一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统

摘要

本发明公开了一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，所述系统包括间接取热子系统、用热子系统；所述间接取热子系统为封闭环路系统，包括下降保温段、节流阀、上升换热段、上升保温段、阀门，内部含有的低沸点工质，低沸点工质在重力驱动下循环流动；通过节流阀开度的调节，调控工质的流量及压力；设置有旁路增压子系统，通过压缩机的工作介入，可提供更高的供热温度及负荷；用热子系统通过间壁式换热器与间接取热子系统相连接，循环水泵驱动热水循环于换热器及热用户之间，实现热水从换热器的吸热、向热用户的放热。本系统在中深层地热能开发利用中实现“取热不取水”，低沸点工质可完全由重力驱动循环，实现无功耗取热。

说明书

技术领域

本发明属于地热能开发利用技术领域，特别涉及一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统。

背景技术

地热能是清洁可再生能源，当前的地热开发技术多是将地热流体抽至地面加以热利用，若不回灌，地热废水直接排放引起的热污染和化学污染，长期以往会导致地下水位下降、地面沉降等问题；若采用回灌，又存在回灌难度大、回灌耗能高、易引起热储冷却等问题。亟需寻求一种低能耗的“取热不取水”的地热能间接取热技术。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，系统内的循环工质与地热流体间壁式换热，实现“取热不取水”，避免抽取地热水引起的一系列问题；同时，工质在重力的作用下产生压差，可实现工质的无耗功循环流动。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案。

一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，包括设置在地热井内的间接取热子系统、设置于取热子系统上方的用热子系统；所述间接取热子系统为封闭环路系统，包括下降保温段、节流阀、上升换热段、上升保温段、阀门，内部含有的低沸点工质，低沸点工质在换热器冷凝为液态后，沿下降保温管向下流动，并富集成一定高度的液位，液相工质在重力的作用下在节流阀前方形成高压，经过节流阀的减压降温后，流入上升换热段从地热流体吸热并气化，吸热后的气相工质沿上升保温段流入换热器向用热子系统放热并冷凝，形成一个循环；所述的节流阀开度可调节，通过开度的调节，调控工质的流量及压力；所述用热子系统通过间壁式换热器与间接取热子系统相连接，循环水泵驱动热水循环于换热器及热用户之间，实现热水从换热器的吸热、向热用户的放热。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统上方设置旁路增压子系统，所述的旁路增压子系统的进出口分别连通于取热子系统阀门的两侧；常规工况下压缩机不工作，取热系统阀门处于开启状态；当系统供热温度或负荷低于要求时，关闭阀门，开启压缩机，用以升温及提高供热负荷。

进一步，所述一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统设有工质充罐/回收子系统，所述的工质充罐/回收子系统包括工质罐、四通阀、压缩机、截止阀，所述四通阀的进气口与压缩机排气口连接、排气口与压缩机进气口相连、两个工作口分别与工质罐和取热子系统相连，通过四通阀的切换，实现工质充罐与工质回收；所述的工质充罐/回收子系统可补充间接取热系统泄漏的工质，亦可根据负荷要求回收多余工质；四通阀与取热系统之间设置截止阀，工质充罐/回收子系统非工作时段截止阀处于关闭。

在上述的重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，所述的间接取热子系统为U型管式闭环回路。

在上述的重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，所述的间接取热子系统的下降保温段、上升保温段为采用聚氨酯材质制作的保温管道。

在上述的重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，所述的间接取热子系统的上升换热段可设置为单根换热管或多组平行换热管，数量、管径、长度等参数根据热负荷需求、当地地热资源状况而定；换热段由高导热的金属制造，外壁涂覆防腐导热涂层以减缓壁面腐蚀；所述上升换热段埋管深度为1000-6000米，埋管上端深度根据供热温度需求及当地地热资源而定，优选地，埋管上端处地热流体温度高于供热温度5-10°C。

在上述的重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，所述的间接取热子系统内充罐的低沸点工质为纯工质或非共沸混合工质。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

（1）该系统在中深层地热能开发利用中实现“取热不取水”，避免了抽取地下水带来的能耗高、污染严重等问题；

（2）通过合理地设计，实现了重力驱动型工质循环流动，减少了取热过程能耗；

（3）低沸点工质地下取热、地上放热过程均为相变过程，强化了换热、提高了换热效率；

（4）通过节流阀开度调控可实现供热温度、负荷的调控；通过旁路增压系统的介入，可提供更高的供热温度及负荷。

附图说明

图1为本发明中地热能提取装置的结构示意图；

图中所示：

1、间接取热子系统，2、旁路增压子系统，3、用热子系统，4、工质充罐/回收子系统，11下降保温段，12、节流阀，13、上升换热段，14、上升保温段，15、阀门，31、换热器，32、循环水泵，33、热用户，41、工质罐，42、四通阀，43、压缩机，44、截止阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。显然，所述实施方式仅为本发明的较佳实施方法之一，本发明不限于所公开的具体实施方法，凡是依据本发明的技术实质对一下实施例所作出的简单修改、变化，均属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种重力驱动型中深层地热流体间接取热系统，包括设置在地热井内的间接取热子系统1，间接取热子系统为封闭环路系统，内部含有的低沸点工质，间接取热子系统包括下降保温段11、节流阀12、上升换热段13、上升保温段14；在取热子系统上方并联旁路增压子系统，旁路增压子系统的进出口分别连通于取热子系统阀门15的两侧；在旁路增压子系统出口后设置用热子系统3，用热子系统3通过间壁式换热器31与取热子系统连接；下降保温段上方连接有工质充罐/回收子系统，补充间接取热系统泄漏的工质，亦可根据负荷要求回收多余工质。

低沸点工质在封闭环路内实现如下循环：在换热器31冷凝为液态后，沿下降保温管向下流动并富集形成高液位，液相工质在重力的作用下在节流阀12前方形成高压，经过节流阀12的减压降温后，流入上升换热段13从地热流体吸热并气化，吸热后的气相工质沿上升保温段14流入换热器31向用热子系统放热并冷凝，形成一个循环；节流阀12开度可调节，通过开度的调节，调控工质的流量及压力；用热子系统3的循环水泵32驱动热水循环于换热器31及热用户33之间，实现循环水从换热器的吸热、向热用户的放热；低沸点工质在吸热工况下的饱和沸点不高于地热流体温度，优选地，工质在吸热工况下的蒸发温度为60-100°C。

以提取3000-4000米深地热井的地热能为例，根据上述分析，在本方案中取热系统设置为U型封闭环路，下降保温段下部埋深3500米，上升换热段长度1500米，换热段上部埋深2000米，上升换热段上部连接上升保温管，上升保温管长度约2000米；地热井内2000米深温度约为70-80°C，低沸点工质在上升换热段内吸热后接近换热段上部外侧地热流体的温度，而后沿上升保温段流通至换热器向用热子系统冷凝放热；上升保温段、下降保温段由聚氨酯保温材料制作，上升保温段防止高温的气化低沸点工质与地热井内上部温度较低的流体换热，避免上升管内产生冷凝回流现象，减少热量损失；下降保温段防止冷凝后的液相工质从地热流体吸热气化，在下降管内部形成上升对流换热及气相高压，保证工质在封闭环路内的流通方向一致性；上升保温段可以采用导热系数较高的金属材质，例如铜，外表面涂覆防腐导热涂层，可设置为单根换热管或多组平行换热管，提供足够的换热面积以保证供热温度及热负荷。

根据热用户供热温度及负荷需求的变化，所述重力驱动型中深层地热流体间接取热系统可分为常规模式及高负荷模式两种运行方式。

常规模式：低沸点工质在换热器内的冷凝温度及放热量完全满足热用户的需求，旁路增压系统不工作，阀门15处于开启状态，低沸点工质完全由重力引起的压差下产生自然循环流动：冷凝后的液相工质在重力作用下沿下降保温段向下流动，并富集形成一定高度液位，节流阀12前后的工质具有液位差，在压差作用下，液相工质在节流后流入上升吸热段，然后在吸热段完全气化后，在重力作用下沿上升保温段流入换热器；充分换热后，上升保温段入口的工质温度达到70°C，忽略上升保温段的散热损失，则换热器取热系统入口温度视为70°C，换热器端差取5°C，则用热系统供热温度为65°C；调节节流阀12的开度，可在一定范围内调控工质的质量流量，改变供热温度及负荷；在此运行模式下，取热系统的取热过程无需额外耗功。

高负荷模式：当调控节流阀12的开度满足不了用热温度及负荷时候，旁路增压系统介入工作，关闭阀门15，开启压缩机，在压缩机的作用下，换热器内部产生更高的温度、压力及流量，按照上述分析，用热系统供热温度高于65°C，并与压缩机工况相关，压缩机可采用变频运行方式，输入功率越大，则可获取更高的供热温度及负荷，优选地，压缩机出口温度为75-85°C；在此运行模式下，取热系统的压缩机需要耗功。

在本方案中，还设置有工质充罐/回收子系统4，四通阀42进气口与压缩机43排气口连接，所述四通阀42排气口与压缩机43进气口相连，四通阀42的两个工作口分别与工质罐41和取热子系统的下降保温段相连接，四通阀42与下降保温段11之间设置截止阀44；工质充罐/回收子系统非工作时段，截止阀处于关闭状态；充罐工质时，开启截止阀，调控四通阀，压缩机排气口连通于取热子系统，压缩机吸气口连通于工质罐，压缩机工作，工质从工质罐流入取热子系统；回收工质时，开启截止阀，调控四通阀，压缩机排气口连通于工质罐，压缩机吸气口连通于取热子系统，压缩机工作，工质从取热子系统流入工质罐。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

本发明在中深层地热能开发利用中实现“取热不取水”，避免了抽取地下水带来的能耗高、污染严重等问题；通过合理地设计，低沸点工质在重力驱动下循环流动，实现无功耗取热；通过节流阀开度调控可实现供热温度、负荷的调控；通过旁路增压系统的介入，可提供更高的供热温度及负荷；在地热能的清洁、低耗开发利用中具有广泛的应用前景。