一种联合地热开发和利用系统及能量分配管控方法

摘要

本发明公开了一种联合地热开发和利用系统及能量分配管控方法，该系统包括热管，热管用于置于生产井内，热管外壁与生产井内壁间留有间隙，热储工质在该间隙内流动换热；在热管内设置有管内工质，热管的工质出口端和一次热利用装置的工质入口端相连接，一次热利用装置的工质出口端和热管的工质出口端相连接，以使得管内工质在热管和一次热利用装置之间循环流动；注入泵的进口端和间隙相连通，出口端和注入井相连通，以将热储工质在注入泵作用下经由注入井进入人工热储，在人工热储裂隙内渗流并获取热量并流动至生产井内，形成热储工质的循环流动。本系统通过热管来直接产生一次热利用装置所需的蒸汽，有助于一次热利用装置的长期稳定运行。

说明书

技术领域

本发明属于地热能开发及利用领域，具体涉及一种联合地热开发和利用系统及能量分配管控方法。

背景技术

干热岩地热能是贮存在深层低渗透性高温岩体中的地热能，具有储量丰富、温度高等优点。现有干热岩地热开采技术主要是采用增强型(即EGS)地热系统，其原理是首先对干热岩靶区钻井，利用水力压裂等手段将地下低渗透性目标岩体压裂成高渗透性的人工热储，通过微震监测等手段评价人工热储发育程度，再钻出一口或多口井，实现井间连通。通过水泵等设备将低温的水、二氧化碳等流体介质注入到人工热储，置换高温岩石中的热能用于地面发电的系统。自上世纪70年代美国提出增强型地热开采的概念以来，该模式至今未完全形成商业化运营，不仅受钻井及人工压裂费用较高、井间连通性难以保证、循环工质漏损等因素制约，还存在采出流体矿物析出造成生产井结垢、地上换热系统复杂、发电稳定性受采出流体流量及温度影响显著等问题。

热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温段传输到低温段。热管具有较高的传热率、优良的等温性等特征，是目前最有效的传热设备之一。专利ZL201710343194.9及ZL201910328413.5等公开了可进行深部地热开采的超长重力热管，突破了积液、气液卷携等瓶颈，但由于管外为低导热的地下岩体，管外岩体的低导热性较大程度限制了该热管采热系统性能。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明实施例提供一种联合地热开发和利用系统及能量分配管控方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种联合地热开发和利用系统，包括：

热管，所述热管用于置于生产井内，热管外壁与生产井内壁间留有间隙，热储工质在该间隙内流动换热；在所述热管内设置有管内工质，热管的工质出口端和一次热利用装置的工质入口端相连接，一次热利用装置的工质出口端和热管的工质出口端相连接，以使得管内工质在所述热管和一次热利用装置之间循环流动；

注入泵，所述注入泵的进口端和所述间隙相连通，出口端和注入井相连通，以将热储工质在注入泵作用下经由注入井进入人工热储，在人工热储裂隙内渗流并获取热量并流动至生产井内，形成热储工质的循环流动。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，在所述热管的工质出口端和一次热利用装置的工质入口端之间连接安装有蒸汽调节阀和气液分离器，在一次热利用装置的工质出口端和热管的工质入口端之间连接安装有回流调节阀。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述一次热利用装置为地面发电装置，包括汽轮机、发电机、凝汽机；所述热管作为地面发电装置的蒸发器，地面发电装置等效为热管的冷凝段，热管内的管内工质在获取热量后汽化并经蒸汽调节阀输送至气液分离器，由气液分离器分离出来的汽相流体进入汽轮机做功，带动发电机发电，做功后进入凝汽机进一步放热液化并进入工质回收储存器，液态的管内工质经回流调节阀进入热管内部，形成闭式循环。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述凝汽机还和直接供热系统相连接。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述凝汽机用于调节汽轮机背压，通过控制蒸汽压力、循环流量、工作温度及汽轮机背压控制实现发电功率调节及热储工质不同梯级利用的能量分配。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，在所述注入泵的进口端和所述间隙相连通的管路中连接安装有换热器，所述换热器还和热泵及余热梯级利用系统相连接。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述生产井为一口井，或多口井。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述热管设计为等直径管并插入生产井一开井段，或设计为阶梯直径并插入于生产井一开及二开井段；所述重力热管外壁是光滑壁面或者增加强化换热元件。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，所述热储工质包括水和/或二氧化碳；所述管内工质包括水、液氨、戊烷、酒精、R134a、R410a中的一种或多种。

第二方面，本发明实施例提供了一种联合地热开发和利用系统的能量分配管控方法，所述系统为上述的系统，所述方法包括：

根据发电需求及效率计算热管所需提供蒸汽内能；

调节蒸汽调节阀开度，控制凝汽机出口温度，使热管工作温度逐渐与发电需求匹配，同时由凝汽机外循环向直接供热系统提供热量；

调节注入泵控制热储工质流量，调节换热器控制热储工质注入温度，并向余热梯级利用系统传递热量。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本系统通过热管来直接产生一次热利用装置所需的蒸汽，且管内循环工质无结垢和腐蚀效应，有助于一次热利用装置的长期稳定运行，热管蒸发段由生产井内热储工质实现强制对流传热，极大程度提升了超长热管管外能量获取性能，实现超长热管内部流体工质的高效蒸发，进而实现稳定可靠的热力循环。

附图说明

图1为实施例中采用的增强型地热系统结合重力热管的联合地热开发和利用系统示意图；

附图标记说明：1、注入井；2、人工热储；3、热储工质；4、生产井二开井段；5、热管；6、管内工质；7、生产井一开井段；8、直接供热系统；9、凝汽机；10、发电机；11、汽轮机；12、气液分离器；13、蒸汽调节阀；14、地面回流及除垢管；15、换热器；16、热泵及余热梯级利用系统；17、注入泵；18、工质回收储存器；19、回流调节阀。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1所示，本实施例提供的联合地热开发和利用系统包括热管5，该热管5用于置于生产井内，热管5外壁与生产井内壁间留有间隙，热储工质3在该间隙内流动换热；在该热管5内设置有管内工质6，热管5的工质出口端和一次热利用装置的工质入口端相连接，一次热利用装置的工质出口端和热管5的工质出口端相连接，以使得管内工质6在热管5和一次热利用装置之间循环流动；还包括注入泵17，该注入泵17的进口端和所述间隙相连通，出口端和注入井1相连通，以将热储工质3在注入泵17作用下经由注入井1进入人工热储2，在人工热储2裂隙内渗流并获取热量并流动至生产井内，形成热储工质3的循环流动。

由此可见，本系统通过热管来直接产生一次热利用装置所需的蒸汽，且管内循环工质无结垢和腐蚀效应，有助于一次热利用装置的长期稳定运行，热管蒸发段由生产井内热储工质实现强制对流传热，极大程度提升了超长热管管外能量获取性能，实现超长热管内部流体工质的高效蒸发，进而实现稳定可靠的热力循环。

作为上述联合地热开发和利用系统的一种优选，在该热管5的工质出口端和一次热利用装置的工质入口端之间连接安装有蒸汽调节阀13和气液分离器12，在一次热利用装置的工质出口端和热管5的工质入口端之间连接安装有回流调节阀19。该蒸汽调节阀13、气液分离器12、回流调节阀19用于调节超长热管5蒸汽压力、循环流量及工作温度。

具体地，在本实施例中，上述的一次热利用装置为地面发电装置，包括汽轮机11、发电机10、凝汽机9；所述热管5作为地面发电装置的蒸发器，地面发电装置等效为热管的冷凝段，热管5内的管内工质6在获取热量后汽化并经蒸汽调节阀13输送至气液分离器12，由气液分离器12分离出来的汽相流体进入汽轮机11做功，带动发电机10发电，做功后进入凝汽机9进一步放热液化并进入工质回收储存器18，液态的管内工质6经回流调节阀19进入热管5内部，形成闭式循环。此外，该凝汽机9还和直接供热系统8相连接，凝汽机9用于调节汽轮机11背压，通过控制蒸汽压力、循环流量、工作温度及汽轮机11背压控制实现发电功率调节及热储工质不同梯级利用的能量分配。

作为上述联合地热开发和利用系统的优选，在该注入泵17的进口端和所述间隙相连通的管路中连接安装有换热器15，所述换热器15还和热泵及余热梯级利用系统16相连接，以进一步利用热量。

具体地，上述的生产井为一口井，或多口井。该热管5可以设计为等直径管并插入生产井一开井段7，或设计为阶梯直径并插入于生产井一开及二开井段；该热管5外壁是光滑壁面或者增加翅片等强化换热元件。该热储工质3包括但不限于水及二氧化碳，该热管内工质6包括但不限于水、液氨、戊烷、酒精、R134a、R410a。

也就是说，图1所示的是一种增强型地热系统结合重力热管的联合地热开发和利用系统，用于开采深部地热并进行发电、供热及梯级利用。组成包括增强型地热循环系统、超长热管系统、地面发电装置、二次热利用系统。本系统结合了增强型地热系统及超长热管采热系统的优势，通过将超长热管蒸发段内插于增强型地热系统生产井，形成热储循环及超长热管循环。热储循环不断向超长热管蒸发段提供热量，并通过地面换热器及热泵等进行二次热利用。超长热管可直接向地面发电系统输送蒸汽，通过控制蒸汽压力、循环流量、工作温度及汽轮机背压控制能够实现发电功率调节及热储循环工质不同梯级利用的能量分配。

该二次热利用系统包括但不限于有机朗肯循环发电、热泵系统及直接供热系统。该增强型地热系统生产井采出的热储工质在与热管换热后输送于二次热利用系统，根据热储循环工质品位进一步采用有机朗肯循环、热泵系统进行发电及热利用。该增强型地热系统不仅包括干热岩型地热资源开采系统，还包括类似技术方案的水热型地热资源开采系统，例如取水回灌系统。

该增强型地热循环系统包括注入井1、人工热储2、热储工质3、生产井一开井段7、生产井二开井段4、地面回流及除垢管14、注入泵17，超长热管系统包括热管5、管内工质6、气液分离器12、蒸汽调节阀13、工质回收储存器18、回流调节阀19，地面发电装置包括汽轮机11、发电机10、凝汽机9，二次热利用系统包括直接供热系统8、换热器15、热泵及余热梯级利用系统16。

其中，注入井1、人工热储2、生产井一开井段7、生产井二开井段4、地面回流及除垢管14、换热器15、注入泵17依次相连，组成热储循环回路；热管5依次连接蒸汽调节阀13、气液分离器12、汽轮机11、发电机10、凝汽机9、工质回收储存器18、回流调节阀19，并再次连入热管5内，形成闭环回路，热管5的蒸发段部分插入增强型地热循环系统的生产井一开井段7内，与生产井一开井段7壁面形成间隙。

运行时，热储工质3在注入泵17作用下经由注入井1进入人工热储2，在人工热储2裂隙内渗流并获取热量，由生产井二开井段4采出并向上流动至生产井一开井段7；热储工质3流过热管5蒸发段与生产井一开井段7间隙时向热管5传递热量，管内工质6在获取热量后汽化上升，经蒸汽调节阀13输送至气液分离器12，由气液分离器12分离液相后进入汽轮机11做功，带动发电机10发电，做功后进入凝汽机9进一步放热液化并进入工质回收储存器18，液态的管内循环工质6经回流调节阀19进入热管5内部，回流至蒸发段的同时逐渐获取热量并再次汽化。

相应地，本实施例还提供了一种基于上述联合地热开发和利用系统的能量分配管控方法，该方法具体包括如下步骤：

1)根据发电需求及效率计算超长热管所需提供蒸汽内能；

2)调节蒸汽调节阀13开度，控制凝汽机9出口温度，使超长热管工作温度逐渐与发电需求匹配，同时由凝汽机9外循环向直接供热系统8提供热量；

3)调节注入泵17控制热储循环流量，调节换热器15控制热储循环注入温度，并向热泵及余热梯级利用系统16传递热量。

综上，本发明与现有技术相比具有如下技术优势：

(1)本发明可通过超长热管系统直接产生用于发电的蒸汽，无需地面闪蒸系统及换热器等设备，从而简化了地面发电系统，且管内循环工质无结垢和腐蚀效应，有助于汽轮机长期稳定运行。

(2)借助超长热管的等温特性，生产井内热储循环工质温度在上升过程中更均匀稳定，降低碳酸盐等组分析出问题，避免生产井结垢。此外，该温度还可根据超长热管蒸发及冷凝温度进行调节，实现发电、余热梯级利用间的能量分配。

(3)超长热管蒸发段由生产井内热储循环工质实现强制对流传热，极大程度提升了超长热管管外能量获取性能。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。