CN207963217U - 一种提取干热岩地热能内翅换热结构 - Google Patents

Abstract

一种提取干热岩地热能内翅换热结构，属于干热岩地能利用领域，解决干热岩中地热能提取率低、地下换热流体易流失、破坏地质结构所带来的未知灾害，该内翅换热结构包括干热岩换热系统、监控系统、地热能梯级利用系统，干热岩换热系统中通过导热优良的包覆层与强化换热内翅管提高对蕴藏在干热岩层中地热能的提取效率；采用同轴封闭式结构设计，环保无污染；监控系统控制调节抽气温度、流量及回液温度、流量并方便及时解决有机工质泄露问题；地热能梯级利用系统中有机工质提取干热岩中地热能供汽轮机发电，并利用发电后有机工质中低品位热能加热供暖水以满足供暖用户的需求，实现地热能的梯级利用。

Description

一种提取干热岩地热能内翅换热结构

技术领域

本实用新型涉及干热岩地能利用领域，具体涉及一种提取干热岩地热能内翅换热结构。

背景技术

干热岩是指地层深处(深埋超过2000m)普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体，赋存状态有蒸汽型、热水型、地压型、岩浆型的地热资源，可循环利用、节能环保，储量丰富可满足人类长期使用需要。

目前开发干热岩资源的模式主要有三种：人工裂缝、天然裂缝、天然裂缝‐断层，三者原理上都是从地表往干热岩中打一眼注入井,封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水,产生了非常高的压力。这些高压水会使岩体大致垂直最小地应力的方向产生许多裂缝，若岩体中本来就有少量天然节理,这些高压水会直接扩充出更大的裂缝，最后通过干热岩中的裂缝作为热源提取地热热能。但采用裂缝提取地热的方式会改变深层地质结构，未来可能发生不可预测的灾害，并且注水管与抽水管间距太大(200m～600m)导致占地面积大，占地利用率低，但最终的问题还是干热岩渗透率低、孔隙率低等特性造成地热利用率低，地下换热流体流失率高。

发明内容

为了解决干热岩地热提取效率低，地下换热流体流失率高及造成地下污染、地质改变等技术难题，本实用新型提供一种提取干热岩地热能内翅换热结构。

本实用新型通过以下技术方案予以实现。

一种提取干热岩地热能内翅换热结构，包括干热岩换热系统1、监控系统2和地热能梯级利用系统3；所述干热岩换热系统1包括地热井11，置于地热井11中的换热管13和换热管13内的回液管14，套接在地热井11外并位于松散地层中的固井套管12，位于固井套管12与地热井11间并延伸至基岩层中的隔热包覆层15，套接在地热井11外并位于干热岩层中的导热包覆层16，设置在换热管13顶部出口的出口法兰19以及设置在回液管14入口的进口法兰18；所述换热管13为分体式结构设计，包括位于松散地层和基沿层中的非换热段光管131以及位于干热岩层中的换热段内翅管132和设置在换热管13底部的封底盘133；

所述监控系统2包括设置在地热井11出口的抽气控制阀21和增压泵22，设置在换热管13内的由液位传感器26、温度传感器27和流量计28组成的数据采集系统，设置在回液管14入口的显示控制模块23、回液控制阀24和回液泵25；

所述地热能梯级利用系统3包括与增压泵22连接的气液分离装置31，与气液分离装置31的高温有机气体出口连接的汽轮机32，汽轮机32利用有机朗肯循环带动发电机33发电，汽轮机32的出气口和气液分离装置31的有机液出口连接换热器34入口，汽轮机32出口气与气液分离器31分离出的有机液一同进入换热器34中与供暖用户35的供暖水换热，换热器34出口连接冷凝塔36入口，冷凝塔36连接回液泵25。

所述换热段内翅管132底部预设距离处设置封底盘133，该距离确保工质下行180°转弯不形成涡流而均匀进入翅片间流动换热。

所述换热段内翅管132采用整体成形方式制造，即采用整体锻造、整体挤压和整体机加成型；或采用线切割成形，线切割的钼丝进入和退出时的缝隙要封焊才能成为封闭圆管；或采用焊接而成，焊接结构是将两个整体锻造或整体挤压或机加工的半圆内翅管对接焊接两道纵缝而成。

所述换热段内翅管132表面为光面，或为增强换热能力做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形。

所述换热段内翅管132采用轴对称梳齿状结构时，内翅片对的数量为3～8对，厚度为2～4mm，在具体制作时根据管径大小、工质流动情况选择合适的内翅片参数。

所述换热段内翅管132和封底盘133为铝硅合金、铜或铜合金材质，非换热段光管131的头部采用导热系数低的金属材质，回液管14采用耐高温的氟塑料材料。

所述导热包覆层16采用熔点比换热段内翅管132低、导热优良且无毒的材料浇注而成；所述隔热包覆层15采用熔点比非换热段光管131低的隔热且无毒的材料浇筑而成，起到保温作用。

所述液位传感器26、温度传感器27、流量计28和线路上涂覆包裹保温隔热材料防止服役在高温环境中的仪器线路被破坏。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本实用新型采用双工质循环，通过能量的梯级利用，提高了地能的利用率；

(2)本实用新型采用了分体式的同轴封闭式换热管，增强干热岩层中热能的提取效率并降低非换热段热量的散失，同时案例说明的内翅管结构能有效改善传统换热元件中心惰性换热区，实现截面温度场均匀最大化，提高干热岩中地能提取效率；

(3)本实用新型采用了导热优良与隔热的无毒害的材料浇注制备换热管包覆层，换热段处导热优良的包覆层能提高换热段内翅管段对干热岩中地能的提取效率，非换热段光管段处的隔热包覆层起到保温隔热的效果，防止高温有机工质气体向井外散热；

(4)本实用新型采用了同轴封闭式换热管，循环工质与环境不接触，不会相互影响，环保无污染；

(5)本实用新型采用了监控系统，能根据发电、供暖用户的需求，调节抽气、回液流量和温度并能及时解决有机工质泄露问题。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为地热换热系统示意图。

图3为焊接前一对轴对称梳齿状内翅半圆管俯视图。

图4为轴对称梳齿状内翅半圆管立体图。

图5为整体成形的轴对称梳齿状内翅管俯视图。

图6为轴对称梳齿状内翅管局部剖视立体图。

图7为径向内板翅管俯视图。

图8为径向内板翅管局部剖视立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步地详细描述：

如图1和图2所示，本实用新型一种提取干热岩地热能内翅换热结构，包括干热岩换热系统1、监控系统2和地热能梯级利用系统3；所述干热岩换热系统1包括地热井11，置于地热井11中的换热管13和换热管13内的回液管14，套接在地热井11外并位于松散地层中的固井套管12，位于固井套管12与地热井11间并延伸至基岩层中的隔热包覆层15，套接在地热井11外并位于干热岩层中的导热包覆层16，设置在换热管13顶部出口的出口法兰19以及设置在回液管14入口的进口法兰18；所述换热管13为分体式结构设计，包括位于松散地层和基岩层中的非换热段光管131以及位于干热岩层中的换热段内翅管132和设置在换热管13底部的封底盘133；

所述监控系统2包括设置在地热井11出口的抽气控制阀21和增压泵22，设置在换热管13内的由液位传感器26、温度传感器27和流量计28组成的数据采集系统，设置在回液管14入口的显示控制模块23、回液控制阀24和回液泵25；

所述地热能梯级利用系统3包括与增压泵22连接的气液分离装置31，与气液分离装置31的高温有机气体出口连接的汽轮机32，汽轮机32利用有机朗肯循环带动发电机33发电，汽轮机32的出气口和气液分离装置31的有机液出口连接换热器34入口，汽轮机32出口气与气液分离器31分离出的有机液一同进入换热器34中与供暖用户35的供暖水换热，换热器34出口连接冷凝塔36入口，冷凝塔36连接回液泵25。

所述干热岩换热系统1中：

在地质松散的地层中下固井套管12并利用水泥17固井后将直径相对较小的同轴封闭式换热管整体下井，根据换热段内翅管132的高度和干热岩层的深度依次压入融化后的导热优良的材料和灌入隔热材料，冷却后形成相应的导热包覆层16和隔热包覆层15；所述换热段内翅管132中翅片同时具有导正的作用，可保证回液管14与换热管13整体平行；所述换热段内翅管132的高度由地质勘探和钻井后干热岩层的深度决定；所述导热包覆层16采用熔点比换热段内翅管132低的导热优良且无毒的材料浇注而成，浇注过程中材料和干热岩层实现优良的扩散和熔融利于热传导，待其凝固后，确保干热岩层中热能源源不断地传递给换热段内翅管132；所述隔热包覆层15采用熔点比非换热段光管131低的隔热且无毒的所有材料浇筑而成，起到保温作用。

所述监控系统2中：

监控系统2通过液位传感器26、温度传感器27与流量计28采集同轴封闭式换热管内液位和换热后工质温度、流量数据，数据采集系统设置在干热岩换热系统1中，在液位传感器26、温度传感器27与流量计28和线路上涂覆包裹保温隔热材料防止服役在高温环境中的仪器线路被破坏；所述显示控制模块23为数据采集系统终端，操作人员根据温度、流量数据显示及发电、供暖用户的需求，通过控制抽气控制阀21与增压泵22、回液控制阀24和回液泵25以调节抽气、回液流量和温度；所述液位传感器26反馈换热管中液位数据，方便及时解决有机工质泄露问题；

所述地热能梯级利用系统3中：

地热能梯级利用系统3采用双工质循环，干热岩地能提取、气液分离、气轮机发电、冷凝回液采用有机工质如戊烷等进行有机朗肯循环，由于供暖用户35的供暖设备常会出现泄露工质现象，从安全角度考虑采用水循环，经换热器34中有机工质换热后的供暖水，流向供暖用户以供其需求。

一种提取干热岩地热能内翅换热结构及梯级利用方法，按以下步骤依次进行：

a、干热岩勘探及钻井：

采用先进的地热探测设备对地下深层干热岩层的深度及地热能储量进行探测，选取地热能储量大的区域采用石油钻井设备对所选区域钻井，到坚固的岩层并钻至足够深度后放下固井套管12，并在外侧填入水泥17固井，之后采用小号合适的钻头下钻至深4000米～5000米的干热岩层处，利用循环洗净液彻底冲洗地热井11；

b、同轴封闭式换热管的制备及数据采集系统的封装：

根据干热岩层的深度、地热井11的直径选择合适的直径制备换热段内翅管132、封底盘133和非换热段光管131及其头部，进一步地内翅管132是由整体锻造、整体挤压、整体机加成形或线切割成形而成，也可以由如图3所示的两根半圆内翅管焊接而成；根据干热岩层的储热量设计直径制备回液管14，将液位传感器26封装在回液管14的相应位置并布好线路；进一步将换热段内翅管132和封底盘133封底焊接完成换热管段的制备；将封装好温度传感器27和流量计28的非换热段光管131、光管头部、换热段内翅管132、回液管14按如图1所示装配，将光管头部和非换热段光管131焊接最后将光管131与回液管14连接处密封；

c、包覆层制备：

将上步装配好的换热管放置井内，小心安放并固定好后，通过换热管与固井套管12间间隙将熔点比换热段内翅管132低的导热优良且无毒的浇注材料融化后压入干热岩层换热段，浇注过程中材料和干热岩层实现优良的扩散和熔融利于热传导，确保了浇筑材料凝固成型后干热岩热层能源源不断地传递给换热段内翅管132；进一步将熔点比非换热段光管131低的隔热且无毒的浇筑材料融化后从地面灌入至非换热段，形成隔热包覆层15，起到保温作用；

d、温度、流量、液位控制：

通过安装在非换热段光管131头部的温度传感器27与流量计28将采集的数据通过数据传输至显示控制模块23后，操作人员根据温度、流量数据显示及发电、供暖用户35的需求，通过控制抽气控制阀21与增压泵22、回液控制阀24和回液泵25以调节抽气、回液流量和温度，液位传感器26反馈换热管中液位数据，方便及时解决有机工质泄露问题；

e、地能梯级利用：

地热能梯级利用系统3采用双工质循环，有机工质如戊烷等在干热岩层的换热段内翅管132中提取地能，气化后经非换热段光管131由增压泵22抽出送入气液分离器31中，分离出的高温有机气体进入气轮机32，利用有机朗肯循环带动发电机33发电，气轮机32出口气与气液分离器31分离出的有机液一同进入换热器34中与供暖水换热，最后有机工质经冷凝塔36冷凝后通过回液泵25回液至地热井底，循环使用，含低品位热能的供暖水则给供暖用户35供暖，实现地热能的梯级利用。

结合附图对内翅片管结构作更详细的说明：

实施案例一

图3为焊接前一对轴对称梳齿状内翅半圆管俯视图。

图4为轴对称梳齿状内翅半圆管立体图。

图5为整体成形的轴对称梳齿状内翅管俯视图。

图6为轴对称梳齿状内翅管局部剖视立体图。

该换热段内翅管段包括轴对称梳齿状换热段内翅管132和封底盘133；所述换热段内翅管132可采用如图5所示的整体成形方式制造，即采用整体锻造、整体挤压、整体机加成型；其次，也可采用线切割成形，只不过线切割的钼丝进入和退出时的缝隙也要封焊才能成为封闭圆管；第三，可采用焊接而成，焊接结构是将如图3所示的两个整体锻造或整体挤压或机加工的半圆内翅管对接焊接两道纵缝而成；进一步将多数的单段内翅管依次焊接，最后封焊上封底盘133完成换热段内翅管段的制做；

如图4所示，所述轴对称梳齿状内翅片结构区别于任何径向中心对称分布的内翅式换热元件结构，从对流动的扰动作用来看，任何径向的内翅式结构都无法实现主流区的温度场的均匀化，均会存在高温集中区域，降低了传热系数。在单相换热过程中，轴对称梳齿状的内翅设计分割了若干的换热区域，通过有效地优化管内工质径向的温度梯度从而改善管内中心惰性换热区的换热效果，实现界面温度场的均匀最大化。

作为本实用新型的优选实施方案，所述内翅片的对数为3～8对，在具体制作时能够根据管径大小、工质流动情况选择合适的内翅片数量。

作为本实用新型的优选实施方案，所述内翅片的厚度为2～4mm在具体制作时能够根据管径大小、工质流动情况选择合适的内翅片厚度。

作为本实用新型的优选实施方案，所述内翅片可在表面做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形、或正弦函数波形等，增大内翅片的换热面积且极大地增强了流体扰动，提高传热效果，在具体制作时能根据制作成本，换热效率和工质流动情况选择合适的波纹形状。

实施案例二

图7为径向内板翅管俯视图。

图8为径向内板翅管局部剖视立体图。

在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

所述径向内板翅管采用中心对称的径向内板翅结构。

作为本实用新型的优选实施方案，所述内板翅的对数为2～8对，在具体制作时能够根据管内所需传热能力大小、工质流动情况选择合适的内板翅数量。

作为本实用新型的优选实施方案，所述内板翅的厚度一致且为2～4mm在具体制作时能够根据管径大小、工质流动情况选择合适的内板翅厚度。

Claims (9)

1.一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：包括干热岩换热系统(1)、监控系统(2)和地热能梯级利用系统(3)；所述干热岩换热系统(1)包括地热井(11)，置于地热井(11)中的换热管(13)和换热管(13)内的回液管(14)，套接在地热井(11)外并位于松散地层中的固井套管(12)，位于固井套管(12)与地热井(11)间并延伸至基岩层中的隔热包覆层(15)，套接在地热井(11)外并位于干热岩层中的导热包覆层(16)，设置在换热管(13)顶部出口的出口法兰(19)以及设置在回液管(14)入口的进口法兰(18)；所述换热管(13)为分体式结构设计，包括位于松散地层和基岩层中的非换热段光管(131)以及位于干热岩层中的换热段内翅管(132)和设置在换热管(13)底部的封底盘(133)；

所述监控系统(2)包括设置在地热井(11)出口的抽气控制阀(21)和增压泵(22)，设置在换热管(13)内的由液位传感器(26)、温度传感器(27)和流量计(28)组成的数据采集系统，设置在回液管(14)入口的显示控制模块(23)、回液控制阀(24)和回液泵(25)；

所述地热能梯级利用系统(3)包括与增压泵(22)连接的气液分离装置(31)，与气液分离装置(31)的高温有机气体出口连接的汽轮机(32)，汽轮机(32)利用有机朗肯循环带动发电机(33)发电，汽轮机(32)的出气口和气液分离装置(31)的有机液出口连接换热器(34)入口，汽轮机(32)出口气与气液分离器(31)分离出的有机液一同进入换热器(34)中与供暖用户(35)的供暖水换热，换热器(34)出口连接冷凝塔(36)入口，冷凝塔(36)连接回液泵(25)。

2.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)底部预设距离处设置封底盘(133)，该距离确保工质下行180°转弯不形成涡流而均匀进入翅片间流动换热。

3.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)采用整体成形方式制造，即采用整体锻造、整体挤压和整体机加成型；或采用线切割成形，线切割的钼丝进入和退出时的缝隙要封焊才能成为封闭圆管；或采用焊接而成，焊接结构是将两个整体锻造或整体挤压或机加工的半圆内翅管对接焊接两道纵缝而成。

4.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)表面为光面，或为增强换热能力做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形。

5.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)采用轴对称梳齿状结构时，内翅片对的数量为3～8对，厚度为2～4mm，在具体制作时根据管径大小、工质流动情况选择内翅片参数。

6.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)采用中心对称内板翅结构时，内翅片对的数量为2～8对，厚度为2～4mm，在具体制作时根据管径大小、工质流动情况选择内翅片参数。

7.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述换热段内翅管(132)和封底盘(133)为铝硅合金、铜或铜合金材质，非换热段光管(131)的头部采用导热系数低的金属材质，回液管(14)采用耐高温的氟塑料材料。

8.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述导热包覆层(16)采用熔点比换热段内翅管(132)低、导热优良且无毒的材料浇注而成；所述隔热包覆层(15)采用熔点比非换热段光管(131)低的隔热且无毒的材料浇筑而成，起到保温作用。

9.根据权利要求1所述的一种提取干热岩地热能内翅换热结构，其特征在于：所述液位传感器(26)、温度传感器(27)、流量计(28)和线路上涂覆包裹保温隔热材料防止服役在高温环境中的仪器线路被破坏。