CN209115272U - 一种井下微型地热发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及地热发电领域，特指一种井下微型地热发电系统。本实用新型提供了一种可直接用于井下的微型地热发电系统技术方案。该系统包括井下微型地热发电装置和其它辅助设备。井下微型地热发电装置主要由叶轮部件、磁传动部件、轴连接件、壳体、一级微型发电机、二级微型发电机构成。辅助设备包括调压器、输出导线、发电装置外保护壳、换热管、导流软管、分配水箱、地面贮水箱等设施。和现有技术相比，本实用新型有益效果为，相比地热厂发电系统，本系统结构更简单、设备更少、制造成本低、地热利用率高、发电成本低。本系统定位为小功率发电系统，其运用场所比地热厂发电更灵活，可为地区公共设施提供电能。

Description

一种井下微型地热发电系统

技术领域

本发明涉及地热发电领域，特指一种井下微型地热发电系统。

背景技术

长期以来，在各种可再生能源发电系统中，人们更多地关注来自太空的太阳能和风能，却忽略了地球本身赋予人类的丰富资源一地热能。与风能、太阳能发电系统相比，地热发电厂又不受气候和时间的影响，可以日夜工作，提供不中断的电力。因此，世界各国对地热发电越来越重视。地热资源是一种清洁无污染、可再生的新型能源，对于发展低碳经济、实现可持续发展具有积极的作用。地热发电技术主要包括干蒸汽发电、扩容式蒸汽发电、双工质循环发电和卡琳娜循环发电等。

目前对地热发电利用的主要是利用中高温地热资源，比如地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩、增强型地热等等，通过建立大型发电厂进行大规模的地热发电，发电规模可达兆瓦级别。其采用的方法与火电厂的汽轮机发电方法相同，这种方法决定了目前的地热发电厂主要建在地热资源集中的地区，采用集中发电模式。它可以利用成熟的火力发电技术和设备，特别适用于中高温地热资源丰富的地区。现有地热发电系统主要为高温蒸汽发电，对其它地热形态适应性不强，这使得地热发电的可选址范围减少，影响了不同形态地热的充分利用，尤其是在中国这种以中低温地热资源为主的国家，能建立大规模地热发电厂的地方不多，而剩余地热能低，或地热分布范围小的区域，以及石油钻井的废气井的能源就不能被充分开发利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可直接用于地热井下发电的技术方案，解决现有地热发电技术主要针对规模性发电即地热发电厂发电的条件要求苛刻、地热形态适应性不强、地热能量转换率低、发电成本高、仅限于部分地热能高的区域，对偏远地区难以应用等缺点。本发明结构简单、适用于中温及高温地热工况、地热形态适应性强、以蒸汽为动力介质驱动叶轮，带动电机发电，地热利用率高，发电成本低。同时，本系统定位为小功率发电系统，既可以单井单系统发电，也可以多井多系统并联发电，经理论计算，在中温单井工况下，单系统发电功率可达8～10kw，高温地热井发电功率更高。本系统可用于地热分布范围小、油田废弃钻井以及偏远地区地热发电，其运用比地热厂发电更灵活，可为地区公共设施提供电能。

本发明所采用的技术方案是，一种井下微型地热发电系统，所述发电系统包括井下微型地热发电装置和辅助设备。

所述井下微型地热发电装置主要包括叶轮部件Ⅰ、磁传动部件Ⅱ、轴连接件Ⅲ、壳体Ⅳ、一级微型发电机Ⅴ、二级微型发电机Ⅵ，所述叶轮部件Ⅰ、磁传动部件Ⅱ、轴连接件、一级微型发电机、二级微型发电机安装在壳体内，磁传动部件Ⅱ通过轴连接件Ⅲ与一级微型发电机连接，一级微型发电机通过轴连接件Ⅲ与二级微型发电机Ⅵ连接。

所述井下微型地热发电装置的叶轮部件Ⅰ包括导叶和转轮。所述导叶共有3级，每级导叶包括左半导叶、右半导叶、螺钉和螺钉，左半导叶、右半导叶叶栅共计23个叶片，每个叶片与平面夹角为49.7°。3级导叶的左半导叶之间、右半导叶之间分别焊接成两半部分组件，并分别通过3对螺钉将两半部分连接成导叶组件，导叶组件安装在转轮上后又焊接在通流外壳上，导叶组件的作用是引导气流按一定角度冲击转轮上的叶片以提高气流动能与机械能之间的转化。所述转轮由4段组成：转轮第一段有一截锥形壳，锥形壳的作用是引导气流，减小气流冲击的作用，所述锥形壳锥角为90°；转轮第二段由三级转子组成，每级转子之间采用焊接；转轮第三段由4级转子组成，每级转子之间采用焊接，叶片长度长于第三段转子叶片；转轮第四段为开了四个方形槽及四个螺纹孔的柱体。所述转轮四段结构之间通过焊接连接成整体。导叶组件安装在转轮第二段，每级导叶安装在每级转子叶片前。

所述井下微型地热发电装置的磁传动部件Ⅱ包括主动转磁、主动转磁安装套筒、主动转磁保护套筒、从动转磁、从动转磁安装套筒、从动转磁保护套筒、隔套、磁传动轴、联轴器、滚珠轴承、滚珠轴承定位套、橡胶环a、橡胶环b等。所述主动转磁保护套筒插入转轮第四段四个凹槽内并通过螺钉紧固，隔套通过螺钉与主动转磁保护套筒及主动转磁安装套筒连接， 8个主动转磁安装在主动转磁安装套筒上，主动转磁保护套筒与从动转磁保护套筒有一橡胶环a起到定位和减小摩擦作用。所述8个从动转磁安装在从动转磁安装套筒上，从动转磁安装套筒与磁传动轴焊接或过盈配合，从动转磁保护套筒内安装一滚珠轴承，磁传动轴右边端部与该滚珠轴承过盈配合，螺钉将通流外壳与从动转磁保护套筒和定位套固定连接，定位套内安装一滚珠轴承，轴承内圈与磁传动轴过盈配合，磁传动轴左端安装一联轴器。

所述井下微型地热发电装置的二级微型电机Ⅵ经过特殊设计，包括二级电机上壳体、二级电机下壳体、二级电机定子线圈、二级电机转子、二级电机转子磁铁、滚珠轴承等。二级电机上壳体与二级电机下壳体通过螺纹连接，二级电机上壳体与二级电机下壳体开有通孔，两个定位轴承分别安装在二级电机上壳体、二级电机下壳体内，电机轴贯穿于壳体并与滚珠轴承的内圈过盈配合，二级电机转轴右端通过联轴器与一级电机轴连接，联轴器起到动力传递的作用。

所述井下微型地热发电装置的轴连接件Ⅲ将磁传动轴与电机轴、电机轴与电机轴相连接。

所述井下微型地热发电装置的壳体Ⅳ包括一级电机安装套筒、二级电机安装套筒、通流外壳。所述一级电机安装套筒内安装一级电机，一级电机安装套筒与从动转磁保护套筒间通过螺纹连接并由密封圈密封连接部位以防止杂质进入装置内部。所述二级电机安装套筒内安装二级电机，二级电机安装套筒与一级电机套筒间通过螺纹连接并由密封圈密封连接部位以防止杂质进入装置内部，一级电机安装套筒与二级电机安装套筒起到保护电机、隔离外部环境的作用。所述通流外壳上开有小孔，可使从转轮进入微型地热发电装置内的气流通过小孔与外部环境流通。

所述井下微型地热发电装置的一级微型发电机Ⅴ与二级微型电机结构Ⅵ相同。

所述辅助设备包括调压器、输出导线、发电装置外保护壳、定位阶、换热管、导流软管、分配水箱、地面贮水箱、集气箱。所述地面贮水箱用于贮存冷水，导流软管与分配水箱连接，分配水箱安装在发电装置外保护壳内，且在地热发电装置上方，分配水箱底部与2根换热管连接，两根换热管与集气箱底部焊接，集气箱上端开口，上端面与地热发电装置的通流外壳下端面焊接。所述定位阶分别焊接在集气箱、二级电机安装套筒、发电装置外保护壳上，作用是将地热发电装置定位在发电装置外保护壳内。所述输出导线与调压器连接，调压器将输出地热发电装置输出电压进行整压。

所述井下微型地热发电系统工作时可直接安装在地热井下。

综上所述，本发明一种井下微型地热发电系统有益效果为，相比地热厂发电系统，本系统结构更简单，设备制造成本低；适用于中温及高温地热工况、地热形态适应性强；以蒸汽为动力介质驱动叶轮，带动电机发电，相比于地热发电厂没有长距离的地热输送过程，地热利用率高，发电成本低；本系统定位为小功率发电系统，既可以单井单系统发电，也可以多井多系统并联发电；本系统可用于地热分布范围小、废弃钻井以及偏远地区地热发电，其运用场所比地热厂发电更灵活，可为地区公共设施提供电能。

附图说明

图1是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置整体结构示意图。

图2是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置结构工程图a。

图3是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置结构工程图b。

图4是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置转子叶轮结构示意图。

图5是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置单级导轮结构示意图。

图6是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置导叶组件示意图。

图7是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置磁传动结构示意图a。

图8是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置磁传动结构示意图b。

图9是本发明一种井下微型地热发电系统的地热发电装置二级电机结构示意图。

图10是本发明一种井下微型地热发电系统整体示意图。

图中：

Ⅰ、叶轮部件，Ⅱ、磁传动部件，Ⅲ、轴连接件，Ⅳ、壳体，Ⅴ、一级微型发电机，Ⅵ、二级微型发电机。

1、导线接头，2、滚珠轴承a，3、二级电机上壳体，4、二级电机定子，5、二级电机安装套筒，6、二级电机转子，7、滚珠轴承b，8、定位套，9、二级电机转轴，10、一级电机转轴，11、二级电机定位套，12、一级电机安装套筒，13、联轴器，14、密封圈，15、定子定位套，16、二级电机定子线圈，17、二级电机转子磁铁，18、导流器，19、二级电机下壳体，20、尾部密封套筒，21、联轴器，22、滚珠轴承c，23、滚珠轴承定位套，24、安装螺钉，25、滚珠轴承d，26、通流孔，27、从动转磁，28、主动转磁保护套筒，29、滚珠轴承e， 30、滚珠轴承f，31、转轮，32、导叶。33、从动转磁保护套筒，34、隔套，35、滚珠轴承安装套，36、从动转磁安装套筒，37、磁传动轴，38、主动转磁，39、主动转磁安装套筒，40、通流外壳，41、橡胶环a，42、橡胶环b，43、定位套，44、滚珠轴承定位套，45、密封圈， 46、调压器，47、输出导线，48、发电装置外保护壳，49、定位阶a，50、第一换热管，51、定位阶c，52、地面贮水箱，53、导流软管，54、分配水箱，55、第二换热管，56、定位阶b， 57、定位阶c，58、集气箱。

311、转轮第一段，312、转轮第二段，313、转轮第三段，314、转轮第四段。

具体实施方式

为使本发明一种井下微型地热发电系的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示是地热发电装置结构示意图，所述地热发电装置结构主要包括叶轮部件Ⅰ、磁传动部件Ⅱ、轴连接件Ⅲ、壳体Ⅳ、一级微型发电机Ⅴ、二级微型发电机Ⅵ。

如图1、4、5、6所示，所述井下微型地热发电装置的叶轮部件Ⅰ包括导叶32和转轮31。所述导叶32共有3级，每级导叶32包括左半导叶3201、右半导叶3202、螺钉3203和螺钉3204，左半导叶3201、右半导叶3202叶栅共计23个叶片，每个叶片与平面夹角为49.7°。3 级导叶32的左半导叶3201之间、右半导叶3202之间分别焊接成两半部分组件，并分别通过 3个螺钉3203、3个螺钉3204将两半部分连接成导叶组件，导叶组件安装在转轮31上并焊接在通流外壳40上，导叶组件的作用是引导气流按一定角度冲击转轮31上的叶片以提高气流动能与机械能之间的转化。所述转轮31由4段组成：转轮第一段311有一截锥形壳，锥形壳的作用是引导气流，减小气流冲击的作用；转轮第二段312由三级转子组成，每级转子之间采用焊接；转轮第三段313由4级转子组成，每级转子之间采用焊接，叶片长度长于转轮第二段312转子叶片；转轮第四段314为开了四个方形槽及四个螺纹孔的柱体。所述转轮四段结构之间通过焊接连接成整体。导叶组件安装在转轮第二段312，每级导叶32安装在每级转子叶片前。

如图3、7、8所示，所述井下微型地热发电装置的磁传动部件Ⅱ包括主动转磁38、主动转磁安装套筒39、主动转磁保护套筒28、从动转磁27、从动转磁安装套筒36、从动转磁保护套筒33、隔套34、磁传动轴37、联轴器21、滚珠轴承c22、滚珠轴承d25、滚珠轴承e29、滚珠轴承f30、滚珠轴承安装套35、滚珠轴承定位套23、滚珠轴承定位套44、橡胶环a42、橡胶环b41、定位套43等。所述主动转磁保护套筒28插入转轮第四段314四个凹槽内并通过螺钉紧固连接，隔套34通过螺钉与主动转磁保护套筒28及主动转磁安装套筒39固定连接， 8个主动转磁38安装在主动转磁安装套筒39上，主动转磁保护套筒28与从动转磁保护套筒 33间安装一橡胶环a42起到定位和减小摩擦作用。所述8个从动转磁27安装在从动转磁安装套筒36上，从动转磁安装套筒36与磁传动轴37焊接或过盈配合，从动转磁保护套筒33 内安装滚珠轴承e29，磁传动轴37右边端部与滚珠轴承e29过盈配合，螺钉24将通流外壳 40与从动转磁保护套筒33和定位套43固定连接，定位套43内安装滚珠轴承c22，滚珠轴承 c22内圈与磁传动轴37过盈配合，磁传动轴37左端安装联轴器21。

如图2、9所示，所述井下微型地热发电装置的二级微型电机Ⅵ包括二级电机上壳体3、二级电机下壳体19、二级电机定子线圈16、二级电机转子6、二级电机转子磁铁17、滚珠轴承a2、滚珠轴承b7等。二级电机上壳体3内表面与二级电机下壳体19外表面加工有螺纹，二级电机上壳体3与二级电机下壳体19通过螺纹连接，二级电机下壳体19底部有凹槽，二级电机上壳体3与二级电机下壳体19开有通孔，滚珠轴承b7、滚珠轴承a2分别安装在二级电机上壳体3、二级电机下壳体19凹槽内，二级电机转轴9贯穿于二级电机上壳体3和二级电机下壳体19并与滚珠轴承b7与滚珠轴承a2的内圈过盈配合，二级电机转轴9右端通过联轴器13与一级电机轴10连接，联轴器13起到动力传递的作用。

如图1所述井下微型地热发电装置的壳体Ⅳ包括一级电机安装套筒12、二级电机安装套筒5、通流外壳40。所述一级电机安装套筒12内安装一级电机，一级电机安装套筒12外表面与从动转磁保护套筒33内表面加工有一段螺纹，一级电机安装套筒12与从动转磁保护套筒33通过螺纹连接并由密封圈45密封连接部位以防止杂质进入装置内部。所述二级电机安装套筒5内安装二级电机，二级电机安装套筒5外表面与一级电机安装套筒12内表面加工有一段螺纹，二级电机安装套筒5与一级电机安装套筒12间通过螺纹连接并由密封圈14密封连接部位以防止杂质进入装置内部。一级电机安装套筒5与二级电机安装套筒15起到保护电机、隔离外部环境的作用。所述通流外壳40上开有小孔，可使从转轮31进入微型地热发电装置内的气流通过小孔与外部环境流通。

如图1所示，所述井下微型地热发电装置的一级微型发电机Ⅴ与二级微型电机Ⅵ结构相同，一级微型发电机Ⅴ与二级微型电机Ⅵ通过联轴器13将两级电机转轴连接。

如图10所示，所述辅助设备包括调压器46、输出导线47、发电装置外保护壳48、定位阶a49、定位阶b56、定位阶c51、定位阶d57、第一换热管50、第二换热管55、导流软管53、分配水箱54、地面贮水箱52、集气箱58。所述地面贮水箱25用于贮存冷水，导流软管53 与分配水箱54连接，分配水箱54安装在发电装置外保护壳48内，且在地热发电装置上方，分配水箱54底部与第一换热管50、第二换热管55连接。所述集气箱58为柱体，上端开口，底部开有两个小孔，第一换热管50、第二换热管55与集气箱58底部焊接，集气箱58上端面与地热发电装置的通流外壳40下端面焊接。所述定位阶c51、定位阶a49、定位阶b56与定位阶d57分别焊接在集气箱58、二级电机安装套筒5、发电装置外保护壳48上，作用是将地热发电装置定位在发电装置外保护壳48内。所述输出导线47与调压器46连接，调压器 46将输出地热发电装置输出电压进行整压。

如图2、3、10所示，工作时地面贮水箱52内的水沿着导流软管53流进分配水箱54、分配水箱54内的水沿着第一换热管50、第二换热管55进行流动换热。在地热的作用下，(经过测算)冷水在第一换热管50、第二换热管55内逐渐换热蒸发成气体，并在上方液压作用下以一定的气压和流速进入集气箱58。

进一步，进入气体集气箱58的气体在冲击转轮31前先由转轮第一段311上锥形壳进行导流以减小气流对转轮31的冲击及气流的能量消耗。

进一步，气流经由导叶32以固定的角度冲击转轮第二段312的转子叶片，将气流的动能和压力能转换成转轮31的机械能，使转轮31旋转。

进一步，转轮31带动主动转磁保护套筒28旋转，转磁保护套筒28转动并带动主动转磁 38绕磁传动轴37旋转。

进一步，从动转磁27受到主动转磁38的磁力作用开始旋转并最终带动磁传动轴37旋转。

进一步，磁传动轴37通过联轴器21带动一级微型发电机Ⅴ的一级电机转轴10转动，一级微型发电机Ⅴ产生电压与电流。

进一步，一级电机转轴10通过联轴器13带动二级电机转轴9转动，二级微型发电机Ⅵ产生电压与电流。

进一步，一级微型发电机Ⅴ与二级微型发电机Ⅵ串联，一级微型发电机Ⅴ与二级微型发电机Ⅵ产生的电压与电流经输出导线47输出到调压器46进行调压，使井下微型地热发电系统的输出电压满足用户需求。

以上仅为本发明一种井下微型地热发电系统的示意性的具体实施方式，并不限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不同脱离本发明结构的基础上所做的等同变化或修改均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种井下微型地热发电系统，其特征在于：所述发电系统包括井下微型地热发电装置和辅助设备，所述地热发电装置包括叶轮部件Ⅰ、磁传动部件Ⅱ、轴连接件Ⅲ、壳体Ⅳ、一级微型发电机Ⅴ、二级微型发电机Ⅵ，所述叶轮部件Ⅰ、磁传动部件Ⅱ、轴连接件、一级微型发电机、二级微型发电机安装在壳体内，磁传动部件Ⅱ通过轴连接件Ⅲ与一级微型发电机连接，一级微型发电机通过轴连接件Ⅲ与二级微型发电机Ⅵ连接。

2.根据权利要求1所述的一种井下微型地热发电系统，其特征是：所述叶轮部件Ⅰ包括导叶(32)和转轮(31)，其中：

所述导叶(32)共有3级，每级导叶(32)包括左半导叶(3201)、右半导叶(3202)、螺钉(3203、3204)，左半导叶(3201)、右半导叶(3202)叶栅共计23个叶片，每个叶片与平面夹角为49.7°，3级导叶(32)的左半导叶(3201)之间、右半导叶(3202)之间分别焊接成两半部分组件，并分别通过3个螺钉(3203、3204)将两半部分连接成导叶组件，导叶组件安装在转轮(31)上后又焊接在通流外壳(40)上；

所述转轮(31)由四段组成：转轮第一段(311)有一截锥形壳，所述锥形壳锥角为90°，转轮第二段(312)由三级转子组成，每级转子之间采用焊接，转轮第三段(313)由4级转子组成，每级转子之间采用焊接，叶片长度长于转轮第二段(312)转子叶片，转轮第四段(314)为开了四个方形槽及四个螺纹孔的柱体，所述转轮(31)的四段结构之间通过焊接连接成整体，导叶组件安装在转轮第二段(312)，每级导叶(32)安装在每级转子叶片前。

3.根据权利要求1所述的一种井下微型地热发电系统，其特征是：磁传动部件Ⅱ包括主动转磁(38)、主动转磁安装套筒(39)、主动转磁保护套筒(28)、从动转磁(27)、从动转磁安装套筒(36)、从动转磁保护套筒(33)、隔套(34)、磁传动轴(37)、联轴器(13)、滚珠轴承(22)、滚珠轴承定位套(23)、橡胶环a(41)、橡胶环b(42)；所述主动转磁保护套筒(28)插入转轮第四段(314)四个凹槽内并通过螺钉紧固连接，隔套(34)通过螺钉与主动转磁保护套筒(28)及主动转磁安装套筒(39)连接，8个主动转磁(38)安装在主动转磁安装套筒(39)上，主动转磁保护套筒(28)与从动转磁保护套筒(33)有一橡胶环a(41)起到定位和减小摩擦作用，所述8个从动转磁(27)安装在从动转磁安装套筒(36)上，从动转磁安装套筒(36)与磁传动轴(37)焊接或过盈配合，从动转磁保护套筒(36)内安装一滚珠轴承(22)，磁传动轴(37)右边端部与该滚珠轴承(22)过盈配合，螺钉(24)将通流外壳(40)与从动转磁保护套筒(33)和定位套(43)固定连接，定位套(43)内安装滚珠轴承c(22)，滚珠轴承c(22)内圈与磁传动轴(37)过盈配合，磁传动轴(37)左端安装一联轴器(21)。

4.根据权利要求1所述的一种井下微型地热发电系统，其特征是：所述二级微型电机Ⅵ包括二级电机上壳体(3)、二级电机下壳体(19)、二级电机定子线圈(16)、二级电机转子(6)、二级电机转子磁铁(17)、滚珠轴承a(2)，滚珠轴承b(7)；二级电机上壳体(3)与二级电机下壳体(19)通过螺纹连接，二级电机上壳体(3)与二级电机下壳体(19)开有通孔，滚珠轴承(2、7)分别安装在二级电机上壳体(3)、二级电机下壳体(19)内，二级电机转轴(9)贯穿于二级电机上壳体(3)、二级电机下壳体(19)并与滚珠轴承(2、7)的内圈过盈配合，二级电机转轴右端(9)通过联轴器与一级电机轴(10)连接。

5.根据权利要求1所述的一种井下微型地热发电系统，其特征是：所述辅助设备包括调压器(46)、输出导线(47)、发电装置外保护壳(48)、定位阶a(49)，定位阶b(51)，第一换热管50、第二换热管(55)，导流软管(53)、分配水箱(54)、地面贮水箱(52)、集气箱(58)，所述地面贮水箱(52)用于贮存冷水，导流软管(53)与分配水箱(54)连接，分配水箱(54)安装在发电装置外保护壳(48)内，且在地热发电装置上方，分配水箱(54)底部与两根第一换热管(50)连接，第一换热管(50)与集气箱(58)底部焊接，集气箱(58)上端开口，上端面与地热发电装置的通流外壳(40)下端面焊接，所述定位阶a(49)、定位阶b(51)分别焊接在集气箱(58)、二级电机安装套筒(5)、发电装置外保护壳(48)上，所述输出导线(47)与调压器(46)连接。