[發明專利]一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構及梯級利用方法

有效

• 申請號: 201711249192.X
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107975953B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發明（設計）人: 趙欽新;桂雍;王云剛;梁志遠
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F24T10/17
• 分類號: F24T10/17
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：包括干熱巖換熱系統(1)、監控系統(2)和地熱能梯級利用系統(3)；所述干熱巖換熱系統(1)包括地熱井(11)，置于地熱井(11)中的換熱管(13)和換熱管(13)內的回液管(14)，套接在地熱井(11)外并位于松散地層中的固井套管(12)，位于固井套管(12)與地熱井(11)間并延伸至基巖層中的隔熱包覆層(15)，套接在地熱井(11)外并位于干熱巖層中的導熱包覆層(16)，設置在換熱管(13)頂部出口的出口法蘭(19)以及設置在回液管(14)入口的進口法蘭(18)；所述換熱管(13)為分體式結構設計，包括位于松散地層和基巖層中的非換熱段光管(131)以及位于干熱巖層中的換熱段內翅管(132)和設置在換熱管(13)底部的封底盤(133)；

所述監控系統(2)包括設置在地熱井(11)出口的抽氣控制閥(21)和增壓泵(22)，設置在換熱管(13)內的由液位傳感器(26)、溫度傳感器(27)和流量計(28)組成的數據采集系統，設置在回液管(14)入口的顯示控制模塊(23)、回液控制閥(24)和回液泵(25)；

所述地熱能梯級利用系統(3)包括與增壓泵(22)連接的氣液分離裝置(31)，與氣液分離裝置(31)的高溫有機氣體出口連接的汽輪機(32)，汽輪機(32)利用有機朗肯循環帶動發電機(33)發電，汽輪機(32)的出氣口和氣液分離裝置(31)的有機液出口連接換熱器(34)入口，汽輪機(32)出口氣與氣液分離器(31)分離出的有機液一同進入換熱器(34)中與供暖用戶(35)的供暖水換熱，換熱器(34)出口連接冷凝塔(36)入口，冷凝塔(36)連接回液泵(25)。

2.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)底部預設距離處設置封底盤(133)，該距離確保工質下行180°轉彎不形成渦流而均勻進入翅片間流動換熱。

3.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)采用整體成形方式制造，即采用整體鍛造、整體擠壓和整體機加成型；或采用線切割成形，線切割的鉬絲進入和退出時的縫隙要封焊才能成為封閉圓管；或采用焊接而成，焊接結構是將兩個整體鍛造或整體擠壓或機加工的半圓內翅管對接焊接兩道縱縫而成。

4.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)表面為光面，或為增強換熱能力做縱向波紋處理，波紋形式為鋸齒形、矩形或正弦函數波形。

5.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)采用軸對稱梳齒狀結構時，內翅片對的數量為3～8對，厚度為2～4mm，在具體制作時根據管徑大小、工質流動情況選擇內翅片參數。

6.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)采用中心對稱內板翅結構時，內翅片對的數量為2～8對，厚度為2～4mm，在具體制作時根據管徑大小、工質流動情況選擇內翅片參數。

7.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述換熱段內翅管(132)和封底盤(133)為鋁硅合金、銅或銅合金材質，非換熱段光管(131)的頭部采用導熱系數低的金屬材質，回液管(14)采用耐高溫的氟塑料材料。

8.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述導熱包覆層(16)采用熔點比換熱段內翅管(132)低、導熱優良且無毒的材料澆注而成；所述隔熱包覆層(15)采用熔點比非換熱段光管(131)低的隔熱且無毒的材料澆筑而成，起到保溫作用。

9.根據權利要求1所述的一種提取干熱巖地熱能內翅換熱結構，其特征在于：所述液位傳感器(26)、溫度傳感器(27)、流量計(28)和線路上涂覆包裹保溫隔熱材料防止服役在高溫環境中的儀器線路被破壞。

10.權利要求1至9任一項所述的提取干熱巖地熱能內翅換熱結構的地熱能梯級利用方法，其特征在于：包括如下步驟：

a、干熱巖勘探及鉆井：

采用地熱探測設備對地下深層干熱巖層的深度及地熱能儲量進行探測，選取地熱能儲量大的區域采用石油鉆井設備對所選區域鉆井，到堅固的巖層并鉆至預設深度后放下固井套管(12)，并在外側填入水泥(17)固井，之后采用小號的鉆頭下鉆至深4000米～5000米的干熱巖層處，利用循環洗凈液徹底沖洗地熱井(11)；

b、同軸封閉式換熱管的制備及數據采集系統的封裝：

根據干熱巖層的深度、地熱井(11)的直徑選擇適配的直徑制備換熱段內翅管(132)、封底盤(133)和非換熱段光管(131)及其頭部，根據干熱巖層的儲熱量設計直徑制備回液管(14)，將液位傳感器(26)封裝在回液管(14)的相應位置并布好線路；進一步將換熱段內翅管(132)和封底盤(133)封底焊接完成換熱管段的制備；將封裝好溫度傳感器(27)和流量計(28)的非換熱段光管(131)、光管頭部、換熱段內翅管(132)、回液管(14)裝配，將光管頭部和非換熱段光管(131)焊接最后將光管(131)與回液管(14)連接處密封；

c、包覆層制備：

將上步裝配好的換熱管放置井內，并固定好后，通過換熱管與固井套管(12)間間隙將熔點比換熱段內翅管(132)低、導熱優良且無毒的澆注材料融化后壓入干熱巖層換熱段，澆注過程中材料和干熱巖層實現擴散和熔融利于熱傳導，確保了澆筑材料凝固成型后干熱巖層熱能源源不斷地傳遞給換熱段內翅管(132)；進一步將熔點比非換熱段光管(131)低的隔熱且無毒的澆筑材料融化后從地面灌入至非換熱段，形成隔熱包覆層(15)，起到保溫作用；

d、溫度、流量、液位控制：

通過安裝在非換熱段光管(131)頭部的溫度傳感器(27)與流量計(28)將采集的數據通過數據傳輸至顯示控制模塊(23)后，操作人員根據溫度、流量數據顯示及發電、供暖用戶35的需求，通過控制抽氣控制閥(21)與增壓泵(22)、回液控制閥(24)和回液泵(25)以調節抽氣、回液流量和溫度，液位傳感器(26)反饋換熱管中液位數據，方便及時解決有機工質泄露問題；

e、地能梯級利用：

地熱能梯級利用系統(3)采用雙工質循環，有機工質在干熱巖層的換熱段內翅管(132)中提取地能，氣化后經非換熱段光管(131)由增壓泵(22)抽出送入氣液分離器(31)中，分離出的高溫有機氣體進入氣輪機(32)，利用有機朗肯循環帶動發電機(33)發電，氣輪機(32)出口氣與氣液分離器(31)分離出的有機液一同進入換熱器(34)中與供暖水換熱，最后有機工質經冷凝塔(36)冷凝后通過回液泵(25)回液至地熱井底，循環使用，含低品位熱能的供暖水則給供暖用戶(35)供暖，實現地熱能的梯級利用。