CN201858096U - 万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的是万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，它的吸热蒸发器安装在深度达万米的地热井的底部，主传热蒸汽管一端连接吸热蒸发器，一端连接蒸汽轮机，蒸汽轮机连接发电机，蒸汽轮机还通过排气管连接冷却器，与冷却器连接的回液管向下插入吸热蒸发器中，回液管上安装有循环泵，回液管插入吸热蒸发器中的部位安装有单向阀；主传热蒸汽管外有真空保温管，主传热蒸汽管位于地热井内的部分，其与真空保温管之间还有辅助重力热管，辅助重力热管是真空的，其下端的吸热段深入吸热蒸发器内或环绕在吸热蒸发器外，其内装有蒸发介质。本实用新型主传热蒸汽管在上万米的传热过程中，热力损失少，做功出力大，能够有效做功发电，为利用绿色环保型地热资源开辟了新的技术道路。

Description

万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置 

技术领域：本实用新型涉及的是将地表下3万多米深处蕴藏于干热岩石浆体中的巨大热能资源，通过单深井大口径重力真空热管循环管将地下高品位上千度的高温热能(地热能)远距离的传递至地面上再利用的装置，具体涉及的是万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置。 

背景技术：地球地表下3万多米的深度是以上千度高温形态存在的，主要是蕴藏在岩石浆体之中，而这一高温热能主要是来自地球中心部距离地面6300多公里6000多度原子核不断的衰变，所发生的热核反应通过传导、对流、辐射的形式传向地表散发至大气层太空宇宙之中负270多度的无限低温环境(依据热力学理论，热只能向冷的方向传导)，温差越大，转换的能量和功就越多，地热发电也是这样，井越深，所获取的温度值就越大，如何利用这一天然巨大的取之不尽的热能资源就是本实用新型的装置，要回答这一具有革命性的技术问题，就需要了解现有技术所存在的弊端和为什么不具有实际应用性。现有地热包括干热岩技术主要体现在以下几个方面，一是只能利用自然存在的天然裂缝挤出的温泉和气泉，因服务年限短热力资源分布少有局限性；二是地热井井深潜井管口径小，热通量能力低地热温度品位低，经济价值低，只局限于节能环节的应用范围；三是现有的干热岩石地热发电技术局限在2000～6000米岩层范围，层内段是低中温品位的热层，大多采取的是注水抽水双井循环方法使用的装置，此套装置资金投入大，热能损失大，做功出力少，会产生高温水结垢、失水率高、服务年限短的问题，而至今不能推广和使用；四是由于现有的钻井技术钻井费用居高不下，钻进深度有局限性，制约了获取超万米深度500～1500℃以上高品位热能的实现，正因获取这一地下高温热能的钻井技术还未出现，使众多的创新想法与方法望而却步。但本发明人发明了以高温高压空气为循环介质传递动能及热能喷射破岩的方法及技术设备使钻井口径可达1000毫米以上，堪称一场钻井技术的革命，他将以无钻杆、无钻头的方式，钻进深度可达 3万多米的钻井技术将展现在人们眼前，为大力开发地球深部万米以下的干热岩浆体中上千度巨大高品位热能资源奠定了技术保障。 

发明内容：本实用新型的目的是提供一种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，它克服了常规注水抽水双井循环方法使用的装置，资金投入大，热能损失大，做功出力少的问题。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：这种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，它的吸热蒸发器安装在深度达万米的地热井的底部，主传热蒸汽管一端连接吸热蒸发器，一端连接蒸汽轮机，蒸汽轮机连接发电机，蒸汽轮机还通过排气管连接冷却器，与冷却器连接的回液管向下插入吸热蒸发器中，回液管上安装有循环泵，回液管插入吸热蒸发器中的部位安装有单向阀；主传热蒸汽管外有真空保温管，主传热蒸汽管位于地热井内的部分，其与真空保温管之间还有辅助重力热管，辅助重力热管是真空的，其下端的吸热段深入吸热蒸发器内或环绕在吸热蒸发器外，其内装有蒸发介质。 

上述方案中的主传热蒸汽管上安装稳压罐，具体是稳压罐安装在地面与蒸汽轮机之间的传热管上。 

一种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，它的吸热蒸发器安装在深度达万米的地热井的底部，主传热蒸汽管一端连接吸热蒸发器，一端连接放热器，放热器插入地面上的储热蓄能罐中，储热蓄能罐连接蒸汽轮机，蒸汽轮机连接发电机，蒸汽轮机还通过排气管连接冷却器，与冷却器连接的回液管连接至储热蓄能罐；主传热蒸汽管外有真空保温管，主传热蒸汽管位于地热井内的部分，其与真空保温管之间还有辅助重力热管，辅助重力热管是真空的，其下端的吸热段深入吸热蒸发器内或环绕在吸热蒸发器外，其内装有蒸发介质。 

上述方案中吸热蒸发器内的蒸发介质占重力热管密闭空间环境的15％-20％左右，当主传热蒸汽管或辅助重力热管抽真空后再将上述的蒸发介质注入其中，吸热蒸发器是直径在200毫米至500毫米之间或者在500毫米以上、长度在500米至1000米之间或者在1000米以上的巨型大面积集热吸热传换器，是垂直于 地表的。 

上述方案中的真空保温管与地热井之间有隔温材料。 

上述方案中吸热蒸发器与地热井之间注入导热填充物，这样可以确保吸热蒸发器器壁的热传效率。 

上述方案中储热蓄能罐蒸汽温度控制在250-500℃之间，冷却器的面积设计为吸热蒸发器面积10倍以上，储热蓄能罐的面积也设计为吸热蒸发器面积10倍以上。 

有益效果： 

1、本实用新型主传热蒸汽管在上万米的传热过程中，首先要客服的是地心对其所形成的引力，再就是热力损失，辅助重力热管用以克服上述主传热蒸汽管传递过程中的不利因素，使其始终伴随着热能量的补充过程，使压力、温度、速度趋向于正压膨胀平衡态范围内再推动蒸汽轮机达到有效做功发电的目的；同时本实用新型无需外部动力只靠单井自身热力循环，降低了投入成本，使该实用新型的技术方法与装置具有了广泛的实际应用与推广价值。 

2、在本实用新型设计方案指导下，现已在大庆油田古龙1井这口6300米深井上实现(井底温度257℃)规模化设计，5500kw投资2000万元，它为万米百万级千瓦级地热干热岩发电技术提供了一项技术性实用性资料与经验，提供了可靠的保证。目前，本实用新型正处于保密实验中，实验正稳步进行。 

3、本实用新型中辅助重力热管环绕在真空保温管与主传热蒸汽管之间，一是阻隔了冷源潜入，防止其传导对流发生，二是对主传热蒸汽管中高速流动着的潜热蒸汽进行二次连续再加热，确保高温高压热能潜热气体高速冲向蒸汽轮机与多管多环放热器。 

附图说明：

图1是本实用新型实施例1的装置结构示意图； 

图2是图1中底部局部放大图； 

图3是本实用新型实施例2的装置结构示意图； 

图4是图3中底部局部放大图； 

图5是辅助重力热管工作原理图。 

1吸热蒸发器、2主传热蒸汽管、3放热器、4地热井、5储热蓄能罐、6真空保温管、7回液管、8单向阀、9辅助重力热管、10导热填充物、11排气管、12隔温材料、13蒸汽轮机、14发电机、15散热塔、16冷却器、17单向阀、18循环泵、19蒸发介质或水、20稳压罐、21抽真空阀组、22真空保温层 

具体实施方式：

结合附图对本实用新型做进一步说明： 

实施例1： 

图1是本实用新型实施例1的装置结构示意图，结合图2所示，这种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，它的吸热蒸发器1安装在深度达万米的地热井4的底部，吸热蒸发器1内充满蒸发介质或水19，吸热蒸发器1内的蒸发介质或水是热管密闭空间环境的15％-20％左右，吸热蒸发器1与地热井4之间填充导热填充物10，蒸发介质为低沸点介质；主传热蒸汽管2一端连接吸热蒸发器1，一端连接蒸汽轮机13，主传热蒸汽管2是吸热蒸发器1内产生的高压蒸汽高速冲向蒸汽轮机13的通道，为了保温或提供辅助伴热，保证高压蒸汽远距离运动到地面时仍能完成发电任务，主传热蒸汽管2外有真空保温管6，主传热蒸汽管2位于地热井4内的部分，其与真空保温管6之间还有辅助重力热管9，它们是远距离上万米的，辅助重力热管9是真空的，下端深入吸热蒸发器1三分之一处，上部至地表范围内即可，其内装有蒸发介质，真空保温管6上有抽真空阀，辅助重力热管9内的蒸发介质是其密闭空间环境的15％-20％左右，辅助重力热管9将主传热蒸汽管2包绕在其中，其内的蒸发介质吸收地热能产生的高温蒸汽，使主传热蒸汽管2在地热井4内的部分浸于高温环境中；蒸汽轮机13连接发电机14，蒸汽轮机13还通过排气管11连接冷却器16，与冷却器16连接的回液管7向下插入吸热蒸发器1中，回液管7上安装有循环泵18和单向阀17，回液管7插入吸热蒸发器1的一端也安装有单向阀8，此单向阀8可保证冷却后的液体流回吸热蒸发器1，而吸热蒸发器1中的液体不能流到回液管7中，循环泵18将冷却后的液体打回吸热蒸发器1中，地 面与蒸汽轮机13之间的主传热蒸汽管2上安装稳压罐20。吸热蒸发器1产生的高温蒸汽经主传热蒸汽管2，推动蒸汽轮机13带动发电机14发电，被冷却后通过循环泵18经回液管7打回吸热蒸发器1，往复循环。 

本实用新型为了克服地心引力及热力损失，采用主传热蒸汽管2外套置的辅助重力热管9的远距离伴热保温方法，使主传热蒸汽管2始终伴随着热能量的补充，保护主传热蒸汽管2内的高压蒸汽实现远距离传送并推动蒸汽轮机13做功发电。 

图5是辅助重力热管工作原理图，如图所示，辅助重力热管9中的液体介质吸收地热能后汽化，潜热蒸汽携带着高温热能在真空负压环境中的辅助重力热管9中升腾，使主传热蒸汽管2处于热浪的包围中，潜热蒸汽上升的过程中，真空保温管6首先起到了真空隔热作用，当仍有部分冷气流侵入时，也是与辅助重力热管9发生热交换，从而使主传热蒸汽管2得到有效的保护，达到有效减少主传热蒸汽管2远距离传输热能过程中的损失。当蒸汽在辅助重力热管9中升腾至地面并在管壁处冷凝形成液体时，它沿管壁在重力作用下流回底部，再次进行循环，此时可以伴热保温；当然也存在着辅助重力热管9中的蒸汽不凝结，始终以蒸汽形式存在的状态，此状态即可实现向主传热蒸汽管2补充热量。 

本实用新型井下部分装置的制备过程是：先钻一口大口径深井，将吸热蒸发器1、主传热蒸汽管2在地面预制加工后，分段依次通过管箍连接封焊打压顺至井底，辅助重力热管9、真空保温管6也是分段预制依次用管箍螺纹再焊的办法顺至井下，整体抽真空或压入工质或水，通过地面上的抽真空阀组21完成，主体材质主要采用耐高温抗腐蚀的材料预制。 

这种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置发电的方法，吸热蒸发器1吸收地下万米以下的500-1500℃或者1500℃以上的高温热能后，其内介质蒸发后产生高压蒸汽，高压蒸汽沿主传热蒸汽管2在辅助重力热管9中热浪的包绕下，高速上升至地面，推动地面上的蒸汽轮机13带动发电机14发电，发电后，气体进入散热塔15，在这里热气体经冷却器16散热后变为液体，当 然冷却器16也可以直接放入江河湖海中散热，冷凝后的液体通过循环泵18，泵入回液管7，液体在回液管7中在底部单向阀8配合下，长远距离形成重力液柱进入吸热蒸发器1中吸热进行二次循环，周而复始不需其他外部能源完成热能传递，将蕴藏于地下岩石浆体中来自地球中部巨大的对人类来说取之不尽的热推动蒸汽轮机13带动发电机14提供可持续干净清洁的能源、廉价的电能。 

实施例2： 

图3是本实用新型实施例2的装置结构示意图，结合图4所示，这种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电方法使用的装置，它包括地热井4、重力真空热管、储热蓄能罐5、蒸汽轮机13、发电机14、散热塔15，重力真空热管由吸热蒸发器1、主传热蒸汽管2、放热器3、真空保温管6构成，它是真空封闭的环境，吸热蒸发器1安装在深度达万米的地热井4的底部，吸热蒸发器1内的蒸发介质或水是热管密闭空间环境的15％-20％左右，吸热蒸发器1与地热井4之间填充导热填充物10，主传热蒸汽管2的一端连接吸热蒸发器1，另一端连接放热器3，主传热蒸汽管2是吸热蒸发器1产生的高温蒸汽高速冲向放热器3的通道，高温蒸汽在放热器3内放热后冷凝并经主传热蒸汽管2流回吸热蒸发器1，往复循环；主传热蒸汽管2外有真空保温管6，主传热蒸汽管2位于地热井3内的部分，其与真空保温管6之间还有辅助重力热管9，辅助重力热管9是真空的，下端深入吸热蒸发器1三分之一处，其内装有蒸发介质，真空保温管6上有抽真空阀；放热器3插入地面上的储热蓄能罐5中，储热蓄能罐5连接蒸汽轮机13，蒸汽轮机13连接发电机14，蒸汽轮机13还通过排气管11连接冷却器16，与冷却器16连接的回液管7连接至储热蓄能罐5。当通过储热蓄能罐5中的液体工质或水超出沸点时开始形成大量蒸汽，在罐中上部1/4处会不断聚集起高压蒸汽再通过上部的蒸汽口沿着蒸汽管通道进入并推动蒸汽轮机13运转带动发电机14发电。 

本实施例中主传热蒸汽管2及辅助重力热管9的作用与实施例1是相同的，它们确保高温蒸汽处于热浪的保护下冲向放热器3。 

本实施例中，放热器3为多环多管的，储热蓄能罐5为带有真空保温层22 的罐体，罐体上还有抽真空阀。 

本实用新型由于在设计中要充分的体现温差阶梯性储能原理，吸热蒸发器、储热蓄能罐选择不同的沸点是十分重要的。储热蓄能罐5起到蕴充、蓄能、稳压作用，放热器3是多管多环的，各环状管为同心的，从里到外依次排列，这样一圈凹一圈凸的设置，主要是起到增加换热面积降低其建设高度、减少投资成本的作用。 

依据设计要求，要想达到稳态平衡热力作用，根据地表以上的设备所需温度选择较适合的沸点工质既可。当达到稳态平衡温度时此密封阀系统自动停止工作，因没有任何低于此沸点的低温段冷热交换工作区域时，潜热气体始终是在高温气体状态，起到了解决隔温减少主传热热力损失的作用，反之起到补充热力能量的作用。 

这种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置发电的方法，吸热蒸发器1将地下深部的高温高品位上千度(500-1500℃或者1500℃以上)的高温热能吸收并汽化后，潜热蒸汽携带着高温热能在真空负压环境驱使作用下，沿着在辅助重力热管9中热浪包绕下的主传热蒸汽管2，高速冲向多管多环放热器3的环境中，通过多管多环放热器3器壁将蒸汽汽化潜热中高温热能传递给储热蓄能罐5中的低温液体工质或水中，放热器3内蒸汽放热后遇冷又变为液体，液体在重力的作用下沿着主传热蒸汽管2管壁又流回至吸热蒸发器1中进行二次吸热，蒸发再循环，周而复始的高速循环将地下高温热能连续不断的传递给储热蓄能罐5中低沸点工质或水中；当通过换热后储热蓄能罐5中的液体工质或水超出沸点时开始形成大量蒸汽，在罐中上部1/4处会不断聚集起高压蒸汽，高压蒸汽通过输气管去推动蒸汽轮机13运转带动发电机14发电，做功后的气体从蒸汽轮机13排出口通过排气管11至散热塔15中的冷却器16进行散热冷却，冷凝后的液体工质或水通过循环泵18压入储热蓄能罐5中进行再循环。 

从以上文字叙述中不难看出，本发明人是从创新与实验的角度总结了以往地热发电技术方法的局限性，为了确保垂直于地心上万米至十几万米传输膨胀 过程中的连续性，考虑到了这一过程中必然的热损和压降，虽然我们用现有知识认识到从高品位上千度的环境(干热岩石浆体)中获取的能量是由低处向高处冷环境爬升的，尽管是采取了真空隔温保温措施，温度压差之降，尤其是实施例1，虽然也是在真空负压措施条件下启动的，主传热蒸汽管2在上万米的传热过程中，首先要客服的是地心对其所形成的引力，再就是热力损失，在这一方案中辅助重力热管9的作用就体现出来了，它可以克服上述主传热管传递过程中的不利因素，使其始终伴随着热能量的补充过程，使压力、温度、速度趋向于正压膨胀平衡态范围内再推动蒸汽轮机达到有效做功发电的目的。这是一次具有革命性的技术组合，远距离辅助重力热管9装置实现了不仅仅是体现了创新性、创造性与实用性，而且最主要的体现了其应用性，它是上万米至十几万米从下到上传热万米单深井重力真空辅助热管循环干热管发电的方法及装置的重要组成部分(见图5)。在实施例2中辅助重力热管9也是体现了以上复述作用，本实用新型所具有的特性集中表现在吸热蒸发器1是直径在200毫米至500毫米之间或者在500毫米以上、长度在500米至1000米之间或者在1000米以上的巨型大面积集热吸热传换器，是垂直于地表的。由于超长的设计构想，打破了常规的思维和想象，尤其是本发明人对地球深部环境温度构成的了解及认识。例如地球巨大的高温热流，通过不良导体地壳慢慢的散发至大气层及宇宙无限的冷能环境中。如果这一实用新型是建立在宇宙观的观点上来理解。当热的能量大于冷的能量，热就是从热向冷的方向传导。如果当冷的能量大于热的能量，这时冷的能量就是向热的方向传导。不管是宇宙也好地球也好，不是本实用新型研究的课题，把吸热蒸发器1直径加大加长解决了获取地球深部热量慢温度梯度不均的问题。因为地表上所要利用的温度是一定的，是不变的，传换汽化潜热蒸汽温度控制在250-500℃之间既可。这样在万米以下的取热吸热蒸发器1取热吸热时，其装置横穿了每百米不同的温度层，温度场这样就变成能够储存蓄热自我调节的连续获取热能的使用装置了。 

由于主传热蒸汽管2及吸热蒸发器1的直径可加大了加长了，又是在真空负压空环境中，要克服或抵消地球引力场有可能在地面上设计大于吸热蒸发器 10倍以上的换热面积，促使其大于热环境的作用，使冷环境的冷能不断连续的传给了巨大的或快速流动的散热塔冷却器和江河湖海冷凝器中的工质，高温高压潜热工质蒸汽在抽真空环境里不断升腾上升。而冷凝后的液体又不断的在重力的作用下又不断的下降。它是一种区别于其它能源、地热能转换技术的一场能源革命。实施例2主要体现在装置没有回液管7，工质是在抽真空后负压环境中低处通过吸热蒸发器1将地下深部的高温高品位上千度(500-1500℃)以上的高温热能吸收，吸热蒸发器1内的液体工质或水(要根据不同深度或温度选择不同沸点的工质)是热管密闭空间环境的15％-20％左右，当主传热蒸汽管2或辅助重力热管9抽真空后再将工质注入其中，这样吸热蒸发器1蒸发后的潜热蒸汽携带着高温热能在真空负压环境驱使作用下高速冲向多管多环放热器3的环境中，换热后的冷凝液体又沿主传热蒸汽管2管壁流回至吸热蒸发器1的环境中进行二次吸热。 

Claims (8)

1.一种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：它的吸热蒸发器(1)安装在深度达万米的地热井(4)的底部，主传热蒸汽管(2)一端连接吸热蒸发器(1)，一端连接蒸汽轮机(13)，蒸汽轮机(13)连接发电机(14)，蒸汽轮机(13)还通过排气管(11)连接冷却器(16)，与冷却器(16)连接的回液管(7)向下插入吸热蒸发器(1)中，回液管(7)上安装有循环泵(18)，回液管(7)插入吸热蒸发器(1)中的部位安装有单向阀(8)；主传热蒸汽管(2)外有真空保温管(6)，主传热蒸汽管(2)位于地热井(4)内的部分，其与真空保温管(6)之间还有辅助重力热管(9)，辅助重力热管(9)是真空的，其下端的吸热段深入吸热蒸发器(1)内或环绕在吸热蒸发器(1)外，其内装有蒸发介质。

2.根据权利要求1所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的主传热蒸汽管(2)上安装稳压罐(20)，具体是稳压罐(20)安装在地面与蒸汽轮机(13)之间的主传热蒸汽管(2)上。

3.一种万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：它的吸热蒸发器(1)安装在深度达万米的地热井(4)的底部，主传热蒸汽管(2)一端连接吸热蒸发器(1)，一端连接放热器(3)，放热器(3)插入地面上的储热蓄能罐(5)中，储热蓄能罐(5)连接蒸汽轮机(13)，蒸汽轮机(13)连接发电机(14)，蒸汽轮机(13)还通过排气管(11)连接冷却器(16)，与冷却器(16)连接的回液管(7)连接至储热蓄能罐(5)；主传热蒸汽管(2)外有真空保温管(6)，主传热蒸汽管(2)位于地热井(4)内的部分，其与真空保温管(6)之间还有辅助重力热管(9)，辅助重力热管(9)是真空的，其下端的吸热段深入吸热蒸发器(1)内或环绕在吸热蒸发器(1)外，其内装有蒸发介质。

4.根据权利要求1或3所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的吸热蒸发器(1)内的蒸发介质占重力热管密闭空间环境的15％-20％，吸热蒸发器(1)是直径在200毫米至 500毫米之间或者在500毫米以上、长度在500米至1000米之间或者在1000米以上的巨型大面积集热吸热传换器。

5.根据权利要求4所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的吸热蒸发器(1)与地热井(4)之间填充导热填充物(10)。

6.根据权利要求5所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的真空保温管(6)与地热井(4)之间有隔温材料。

7.根据权利要求6所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的主传热蒸汽管(2)中蒸汽温度控制在250-500℃之间，冷却器(16)的面积设计为吸热蒸发器(1)面积10倍以上，储热蓄能罐(5)的面积也设计为吸热蒸发器(1)面积10倍以上。

8.根据权利要求4所述的万米单深井重力真空辅助热管循环干热岩发电装置，其特征在于：所述的辅助重力热管(9)内的蒸发介质占其密闭空间环境的15％-20％。 

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