一种隧洞与地下井联合的热能开发系统和热能开发方法

摘要

本发明提供一种隧洞与地下井联合的热能开发系统及开发方法，包括交通隧道，交通隧道由地面延伸至地下干热岩地层，交通隧道包括第一隧道段、第二隧道段和第三隧道段；第二隧道段设置若干城门洞型发电间，第三隧道段设置若干换热池，若干换热池用于将地热能输送至若干城门洞型发电间，若干所述换热池还与城市供暖系统连接并供暖，若干所述城门洞型发电间用于将地热能转换为电能并与城市供电系统连接及供电；冷却组件，冷却组件与交通隧道的衬砌结构相结合，由第一隧道段延伸至所述第三隧道段，用于从地面向换热池输入冷却水；供氧组件，供氧组件与交通隧道的衬砌结构相结合，由第一隧道段延伸至第三隧道段，用于从地面向所述交通隧道内通风供氧。

说明书

技术领域

本发明属于地热利用技术领域，特别涉及一种隧洞与地下井联合的热能开发系统和热能开发方法。

背景技术

地下热能地层有着丰富的热能，但通常距地表较深，目前主要的开发方法是将冷水通过管道注入地下，冷水吸收地热后温度升高，并由水泵泵送到地面。受到泵送系统能耗和水压限制，开发深层地热能的难度较大，且不能大规模、大功率开发。随着掘进机技术的高速发展，采用隧洞和地下井工厂开发地热能成为一种安全高效的开发方式，同时可以大规模、工厂化开发地下热能。

也即，对于地下热能地层的开发和热能利用技术上，现阶段仍存在，开发耗能大，进而造成开发深层地热能的难度较大，且不能大规模、大功率开发的技术弊端；

可见，对于地下热能地层的开发和热能利用技术而言，如何降低能耗、降低开发深层地热能的难度，以及大规模、大功率开挖地下热能地层，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供的一种隧洞与地下井联合的热能开发系统，以至少解决上述技术问题；

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种隧洞与地下井联合的热能开发系统，所述热能开发系统包括：交通隧道，所述交通隧道由地面延伸至地下干热岩地层，所述交通隧道包括第一隧道段、第二隧道段和第三隧道段；所述第二隧道段设置若干城门洞型发电间，所述第三隧道段设置若干换热池，若干所述换热池用于将地热能输送至若干所述城门洞型发电间，若干所述换热池还与城市供暖系统连接并供暖，若干所述城门洞型发电间用于将所述地热能转换为电能并与城市供电系统连接及供电；冷却组件，所述冷却组件与所述交通隧道的衬砌结构相结合，由所述第一隧道段延伸至所述第三隧道段，用于从地面向所述换热池输入冷却水；供氧组件，所述供氧组件与所述交通隧道的衬砌结构相结合，由所述第一隧道段延伸至所述第三隧道段，用于从地面向所述交通隧道内通风供氧。

在第一方面中，所述第一隧道段设置为类“Z”字型。

在第一方面中，所述第一隧道段的开挖长度大于10千米，开挖直径为9.13米，纵向坡度为-10％，转弯半径为300米。

在第一方面中，每一所述换热池均由螺旋形隧道结构构成，所述螺旋形隧道结构与干热岩地层相连通。

在第一方面中，所述螺旋形隧道结构的设计长度为1-20千米，开挖直径为9.13米，纵向坡度为-5％，螺距为4-5千米。

在第一方面中，所述交通隧道的衬砌结构包括由外向内依次设置的隔热层、回填混凝土层和钢板衬砌层；所述冷却组件包括：冷却管；所述供氧组件包括：通风管；所述回填混凝土层内设置布设有所述冷却管和所述通风管。

在第一方面中，每一所述城门洞型发电间均包括若干发电机组。

第二方面，本发明提供了一种隧洞与地下井联合的热能开发方法，所述热能开发方法应用于上述的隧洞与地下井联合的热能开发系统，所述热能开发方法包括：开挖交通隧道；所述开挖交通隧道包括：由地面至地底方向开设隧道至干热岩地层；在所述交通隧道内设置冷却组件和供氧组件；通过所述交通隧道将所述干热岩地层的所述地热能输送至地面的城市供暖系统，以及通过所述交通隧道将所述干热岩地层的地热能转化为电能并输送至地面的城市供电系统。

在第二方面中，所述由地面至地底方向开设隧道至干热岩地层包括：由地面向所述干热岩地层方向开挖类“Z”字形的隧道节段；在所述类“Z”字型的隧道节段末端方向设置若干城门洞型发电间；在所述交通隧道的末端贴近所述干热岩地层的位置设置若干螺旋形换热池。

在第二方面中，所述通过所述交通隧道将所述干热岩地层的所述地热能转化为电能并输送至地面的城市供电系统包括：将若干所述换热池与若干所述城门洞型发电间连通，以将由所述换热池产生的热能传输至所述城门洞型发电间；所述城门洞型发电间将由所述换热池结构输送的热能转换为电能，并将所述电能输送至所述城市供电系统。

有益效果：本发明提出了一种隧洞与地下井联合的热能开发系统，通过由地面延伸至地下干热岩地层开挖交通隧道，并在交通隧道内设置若干城门洞型发电间和若干换热池，就近将换热池的地热能输入至若干城门洞型发电间进行电力转化，大大减小了耗能并提高了发电效率，若干城门洞型发电间将转化的电能输入至城市发供电系统进行供电，同时若干换热池还可以将地热能输送至城市供暖系统进行供暖，达到了自然资源的最大化利用，综上所述，通过开挖交通隧道的方式将隧道开挖至干热岩地层，并就近设置城门洞型发电间和换热池，达到了大规模、低能耗以及“工厂化”开发地热能的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中隧洞与地下井联合的热能开发系统的结构图一；

图2为本发明实施例一中隧洞与地下井联合的热能开发系统的结构图二；

图3为本发明实施例一中交通隧道的衬砌结构的断面示意图；

图4为本发明实施例二中隧洞与地下井联合的热能开发方法的流程框图。

附图标记说明：

1、交通隧道；

101、隔热层；

102、钢板衬砌层；

103、回填混凝土层；

104、冷却管；

105、通风管；

2、城门洞型发电间；

3、换热池。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

实施例一：

如图1所示，本实施例一提供了一种隧洞与地下井联合的热能开发系统，所述热能开发系统包括：

交通隧道1、冷却组件、供氧组件；

交通隧道1由地面延伸至地下干热岩地层，交通隧道1包括第一隧道段、第二隧道段和第三隧道段；第二隧道段设置若干城门洞型发电间2，第三隧道段设置若干换热池，若干换热池用于将地热能输送至若干城门洞型发电间2，若干换热池还与城市供暖系统连接并供暖，若干所述城门洞型发电间2用于将地热能转换为电能并与城市供电系统连接及供电；

冷却组件与交通隧道1的衬砌结构相结合，由第一隧道段延伸至第三隧道段，用于从地面向换热池输入冷却水；

供氧组件与交通隧道1的衬砌结构相结合，由第一隧道段延伸至第三隧道段，用于从地面向交通隧道1内通风供氧。

在上述实施例一的技术方案中，通过由地面延伸至地下干热岩地层开挖交通隧道1，并在交通隧道1内设置若干城门洞型发电间2和若干换热池，就近将换热池的地热能输入至若干城门洞型发电间2进行电力转化，大大减小了耗能并提高了发电效率，若干城门洞型发电间2将转化的电能输入至城市发供电系统进行供电，同时若干换热池还可以将地热能输送至城市供暖系统进行供暖，达到了自然资源的最大化利用，综上所述，通过开挖交通隧道1的方式将隧道开挖至干热岩地层，并就近设置城门洞型发电间2和换热池，达到了大规模、低能耗以及“工厂化”开发地热能的技术效果。需要说明的是，交通隧道1供车辆和人员进出，并在洞内安装循环水管路和输电线路。

对于上述实施例一中的第一隧道段的设置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：第一隧道段设置为类“Z”字型，以避免隧道较深时开挖形成的隧道坡度较大而使得车辆通行困难问题。

进一步地，对于第一隧道的设计尺寸，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：第一隧道段的开挖长度大于10千米，开挖直径为9.13米，纵向坡度为-10％，转弯半径为300米。

对于上述实施例一中的换热池而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：每一换热池均由螺旋形隧道结构构成，螺旋形隧道结构与干热岩地层相连通。

进一步地，对于换热池的设计尺寸而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：螺旋形隧道结构的设计长度为1-20千米，开挖直径为9.13米，纵向坡度为-5％，螺距为4-5千米。

对于上述实施例一中的交通隧道1的衬砌结构而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：所述交通隧道1的衬砌结构包括由外向内依次设置的隔热层101、回填混凝土层103和钢板衬砌层102；所述冷却组件包括：冷却管104；所述供氧组件包括：通风管105；所述回填混凝土层103内设置布设有所述冷却管104和所述通风管105；需要说明的是，洞内通过冷却管104到形成温控系统，其与交通隧道1的衬砌结构相结合，交通隧道1的衬砌结构采用“钢-混凝土+隔热材料+冷却水管”衬砌，上部设置冷却管104，由地表往下灌注冷水，直接与螺旋形换热池联通，为交通隧道1内部进行温度调控；通风管105与交通隧道1的衬砌结构相结合，由地表往下压入空气，为地下井工厂通风供氧。

对于上述实施例一中的城门洞型发电间2而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：每一所述城门洞型发电间2均包括若干发电机组。

实施例二：

本发明提供了一种隧洞与地下井联合的热能开发方法，所述热能开发方法应用于上述的隧洞与地下井联合的热能开发系统，所述热能开发方法包括：开挖交通隧道1；所述开挖交通隧道1包括：由地面至地底方向开设隧道至干热岩地层；在所述交通隧道1内设置冷却组件和供氧组件；通过所述交通隧道1将所述干热岩地层的所述地热能输送至地面的城市供暖系统，以及通过所述交通隧道1将所述干热岩地层的地热能转化为电能并输送至地面的城市供电系统。

进一步地，对于所述由地面至地底方向开设隧道至干热岩地层的步骤而言，本实施例二提出一种实施方式，该实施方式包括：由地面向所述干热岩地层方向开挖类“Z”字形的隧道节段；在所述类“Z”字型的隧道节段末端方向设置若干城门洞型发电间2；在所述交通隧道1的末端贴近所述干热岩地层的位置设置若干螺旋形换热池。

在进一步地，对于所述通过所述交通隧道1将所述干热岩地层的所述地热能转化为电能并输送至地面的城市供电系统的步骤而言，本实施例二提出一种实施方式，该实施方式包括：将若干所述换热池与若干所述城门洞型发电间2连通，以将由所述换热池产生的热能传输至所述城门洞型发电间2；所述城门洞型发电间2将由所述换热池结构输送的热能转换为电能，并将所述电能输送至所述城市供电系统。

对于上述实施例二中的所述开挖交通隧道1包括由地面至地底方向开设隧道至干热岩地层的步骤而言，本实施例二提出一种实施方式，该实施方式包括：通过掘爆机对地层结构进行掘进开挖，通过所述掘爆机开挖地层时，将所述掘爆机的内部温度控制在30度以下，具体地，掘爆机外侧设置隔热外壳和室内空调，为机内工作人员调温，掘爆机掘进时，刀盘采用冰水混合浸泡，为掘爆机刀具和刀盘降温。

由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。

最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。