中深层地热联合发电系统

本发明属于地热资源利用领域，涉及中深层地热利用技术，尤其是一种中深层地热联合发电系统。

背景技术：

地热能是以热能形式存在的能源资源，与太阳能和风能不同，地热能以热用热，无需转换，且不受昼夜与天气影响，具有储量大、运行稳定等优势。相比于水热型地热资源，干热岩具有更高的能量品位与能量密度，已有研究表明，干热岩体的载热温度可高达150-650℃。

干热岩利用形式主要是地热发电。干热岩内的传热介质经高温岩体加热后,以临界水和水蒸汽的形式驱动汽轮机发电，发电后传热介质温度降低，进入干热岩加热,成为气态后进入汽轮机再次发电，如此循环利用。除水可作为发电介质之外，也可以采用其它介质，如有机烷类氟利昂等，形成封闭式双循环发电系统。干热岩发电若能普及可大幅降低化石能源发电产生的温室效应和酸雨对环境的污染风险，随着钻井技术与人工热储技术的不断进步，干热岩发电将与传统火力和水力发电具有更强的竞争力。

但从实际地热发电的应用例来看，绝大部分以深部热储存在高温水或水蒸气为必要条件，而深层干热岩高温热储很难满足该条件，因此，目前为止，干热岩发电主要以人工压裂制造热储的注采对井技术为主。这一技术主要有两大缺陷：(1)注、采流量不稳定，注入井流量很难做到100％加热返回到开采井；(2)较低温度的注入水与高温干热岩接触也会诱发浅层地震，影响周边居民的人身安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种中深层地热联合发电系统，既能克服干热岩无水、又能克服由于高温岩体与低温换热介质温差过高形成的微地震，同时，由于该技术采用了浅层开式单井与深层闭式单井相结合的循环系统，循环介质流量可控，无需地面补水。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种中深层地热联合发电系统，包括水热型地热单元、干热岩单元及发电单元，每两个单元之间均采用板式换热器连接。

而且，所述的水热型地热单元包括地热井、地热井内套管，地热井内套管设置在地热井内，依次穿过地层和地下含水层，在地热井内套管中设置有用来提取地热水潜水泵，地热井内套管的出水端连接第一板式换热器。

而且，所述的干热岩单元包括干热岩井、干热岩井内套管，所述的干热岩内套管设置在干热岩井中穿过地层，干热岩井的入口端连接第一板式换热器的出口端，干热岩井内套管的出口端连接第二板式换热器的入口端。

而且，所述的发电单元包括汽轮发电机，第二板式换热器的出口端连接汽轮发电机。

而且，在汽轮发电机与第二板式换热器之间设置有工质泵和冷凝器。

而且，在第一板式换热器和第二板式换热器的前端均设置有用于过滤水质的除砂过滤器，在第一板式换热器和第二板式换热器之间设置有水泵。

综上，为提高干热岩出口温度并稳定发电量，本发明提出将深层高温干热岩井与浅层水热型地热井相结合的联合发电系统。

该系统有以下优点效果：

本发明设计科学合理，将水热型地热单元、干热岩单元及发电单元组合，每两个单元之间均采用板式换热器连接，通过水热型地热资源先预热干热岩传热介质，提高干热岩井进口温度，从而提高干热岩内传热介质的出口温度，热力学不可逆损失少，增加发电量；干热岩地下取热系统与地面发电系统均设循环水泵，通过调节水泵流量调节干热岩传热介质出口温度，稳定发电量；开式单井循环换热技术的取热效率高，井水可以作为干热岩井的补水，无需地面另设置补水源。

附图说明

图1为本系统结构示意图；

图2为本系统的orc发电t-s图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种中深层地热联合发电系统，包括水热型地热单元、干热岩单元及发电单元，每两个单元之间均采用板式换热器连接。

所述的水热型地热单元包括地热井11、地热井内套管12，地热井内套管设置在地热井内，依次穿过地层和地下含水层，所述地热井内套管采用导热率低的材料制成，以减少热量散失，在地热井内套管中设置有潜水泵13，用来提取地热水，地热井内套管的出水端连接第一板式换热器2，在第一板式换热器前端设置有第一除砂过滤器1，用于过滤地下水杂质。

所述的干热岩单元包括干热岩井9、干热岩井内套管10，所述的干热岩内套管设置在干热岩井中穿过地层，干热岩井的入口端连接第一板式换热器的出口端，干热岩井内套管的出口端连接第二板式换热器4的入口端，干热岩井内套管采用导热率低的材料制成，以减少热量散失，在第二板式换热器前端同样设置有第二除砂过滤器8，用于过滤杂质。

所述的发电单元包括汽轮发电机5，第二板式换热器的出口端连接汽轮发电机，干热岩出口传热介质与第二板式换热器进行换热，用于加热发电系统介质进行发电。

在第一板式换热器和第二板式换热器之间设置有水泵3，可调节进入干热岩井的流量，以控制干热岩井的出水温度。

在汽轮发电机与第二板式换热器之间设置有工质泵7和冷凝器6，工质泵用于调节进入第二板式换热器的流量以控制进入汽轮发电机的工质流量与温度，从而控制发电量，发电后的工质经冷凝器冷凝后重新进入第二板式换热器实现循环。

本发明的工作原理：

水热型地热单元：潜水泵运转，抽取水热型地热井中的地下热水，地下热水通过地热井内套管送至地上，经除砂过滤器后进入第一板式换热器，与干热岩入口传热介质换热，换热后的干热岩传热介质进入地热井。

干热岩单元：水泵运转，干热岩入口传热介质通过第一板式换热器预热后，进入干热岩井，与地层换热后，通过干热岩内套管送至地上，经除砂过滤器进入第二板式换热器，与发电系统传热介质换热。

发电单元：工质泵运转，发电系统传热介质通过第二板式换热器换热后，进入汽轮发电机将热能转化成电能，实现发电。发电后的工质经冷凝器冷凝后重新进入板式换热器，实现循环。

本系统的orc发电t-s图如图2所示，图中1-2段为低热开式地热井加热部分，4-5段为高温干热岩井加热部分，非共沸混合工质经工质泵加压后(12’—10’)，在第二板式换热器吸热从液态变为汽态(10’—8’)，通过汽轮发电机膨胀做功发电(8’—11’)，发电后的乏汽在冷凝器中冷凝为液态(11’—12’)，从而完成一个循环。

水热型地热系统的进水温度为tin，出水温度为tout，经过第一板式换热器后可以将干热岩的进水温度加热至tin'，如果取消水热型地热系统对干热岩系统的预热，干热岩的进水温度tin'会降低，tout'会随之降低，经过第二板式换热器的相变过程会从直线段变为虚线段，根据循环效率计算公式可知，蒸发温度降低，发电效率低。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：

1.一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：包括水热型地热单元、干热岩单元及发电单元，每两个单元之间均采用板式换热器连接。

2.根据权利要求1所述的一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：所述的水热型地热单元包括地热井、地热井内套管，地热井内套管设置在地热井内，依次穿过地层和地下含水层，在地热井内套管中设置有用来提取地热水潜水泵，地热井内套管的出水端连接第一板式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：所述的干热岩单元包括干热岩井、干热岩井内套管，所述的干热岩内套管设置在干热岩井中穿过地层，干热岩井的入口端连接第一板式换热器的出口端，干热岩井内套管的出口端连接第二板式换热器的入口端。

4.根据权利要求1所述的一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：所述的发电单元包括汽轮发电机，第二板式换热器的出口端连接汽轮发电机。

5.根据权利要求4所述的一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：在汽轮发电机与第二板式换热器之间设置有工质泵和冷凝器。

6.根据权利要求2-4任一一项所述的一种中深层地热联合发电系统，其特征在于：在第一板式换热器和第二板式换热器的前端均设置有用于过滤水质的除砂过滤器，在第一板式换热器和第二板式换热器之间设置有水泵。

技术总结
本发明涉及一种中深层地热联合发电系统，包括水热型地热单元、干热岩单元及发电单元，每两个单元之间均采用板式换热器连接。本发明设计科学合理，将水热型地热单元、干热岩单元及发电单元组合，每两个单元之间均采用板式换热器连接，通过水热型地热资源先预热干热岩传热介质，提高干热岩井进口温度，从而提高干热岩内传热介质的出口温度，热力学不可逆损失少，增加发电量；干热岩地下取热系统与地面发电系统均设循环水泵，通过调节水泵流量调节干热岩传热介质出口温度，稳定发电量；开式单井循环换热技术的取热效率高，井水可以作为干热岩井的补水，无需地面另设置补水源。

技术研发人员：李嘉舒;雷海燕;戴传山
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2021.05.19
技术公布日：2021.07.23