CN219120795U - 一种套管式地热井及基于该地热井的原位地热发电系统 - Google Patents

Abstract

一种套管式地热井及基于该地热井的原位地热发电系统，属于地热能开采技术领域。本实用新型解决了现有的套管结构冷热水之间的换热损失大且能源利用率不高的问题。包括由外至内依次同轴布置的外管、内管及第一绝热层，所述第一绝热层与内管固接，所述内管内还布置有若干温差发电片，且若干温差发电片通过集线端子连接，所述集线端子固装在第一绝热层顶部，所述外管与所述内管之间通过若干固定钢架固接，内管与外管的底部连通设置。通过设置温差发电装置可利用地热开采过程中损失的部分热量，并可提供额外的热阻，增强绝热效果，提高地热资源的开采效率。

Description

一种套管式地热井及基于该地热井的原位地热发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种套管式地热井及基于该地热井的原位地热发电系统，属于地热能开采技术领域。

背景技术

传统化石能源带来的环境问题日益受人关注，清洁能源的开发和利用成为能源革命的必需。其中地热能因其储备量大、热源稳定等优势，具有广阔的发展前景。汲取地下水进行地热能利用的过程中，对地下水的回灌率不够高，可能造成地下水枯竭并引发地质问题。在增强型地热系统的开采中，常采用一种U型地热井，采用这种U型地热井需要两次打井并压裂，成本过高，而为了防止钻井过程中土地塌陷，常设置龙骨等防塌陷结构进行支撑。

现有技术中为了降低打井成本，采用一种套管式换热器来开采地热资源，使冷水从外管进入，经地热源加热后，从内管流出。而在现有套管结构中，难以避免内管中的高温水流与外管中的低温水流之间的热量交换，只能通过良好的隔热材料来减少这一现象造成的热量损失。计算结果表明，在一种套管结构下，即使使用导热系数极低的泡沫塑料作为隔热材料，因冷热水之间的换热损失的热量与总提取的地热量的比率仍然高达10％，因此，迫切需要一种新型的套管结构来改善这一现象。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述技术问题，进而提供了一种套管式地热井及基于该地热井的原位地热发电系统。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种套管式地热井，包括由外至内依次同轴布置的外管、内管及第一绝热层，所述第一绝热层与内管固接，所述内管内还布置有若干温差发电片，且若干温差发电片通过集线端子连接，所述集线端子固装在第一绝热层顶部，所述外管与所述内管之间通过若干固定钢架固接，内管与外管的底部连通设置。

进一步地，内管的下部内壁还固设有第二绝热层，所述第一绝热层及若干温差发电片均位于第二绝热层上方。

进一步地，所述第二绝热层的高度为所述内管高度的四分之一。

进一步地，若干所述温差发电片固设在第一绝热层与内管之间，或若干所述温差发电分别固设在第一绝热层的内侧与外侧。

进一步地，所述第一绝热层沿内管轴向布置有若干层，若干所述温差发电片与若干第一绝热层沿内管轴向依次交叉层叠布置。

进一步地，固定钢架由上至下分散设置在内管与外管之间。

进一步地，内管的底端与外管的底端位于同一水平面设置，内管下部开设有若干通孔，外管与内管之间通过若干通孔连通设置。

进一步地，外管内的冷水通道底端及内管内的热水通道底端均固设有耐冲击材料层。

进一步地，外管与地质层之间通过水泥层固接。

一种基于上述地热井的原位地热发电系统，包括套管式地热井、水泵以及循环发电系统，水泵的进水口通过管路与循环发电系统中的蒸发器连通，水泵的出水口通过管路连接至外管内的冷水通道，内管内的热水通道通过管路连通至循环发电系统中的蒸发器。

本实用新型与现有技术相比具有以下效果：

本申请通过设置温差发电装置可利用地热开采过程中损失的部分热量，并可提供额外的热阻，增强绝热效果的同时，通过温差发电技术，进行地热的地下原位发电，提高地热能的综合利用效率。

附图说明

图1为本申请的套管式地热井内部水流机制示意图；

图2为本申请的套管式地热井的主剖视示意图(集线端子及通孔未示出)；

图3为本申请的套管式地热井的俯视示意图；

图4为本申请的套管式地热井的下部结构示意图及水流机制示意图；

图5为本申请的地热发电系统的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种套管式地热井，包括由外至内依次同轴布置的外管1、内管2及第一绝热层3，所述第一绝热层3与内管2固接，所述内管2内还布置有若干温差发电片4，且若干温差发电片4通过集线端子连接，所述集线端子5固装在第一绝热层3顶部，所述外管1与所述内管2之间通过若干固定钢架6固接，内管2与外管1的底部连通设置。内管2及外管1均为钢材，冷流体通过外管1进入，经地热源加热后，到达套管底部，从内管2流出。也即内管2与外管1之间为冷水流道，内管2内为热水流道。

设置第一绝热层3用于保温，以减少外管1与内管2内的冷热流体的热量交换，使出口水温更高。第一绝热层3的材质可以为泡沫塑料等绝热材料。

本申请通过设置温差发电装置可利用地热开采过程中损失的部分热量，并可提供额外的热阻，增强绝热效果的同时，通过温差发电技术，进行地热的地下原位发电，提高地热能的综合利用效率。

所有温差发电片4由集线端子连接，保证稳定的电力输出。

使用时外管1通过水泥层7固定嵌状在地质层8内，且内管2与外管1之间通过固定钢架6一体式固接，有效保护套管的整体强度，并且结构简单。水泥采用导热系数较高的型号，强化传热。水泥层外侧为地质层8，其温度随深度升高而升高，提供热量来源。

所述固定钢架6的数量不限，在内管2与外管1之间的高度位置可根据需要实际选择，如固定钢架6的数量可以为两组，分别固设在上部与下部；数量也可以为三组，分别固设在上部、中部及下部，可以不均布；也可以为其它布置方式。每组固定钢架6包括一个、两个或多个固定杆，且每个固定杆均可水平或倾斜布置。只要能够实现内管2与外管1之间的固定连接即可，优选为一组固定钢架6包括四个固定杆和/或每个固定杆均沿内管2径向水平布置。

温差发电片4的数量不限，其固定在内管2内的具体位置不限，如：可以布置在第一绝热层3的内外两侧，也可以单独只布置在第一绝热层3的内侧或外侧，也可以与第一绝热层3轴向交叉布置，即沿内管2轴向，第一绝热层3与温差发电片4依次交叉层叠布置。

当温差发电片4布置在第一绝热层3与内管2之间时，温差发电片4通过导热脂等粘附于内管2内壁之上。当温差发电片4布置在第一绝热层3的内侧或与第一绝热层3交叉层叠布置时，因温差发电片4自身的陶瓷材料的保护，使其可与热水直接接触。

在一种特定的套管尺寸下，与传统套管相比，本申请的结构可有效提高地热井的出口水温，有效提高总地热开采量。以井深4km、内管内半径31mm、内层温差发电片厚度11.7mm、外层温差发电片厚度12.5mm、第一绝热层厚度2mm、内管外半径57.2mm、外管内半径80.7mm、外管外半径88.9mm、水泥层厚度34.7mm为例，与传统套管相比，本申请提出的结构可实现地热井的出口水温3摄氏度的提高，总地热开采量提高4.5％，温差发电片4可提供5.5kW的输出功率。因系统输出不仅与尺寸有关，还受水流量、各层导热系数、有机朗肯循环系统的影响，因此上述数据仅为示例。

如考虑用某有机朗肯循环来利用地热资源，则可实现总功率9％的提升。

内管2的下部内壁还固设有第二绝热层9，所述第一绝热层3及若干温差发电片4均位于第二绝热层9上方。如此设计，温差发电片4设置在地热井的较浅段，此段位置的内外水流温差大，热交换明显，热量损失大。在地热井深段，外管1内的冷水已被加热至较高温度，与内管2内的热水温差较小，换热不明显，热量损失不大，在此段若设置温差发电片4，会导致发电效率低且成本大。因此采用本申请的分段式地热井结构(即中部及上部位置设置温差发电片4，下部不设置温差发电片4)，有效利用了下部的天然地热环境及中上部的内外水流温差，在有效的利用热量损失提高发电效率并提供额外的热阻的同时，降低了运行成本。

所述第二绝热层9的高度为所述内管2高度的四分之一。

若干所述温差发电片4固设在第一绝热层3与内管2之间，或若干所述温差发电分别固设在第一绝热层3的内侧与外侧。如此设计，在有效利用水流温差提高发电效率的同时，使得内管2与外管1之间的绝热效果更好，出口水温更高。

所述第一绝热层3沿内管2轴向布置有若干层，若干所述温差发电片4与若干第一绝热层3沿内管2轴向依次交叉层叠布置。如此设计，使得温差发电片4的发电量更高。

固定钢架6由上至下分散设置在内管2与外管1之间。如此设计，使内管2与外管1之间的固定连接更稳固。

内管2的底端与外管1的底端位于同一水平面设置，内管2下部开设有若干通孔2-1，外管1与内管2之间通过若干通孔2-1连通设置。如此设计，通过设置通孔2-1，便于水流通过，同时与现有技术中的内管2底端高于外管1底端的套管结构相比，有效避免内管2悬空，有效减小固定钢架6的承压，提高地热井的使用寿命。

外管1内的冷水通道10底端及内管2内的热水通道11底端均固设有耐冲击材料层。如此设计，避免水流直接冲击地热井底部，进而避免发生泄漏。所述而冲击材料层可以为抗冲磨混凝土、环氧树脂合金等。

外管1与地质层8之间通过水泥层7固接。

一种基于上述地热井的原位地热发电系统，包括套管式地热井、水泵12以及循环发电系统13，水泵12的进水口通过管路与循环发电系统13中的蒸发器13-1连通，水泵12的出水口通过管路连接至外管1内的冷水通道10，内管2内的热水通道11通过管路连通至循环发电系统13中的蒸发器13-1。本申请中所述的循环发电系统13不受限制，可以为有机朗肯循环发电系统13、闪蒸循环发电系统13或卡琳娜循环发电系统13等。也可以直接用于供暖。循环水可换用其他工质，如导热油、有机工质等。

以有机朗肯循环发电系统13为例，循环水经水泵12打入外管1，经地热源加热后，从内管2流出，进入有机朗肯循环发电系统13，将热量传递给ORC工质后再次进入水泵12，回灌入外管1。在蒸发器13-1中，工质被高温水加热至沸腾，进而进入涡轮机13-3膨胀做功，带动发电机发电，涡轮机13-3排出的乏气在冷凝器13-4内完成冷凝，经工质泵13-2加压后再次进入蒸发器13-1，完成循环。

Claims (10)

1.一种套管式地热井，其特征在于：包括由外至内依次同轴布置的外管(1)、内管(2)及第一绝热层(3)，所述第一绝热层(3)与内管(2)固接，所述内管(2)内还布置有若干温差发电片(4)，且若干温差发电片(4)通过集线端子(5)连接，所述集线端子固装在第一绝热层(3)顶部，所述外管(1)与所述内管(2)之间通过若干固定钢架(6)固接，内管(2)与外管(1)的底部连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种套管式地热井，其特征在于：内管(2)的下部内壁还固设有第二绝热层(9)，所述第一绝热层(3)及若干温差发电片(4)均位于第二绝热层(9)上方。

3.根据权利要求2所述的一种套管式地热井，其特征在于：所述第二绝热层(9)的高度为所述内管(2)高度的四分之一。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种套管式地热井，其特征在于：若干所述温差发电片(4)固设在第一绝热层(3)与内管(2)之间，或若干所述温差发电片(4)分别固设在第一绝热层(3)的内侧与外侧。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种套管式地热井，其特征在于：所述第一绝热层(3)沿内管(2)轴向布置有若干层，若干所述温差发电片(4)与若干第一绝热层(3)沿内管(2)轴向依次交叉层叠布置。

6.根据权利要求1所述的一种套管式地热井，其特征在于：固定钢架(6)由上至下分散设置在内管(2)与外管(1)之间。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的一种套管式地热井，其特征在于：内管(2)的底端与外管(1)的底端位于同一水平面设置，内管(2)下部开设有若干通孔(2-1)，外管(1)与内管(2)之间通过若干通孔(2-1)连通设置。

8.根据权利要求1所述的一种套管式地热井，其特征在于：外管(1)内的冷水通道(10)底端及内管(2)内的热水通道(11)底端均固设有耐冲击材料层。

9.根据权利要求1所述的一种套管式地热井，其特征在于：外管(1)与地质层(8)之间通过水泥层(7)固接。

10.一种基于上述权利要求1～9中任一权利要求所述地热井的原位地热发电系统，其特征在于：包括套管式地热井、水泵(12)以及循环发电系统(13)，水泵(12)的进水口通过管路与循环发电系统(13)中的蒸发器(13-1)连通，水泵(12)的出水口通过管路连接至外管(1)内的冷水通道(10)，内管(2)内的热水通道(11)通过管路连通至循环发电系统(13)中的蒸发器(13-1)。

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