的环空处通过管道相连；

电能单元，包括安装在透平3的输出部上并通过旋转带动的发电机4，从地热井1环空内释放稳压变化后的二氧化碳气体至透平3，透平3带动发电机4发电，电力通过线路可外输电网B为终端用能建筑C供电，二氧化亚碳作为自然介质重新回归热能循环，特别是空调领域是人类生存环境需要保护的必然，但是对其布雷顿循环(BraytonCycle)过程控制所需的设备研制和系统集成还是极具挑战性的，本发明提出这样的系统思路，希望能有助于各专业齐心协力，尽快使二氧化碳作为自然介质在热能循环中得以广泛应用，为实现“碳达峰、碳中和”，应对全球气候变化做出应有贡献。

本实施例中，地热井1的内部设置有井下换热器2，其中井下换热器2居中置于地热井1内，超临界二氧化碳通过井下换热器2进入地热井1内，并通过地热井1的井壁与地层A充分换热，利用连续油管制造技术，经过改造研制出耐高温、高压、耐腐蚀的井下交换器，且满足丛式井和水平井的使用，该井下换热器2不仅可以满足二氧化碳亚临界和跨临界循环，也可加载光纤、保温材料、传感器、节流等设备一体化制造，超临界CO2既有超临界流体的一般特性，也有其独特的特点：密度接近液体，大于气体2个数量级；传热效率高，做功能力强；黏性接近气体，较液体小2个数量级；流动性强，易于扩散，系统循环损耗小；临界温度和压力较低，容易达到超临界状态，便于工程应用；较常用的惰性气体超临界流体密度大、压缩性好，系统设备结构紧凑、体积小；腐蚀性小于水蒸汽；作为自然介质，无毒、不燃、稳定，对臭氧层无破坏，且廉价易得，从井内返出的高温CO₂气体经过散热后，进入压缩机，再利用环境温度散热后进入膨胀机制冷；当不需要进行压缩时，则在压缩机前引出旁路直接到膨胀机前，经膨胀机制冷；制冷后的LCO₂进入储罐；最后经过LCO₂泵增压，泵入井内。

本实施例中，热循环单元包括安装在透平3的气体出口端上的压缩泵5，压缩泵5的输出口上安装有冷凝器6，冷凝器6的输出端上安装有压缩机7相连，压缩泵5将二氧化碳气体泵入冷凝器6降温至略高于31.1℃，冷凝后的二氧化碳从冷凝器6的出口排出经过压缩机7达到超临界状态并进入井下换热器2继续换热循环，压缩机7的输出端安装有连续油管，该连续油管回流至地热井1内；冷凝器6输出端通过管道连接有电动压缩式热泵8，在冷凝器6的进气端与电动压缩式热泵8之间还安装有循环泵一9，冷凝器6与电动压缩式热泵8的一次循环相连，通过循环泵一9带动流体从冷凝器6中吸热，通过热泵8将二次循环的水温提高到用热温度，并由循环泵二10送至终端用能建筑C，电动压缩式热泵8的输出端安装有循环泵二10。

本实施例中，循环线路包括地热井1、透平3、压缩泵5、冷凝器6、压缩机7形成的一次循环线路，以及冷凝器6、电动压缩式热泵8、循环泵一9形成的二次循环线路，其中热交换线路由冷凝器6、电动压缩式热泵8、循环泵二10构成，利用该原理和循环系统的应用，还不限于其它场景应用范围。比如用于光伏、光热、风能的储能，通过储能实现平峰填谷、多能互补可能是极具潜力的应用场景；再比如干热岩地热能的开发也同样是未来可期的应用场景；再有二氧化亚碳本身又是制冷剂，该系统适当调整可以在供暖的基础上同时制冷、或单独制冷。

本实施例中，电动压缩式热泵8的表面开设有腔槽，在腔槽的内侧设置有防护网82，在腔槽的内壁处固定有安装柱83，安装柱83与防护网82贯穿连接，在安装柱83的表面还设有用于将防护网82限位的限位组件，安装柱83的顶部开设有放置孔831，限位组件放置在放置孔831的内部，该限位组件包括鼓簧84，鼓簧84的表面形成有朝向外部隆起的弧形结构，用于对防护网82的位置进行限位，避免后期出现松动的现象，后期对防护网82的分离中，也只需要将防护网82向外侧拉动，即可实现快速分离以及后期检修的目的，安装柱83的表面开设有大于鼓簧84凸出部分的侧槽832，安装柱83的内部还旋入有限位螺栓85，在安装中，先将鼓簧84放在放置孔831的内部，随后将限位螺栓85贯穿鼓簧84后与放置孔831内部螺纹连接，以此完成对鼓簧84的安装限位，限位螺栓85与鼓簧84贯穿连接，防护网82的表面开设有卡槽821，每两个对称的卡槽821之间安装有防护筋822，多个防护筋822呈交错状分布，以此实现防护功能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例(详见上述详尽的描述)，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：包括开凿在地层内的地热井(1)，在所述地热井(1)上形成有热循环单元和电能单元，其中：

热循环单元，该热循环单元的进出端与所述地热井(1)形成循环线路，而在热循环单元上还具有至少一条热交换线路，该热交换线路与终端用能建筑相连，所述热循环单元包括用于将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的透平(3)，该透平(3)与地热井(1)的环空处通过管道相连；

电能单元，包括安装在透平(3)的输出部上的发电机(4)。

2.根据权利要求1所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述地热井(1)的内部设置有井下换热器(2)。

3.根据权利要求1所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述热循环单元包括安装在所述透平(3)的气体出口端上的压缩泵(5)，所述压缩泵(5)的输出口上安装有冷凝器(6)，所述冷凝器(6)的输出端上安装有压缩机(7)相连，所述压缩机(7)的输出端安装有连续油管，该连续油管回流至地热井(1)内；所述冷凝器(6)输出端通过管道连接有电动压缩式热泵(8)，在冷凝器(6)的进气端与电动压缩式热泵(8)之间还安装有循环泵一(9)，所述电动压缩式热泵(8)的输出端安装有循环泵二(10)。

4.根据权利要求3所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述循环线路包括地热井(1)、透平(3)、压缩泵(5)、冷凝器(6)、压缩机(7)形成的一次循环线路，以及冷凝器(6)、电动压缩式热泵(8)、循环泵一(9)形成的二次循环线路。

5.根据权利要求1所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述热交换线路由所述冷凝器(6)、电动压缩式热泵(8)、循环泵二(10)构成。

6.根据权利要求1所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述电动压缩式热泵(8)的表面开设有腔槽，在腔槽的内侧设置有防护网(82)，在腔槽的内壁处固定有安装柱(83)，所述安装柱(83)与防护网(82)贯穿连接，在安装柱(83)的表面还设有用于将防护网(82)限位的限位组件。

7.根据权利要求6所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述安装柱(83)的顶部开设有放置孔(831)，所述限位组件放置在放置孔(831)的内部，该限位组件包括鼓簧(84)，所述鼓簧(84)的表面形成有朝向外部隆起的弧形结构，所述安装柱(83)的表面开设有侧槽(832)，所述安装柱(83)的内部还旋入有限位螺栓(85)，所述限位螺栓(85)与鼓簧(84)贯穿连接。

8.根据权利要求6所述的一种利用自然介质进行地热能开发和利用的系统，其特征在于：所述防护网(82)的表面开设有卡槽(821)，每两个对称的卡槽(821)之间安装有防护筋(822)，多个防护筋(822)呈交错状分布。

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