水热井高功率大温差热力利用机组装置的制作方法

本发明属于地源热泵领域，具体涉及一种水热井高功率大温差热力利用机组装置。

背景技术：

地源水热井水作为一种绿色低碳、用之不竭的可再生能源越来越受到重视。地源水热井水充足，可利用价值高，不会对环境造成污染，还能实现全天候全时段应用，具有绿色低碳、清洁安全、储量大、分布广、稳定性好等特点。这主要因为地下岩土层中的储藏水，随着深度的增加水温也增加，在某些特定地点水温会较高，开发利用深至地下3000米左右的地源水热井水，用于生活供暖/洗浴正被大力的推广普及开来，传统上的应用是用一口井抽水，经过利用其热能后就原样直排至河道，这种所谓的直流系统，随着地上地下水资源环境法规的要求变得更严，利用的难度逐渐变大，例如必须要将全部抽出来的井水换热完成后再全部回灌，并且抽出水要回灌到同一地质构造层内，因此导致回灌量越大，回灌井被堵塞的可能性越大，投资回收期限也会变得更长，使用成本高，抽水循环系统动力消耗的能量占比就越高，尤其是随着中深层水热井作为主流应用方案，其打井成本高已是一种常态，因此提高单井井水的热利用率就是一个紧迫的问题。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案，例如，中国专利文献公开了一种节能复合式热泵系统[申请号：201611033824.4]：包括由压缩机、四通换向阀、使用侧换热器、具有双向节流功能的节流机构和冷却侧/热源侧换热器依次顺序连接构成的制冷/制热环路，均设有截止阀的冷却塔、热源塔以及太阳能集热器支路；使用侧换热器与外部的末端设备相连；其中，冷却侧/热源侧换热器由翅片式换热器和壳管式换热器并联构成，所述翅片式换热器和壳管式换热器的两端分别各与1个截止阀连接；所述各支路并联后与壳管式换热器连接。

上述方案虽然在一定程度上缓解了热泵系统使用成本高的问题，但是该方案依然存在着：井水输水动力效率低，回灌堵塞机率高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，井水输水动力效率高的水热井高功率大温差热力利用机组装置。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本水热井高功率大温差热力利用机组装置，包括抽水井和回灌井，所述的抽水井内设有潜水水泵组件，所述的潜水水泵组件通过回灌水管和设置在回灌井内的增压回灌稳压装置相连通，其特征在于，所述的回灌水管上依次串联接有直接间壁式换热器、高温蒸汽电动压缩机组、低温蒸汽电动压缩机组以及电动水源热泵机组，且所述的直接间壁式换热器、高温蒸汽电动压缩机组、低温蒸汽电动压缩机组以及电动水源热泵机组的输出端分别和与供热用户侧相连的用户侧供回水集合管道装置的回水母管相连，且所述的用户侧供回水集合管道装置的供水母管与回灌水管相连通。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的直接间壁式换热器为板式可拆式换热器结构，且所述的直接间壁式换热器一次侧的进口管接口和出口管接口分别与回灌水管相连，且所述的直接间壁式换热器二次侧的进口管接口与供水母管相连，出口管接口和回水母管相连。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的高温蒸汽电动压缩机组包括与回灌水管相连的第一蒸发器，所述的第一蒸发器通过蒸汽导入结构和抽水井相连，所述的第一蒸发器通过第一电动蒸汽压缩机与第一冷凝器一侧相连，且所述的第一冷凝器一侧还与回灌水管相连，且所述的第一冷凝器另一侧分别和回水母管与供水母管相连。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的第一蒸发器通过第一过滤器和设置在回灌水管上的冷凝水泵相连，且所述的第一蒸发器连接有第一蒸发器排污管和排气阀。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的潜水水泵组件包括设置在抽水井内的潜水井泵，且所述的潜水井泵通过泵管和回灌水管相连通，在抽水井的井口处设有井口装置。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的蒸汽导入结构若干依次设置在泵管上且与泵管相连通的喷嘴，且所述的喷嘴上方设有抽汽管，且所述的抽汽管通过蒸发器进汽进水管与第一蒸发器相连。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的低温蒸汽电动压缩机组包括与回灌水管相连的第二蒸发器，所述的第二蒸发器通过第二电动蒸汽压缩机与混水冷却器一侧相连，所述的混水冷却器另一侧和供水母管相连，且所述的第二蒸发器通过回水过滤器和回水泵相连，且所述的回灌水管与回水泵相连，且所述的第二蒸发器与蒸发器进井水器相连。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的电动水源热泵机组包括具有制冷剂工质的间壁换热蒸发器，所述的间壁换热蒸发器通过工质电动压缩机与间壁换热冷却器相连，且所述的间壁换热蒸发器通过井水侧接管和回灌水管相连，所述的间壁换热冷却器通过用户负荷侧接管分别与回水母管和供水母管相连。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的用户侧供回水集合管道装置包括设置在回水母管靠近供热用户侧一端的循环水泵，且所述的供水母管通过稳压水总管和定压罐相连，且所述的定压罐与溢流泄压管道一端相连，且所述的溢流泄压管道另一端连接在回灌水管位于高温蒸汽电动压缩机组和低温蒸汽电动压缩机组之间相连通。

在上述的水热井高功率大温差热力利用机组装置中，所述的增压回灌稳压装置包括与回灌水管相连的增压回灌水泵，且所述的增压回灌水泵连接有延伸至回灌井内的回灌井管。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

水热源井水经由潜水井泵从热水井中抽起来后，依次经过了板换直接温差换热、二级电动蒸发蒸汽压缩热泵换热和一级电动水源热泵机组共4级串联换热吸热，经过依次四级利用之后，将井水温度降至5℃左右，甚至使其回水温度低至0℃后再回灌至回灌井，当井水出水温度≥60℃时，其利用温差将≥55℃，井内喷雾水蒸气量1～2t/h，并且使负荷侧的供热水温度在≥45℃的工况，因此使得井水输水动力效率大幅提高，一对井的供热负荷能力大幅提升，可以减少打井的数量，另一方面从获得热能量与回灌水量的倍率角度看，间接降低了回灌水量大所导致的回灌堵塞、修井清理成本高的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中，直接间壁式换热器1、高温蒸汽电动压缩机组2、第一蒸发器21、第一电动蒸汽压缩机22、第一冷凝器23、冷凝水泵24、排气阀25、蒸发器进汽进水管26、第一蒸发器排污管27、第一过滤器28、低温蒸汽电动压缩机组3、第二蒸发器31、第二电动蒸汽压缩机32、混水冷却器33、回水泵34、回水过滤器35、蒸发器进井水器36、连通管37、电动水源热泵机组4、间壁换热蒸发器41、工质电动压缩机42、间壁换热冷却器43、制冷剂工质44、井水侧接管45、用户负荷侧接管46、潜水水泵组件5、潜水井泵51、泵管52、井口装置53、抽汽管54、喷嘴55、抽水井56、增压回灌稳压装置6、增压回灌水泵61、回灌水管62、回灌井管63、回灌井64、用户侧供回水集合管道装置7、回水母管71、供水母管72、循环水泵73、稳压水总管74、定压罐75、溢流泄压管道76、供热用户侧77。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本水热井高功率大温差热力利用机组装置，包括抽水井56和回灌井64，抽水井56内设有潜水水泵组件5，潜水水泵组件5通过回灌水管62和设置在回灌井64内的增压回灌稳压装置6相连通，优选地，这里的增压回灌稳压装置6包括与回灌水管62相连的增压回灌水泵61，且增压回灌水泵61连接有延伸至回灌井64内的回灌井管63。其中，回灌水管62上依次串联接有直接间壁式换热器1、高温蒸汽电动压缩机组2、低温蒸汽电动压缩机组3以及电动水源热泵机组4，且直接间壁式换热器1、高温蒸汽电动压缩机组2、低温蒸汽电动压缩机组3以及电动水源热泵机组4的输出端分别和与供热用户侧77相连的用户侧供回水集合管道装置7的回水母管71相连，且用户侧供回水集合管道装置7的供水母管72与回灌水管62相连通。

本实施例中，水热源井水经由潜水水泵组件5从抽水井56中抽起来后，依次经过了直接间壁式换热器1、高温蒸汽电动压缩机组2、低温蒸汽电动压缩机组3以及电动水源热泵机组4共4级串联换热吸热，将井水温度降至5℃左右后再回灌至回灌井64，当井水出水温度≥60℃时，其利用温差将≥55℃，井内喷雾水蒸气量1～2t/h，并且使负荷侧的供热水温度在≥45℃的工况，因此使得井水输水动力效率大幅提高，供热负荷能力大幅提升，可以减少打井的数量，另一方面从获得热能量与回灌水量的倍率角度看，也减少了回灌堵塞的机率。

具体来讲，这里的直接间壁式换热器1为板式可拆式换热器结构，壳管式换热结构，其材质为不锈钢或钛合金。直接间壁式换热器1的一次侧的进口管接口和出口管接口分别与回灌水管62相连，且直接间壁式换热器1的二次侧的进口管接口与供水母管72相连，出口管接口和回水母管71相连。一次侧工作温度50℃～120℃，二次侧工作温度35℃～100℃。其任务是直接以间壁式换热方式将热量由温度较高的井水传递给用户侧。本例选取一次侧井水温度60℃降到50℃，二次侧水温由37℃升高到45℃，此为第一级热利用设备。

这里的高温蒸汽电动压缩机组2包括与回灌水管62相连的第一蒸发器21，第一蒸发器21通过蒸汽导入结构和抽水井56相连，第一蒸发器21通过第一电动蒸汽压缩机22与第一冷凝器23一侧相连，且第一冷凝器23一侧还与回灌水管62相连，且第一冷凝器23另一侧分别和回水母管71与供水母管72相连，第一蒸发器21通过第一过滤器28和设置在回灌水管62上的冷凝水泵24相连，且第一蒸发器21连接有第一蒸发器排污管27和排气阀25。当井水温度仅比用户侧温度高出3℃，甚至低于用户侧温度时，进入第一蒸发器21，在第一电动蒸汽压缩机22的低压吸入侧形成井水的减压沸腾蒸发效应。将此水蒸汽压缩增压升温成为过热状态大于60℃后送往第一冷凝器23，被用户侧来水冷却形成凝结水，由冷凝水泵24增压，经过第一过滤器28和后又重新回到井水水流之中。此时，机械做功形成的增温10℃-15℃增能效果被传递至用户侧的水流中。而重新回到井水水流中的温度则被进一步的降低温度，第一电动蒸汽压缩机22可以采用离心机结构，亦可采用螺杆机结构。以此作为第二级井水热利用方式。当第二级井水热利用方式工作时，流入的井水温度范围50℃-42℃，流出的井水温度范围27℃-35℃，水流量不变。而经第一电动蒸汽压缩机22压缩后的蒸汽温度55℃以上满足外供热量参数。

进一步地，这里的潜水水泵组件5包括设置在抽水井56内的潜水井泵51，且潜水井泵51通过泵管52和回灌水管62相连通，在抽水井56的井口处设有井口装置53。其中，这里的蒸汽导入结构若干依次设置在泵管52上且与泵管52相连通的喷嘴55，且喷嘴55上方设有抽汽管54，且抽汽管54通过蒸发器进汽进水管26与第一蒸发器21相连。

当本部分工作时，潜水井泵51将50℃以上地热水吸入升压后，通过泵管52送往热利用系统各部，且因第一电动蒸汽压缩机22的负压吸入效应，抽汽管54将把井口上部空间喷嘴55形成的空气/水蒸汽输往第二级井水热利用方式中的第一蒸发器21各器件进行压缩冷凝/排气分离。以此形成水源井抽水循环驱动力和井内蒸汽发生过程。

本实施例中的第三级井水热利用方式，低温蒸汽电动压缩机组3可以包括与回灌水管62相连的第二蒸发器31，第二蒸发器31通过第二电动蒸汽压缩机32与混水冷却器33一侧相连，混水冷却器33另一侧和供水母管72相连，且第二蒸发器31通过回水过滤器35和回水泵34相连，且回灌水管62与回水泵34相连，且第二蒸发器31与蒸发器进井水器36相连。

当井水由第二级井水热利用方式中的第一蒸发器21出发到达本部分时的温度为27℃-35℃，经过第二蒸发器31的负压蒸发为饱和蒸汽，经过第二电动蒸汽压缩机32压缩升温至40℃-50℃后进入混水冷却器33中，与用户侧水系统合流并放出凝结热，当井水流出回水过滤器35时的温度更进一步的降低至10℃-20℃。以此作为第三级井水热利用方式。

其中，这里的电动水源热泵机组4包括具有制冷剂工质44的间壁换热蒸发器41，间壁换热蒸发器41通过工质电动压缩机42与间壁换热冷却器43相连，且间壁换热蒸发器41通过井水侧接管45和回灌水管62相连，间壁换热冷却器43通过用户负荷侧接管46分别与回水母管71和供水母管72相连，且间壁换热冷却器43通过连通管37和混水冷却器33一侧相连。

当低至10℃-20℃的井水进入到间壁换热蒸发器41时，因为工质电动压缩机42，工作时在吸入端的工作温度可在0℃-5℃之间。因此可使井水温度更进一步的降至3℃-8℃之间之后被导向回灌井64。在工质电动压缩机42的压出端的工质温度48℃以上，并在间壁换热冷却器43中放出热量，使用户侧负荷温度在45℃以上。

另外，用户侧供回水集合管道装置7为分集水装置，其可以包括设置在回水母管71靠近供热用户侧77一端的循环水泵73，且供水母管72通过稳压水总管74和定压罐75相连，且定压罐75与溢流泄压管道76一端相连，且溢流泄压管道76另一端连接在回灌水管62位于高温蒸汽电动压缩机组2和低温蒸汽电动压缩机组3之间相连通。

当这一部分工作时，一方面因井水蒸发压缩冷凝水进入到用户侧循环中，使用户侧水量增多，压力增大，此时通过定压罐75的稳压水总管74将水排向井水一侧中间级，如第三级井水热利用方式的第二蒸发器31入口管上。另一方面用以稳定用户侧回水水压。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了直接间壁式换热器1、高温蒸汽电动压缩机组2、第一蒸发器21、第一电动蒸汽压缩机22、第一冷凝器23、冷凝水泵24、排气阀25、蒸发器进汽进水管26、第一蒸发器排污管27、第一过滤器28、低温蒸汽电动压缩机组3、第二蒸发器31、第二电动蒸汽压缩机32、混水冷却器33、回水泵34、回水过滤器35、蒸发器进井水器36、连通管37、电动水源热泵机组4、间壁换热蒸发器41、工质电动压缩机42、间壁换热冷却器43、制冷剂工质44、井水侧接管45、用户负荷侧接管46、潜水水泵组件5、潜水井泵51、泵管52、井口装置53、抽汽管54、喷嘴55、抽水井56、增压回灌稳压装置6、增压回灌水泵61、回灌水管62、回灌井管63、回灌井64、用户侧供回水集合管道装置7、回水母管71、供水母管72、循环水泵73、稳压水总管74、定压罐75、溢流泄压管道76、供热用户侧77等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。