一种储热式地热能全井段干井采热系统与应用的制作方法

[0001]
本发明属于地热资源开采利用领域，涉及深部碳酸盐岩地热资源开采利用技术，具体涉及一种储热式地热能全井段干井采热系统与应用。


背景技术：

[0002]
我国经济建设快速发展，对能源的需求快速增加，煤炭等传统能源对生态环境造成严重影响，加大清洁可再生能源开发利用是转变能源发展方式、调整能源结构的重要举措。
[0003]
深部碳酸盐岩地热资源作为一种清洁能源，在北方供暖中越来越受到重视，对于中深层地热能的开发，国内目前主要模式为开采抽取地下热水模式，即从数十米至数千米深的地下将热水抽出，再经过地面设置的换热系统将热能提取。该模式对建筑物的选址要求较大，在打地热井时，常出现出水量少甚至无水干热岩型的地热井，这种情况加大了企业的投资风险，一定程度上阻碍了地热供暖的快速规模化推广。对此，专家学者们提出了单井封闭循环利用出水量少或无水的干式地热井方案，但是该方案存在取热过程中换热损失严重，井口出水温度低等问题。
[0004]
为拓宽深部碳酸盐岩地热资源的利用范围，解决现有中深层出水量少或无水的地热井开采系统中存在的问题，本发明提出了一种储热式地热能全井段干井采热系统，该系统能够利用出水量少或者无水的干式地热井，打破了传统水热型地热井在开采过程中对地下热水依赖的限制，并且对于现在按照国家政策需关停的无法回灌的生产-注入型地热井，该系统可将其转化为单井开采系统，并且可以解决现有利用出水量少或无水的干式地热井的系统中存在的取热过程中热损失严重，出水温度低等问题，另外，该系统可以实现地热井低温段的夏季储热过程，进而减少取热过程中管内热水在地热井低温段的热量损失。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可以有效解决现有利用出水量少或无水的干式地热井的系统中存在的取热过程中热损失严重，出水温度低等问题，同时应用于冬季供暖和夏季蓄热工况的热式地热能全井段干井采热系统。
[0006]
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]
一种储热式地热能全井段干井采热系统，包括采热供暖单元和地下采热单元，采热供暖单元设置在地面上，包括热泵机组、注水泵和抽水泵，注水泵包括中层注水泵及外层注水泵，抽水泵包括内层抽水泵和外层抽水泵，在内层抽水泵前端安装有内层抽水阀门和旁路阀门；所述地下采热单元设置在地下井中，该地下采热单元包括中心管，在该中心管外同轴套装有套管，中心管插装贯通经过地热井的低温层和高温层，套管插装在低温层，中心管、套管与地井壁形成外层通道、中层通道及内层通道。
[0008]
一种储热式地热能全井段干井采热系统，包括供暖回路和蓄热回路，所述的供暖回路由热泵机组、中层注水泵、中层通道、内层通道、内层抽水泵和内层抽水阀门组成，所述
的蓄热回路由中层注水泵、中层通道、外层通道、外层抽水阀门、外层抽水泵组成，还包括预热保温回路，该预热保温回路由热泵机组、外层注水泵、外层注水阀门、外层通道、内层通道、内层抽水泵和旁路阀门组成。
[0009]
而且，预热保温回路形成方法包括：外层注水泵开、外层注水阀门开、内层抽水泵开、旁路阀门开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，热泵机组中的冷水通过外层注水泵和外层注水阀门进入外层通道，冷水在外层通道中先与地热井低温段进行导热换热，吸收夏季储存在地热井低温段中的热量以及岩层中的热量后，继续往下与地热井高温段进行导热换热，换热后的热水在内层抽水泵的作用下通过内层通道和旁路阀门进入中层通道，在中层通道内，对中层通道进行预热，待水温恒定，开启内层抽水阀门，关闭旁路阀门。
[0010]
而且，外层注水泵开、外层注水阀门内层抽水泵开和内层抽水阀门开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，热泵机组中的冷水通过外层注水泵和外层注水阀门进入外层通道，先与地热井低温段中夏季储存在岩层中的热量和岩层中本身的热量进行交换，在外层注水泵的推动作用和内层抽水泵的抽吸作用下继续向下与地热井高温段外的岩层进行导热，换热后的高温热水进入内层通道。
[0011]
而且，中层注水泵开、外层出水阀门开、外层抽水泵开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，热泵机组中的热水通过中层注水泵进入中层通道，在外层抽水泵的作用下直接进入外层通道，在外层通道中，热水与地热井低温段进行换热，换热后的水通过外层抽水泵进入热泵机组中再次循环。
[0012]
而且，所述的注水泵和抽水泵均设置在地面上。
[0013]
一种储热式地热能全井段干井采热系统的应用：冬季供暖先形成预热保温回路，后关闭预热保温回路形成供暖回路。
[0014]
一种储热式地热能全井段干井采热系统的应用，：夏季储热形成蓄热回路。
[0015]
本发明的优点和积极效果是：
[0016]
1、本发明所提供的储热式地热能全井段干井采热系统通过在内层出水通道上设置旁路系统，可在供暖前对地热井出水口进行预热，并且可在套管内形成一层稳定的水域保温层，提高了地热井出口地热水的温度，进而提高了地热水的取热量和利用效率。
[0017]
2、本发明所提供的储热式地热能全井段干井采热系统包括供暖回路和蓄热回路，创新增加预热保温回路，可在夏季对地热井低温段进行储热。在地热井低温段的套管之间以内注外出的形式，将夏季高温热水中携带的热量储存在低温段的岩层中，冬季供暖时可同时将低温段储存的热量和高温段岩层中的热量取出利用，实现系统的全井段采热。
[0018]
3、本发明所提供的储热式地热能全井段干井采热系统打破了地热供暖建筑群对水热型地热供暖系统的依赖，对于无水或出水量较少的干式地热井，采用本发明所提供的采热系统，可采出满足用户需求的地热水。对于现在按照国家政策需关停的无法回灌的生产-注入型地热井，该系统可将其转化为单井开采系统，充分利用每一口地热井，在相同供暖条件下，可减少地热井的数量，进而减少地热供暖系统的初投资，经济性优势凸显。
附图说明
[0019]
图1为本发明系统结构示意图；
[0020]
图2为本发明系统预热保温回路水流向示意图；
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图3为本发明系统供暖回路水流向示意图；
[0022]
图4为本发明系统蓄热回路水流向示意图。
具体实施方式
[0023]
下面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。
[0024]
一种储热式地热能全井段干井采热系统，如图1所示，包括采热供暖单元和地下采热单元，采热供暖单元包括热泵机组1、注水泵和抽水泵，注水泵包括中层注水泵2及外层注水泵17，抽水泵包括内层抽水泵11和外层抽水泵16，在内层抽水泵前端安装有内层抽水阀门和旁路阀门，内层抽水阀门13用于控制内层注水泵11，路阀门12用于控制中层注水泵2，外层注水阀门14用于控制外层注水泵17，外层抽水阀门15用于控制外层抽水泵16。
[0025]
所述地下采热单元设置在地下井中，该采热单元包括中心管3，在该中心管外同轴套装有套管4，中心管插装贯通经过地热井的低温层和高温层，套管插装在低温层。
[0026]
中心管、套管与地井壁形成外层通道6、中层通道7和内层通道8，地热井采用金属井壁，套管采用高密度聚乙烯管，中心管和套管之间无需增加保温层，由地热井旁路循环系统形成水域保温层。
[0027]
本系统的采暖供热单元安装在地面上方，在冬季供暖工况下，热泵机组1、外层注水泵17、外层注水阀门14、外层通道6、内层通道8、内层抽水泵11和旁路阀门12形成预热保温回路，具体水流向示意图见图2；热泵机组1、中层注水泵2、中层通道7、内层通道8、内层抽水泵11和内层抽水阀门13形成供暖回路，具体水流向示意图见图3。
[0028]
在夏季储热工况下，中层注水泵2、中层通道7、外层通道6、外层抽水阀门15、外层抽水泵16形成蓄热回路，具体水流向示意图见图4，所述内层抽水泵11安装在旁路阀门12和内层抽水阀门13的前端，所述内层抽水阀门13、外层抽水阀门15、注水阀门14、旁路阀门12可根据控制需求采用球阀、电磁阀等。
[0029]
本系统的注水泵和抽水泵均设置在地面上，不同与现有技术中设置地下潜水泵，进而可减少初投资和能耗。
[0030]
具体地，以夏季储热工况和冬季供暖工况为例，热泵机组回水温度取15℃，夏季储热时，热泵机组注入温度取45℃，详细介绍本发明的具体实施方式：
[0031]
在夏季储热工况，各水泵和阀门的开闭状况如下：中层注水泵2开、外层出水阀门15开、外层抽水泵16开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，其工作过程为，热泵机组1中的热水通过中层注水泵2进入中层通道7，在外层抽水泵16的作用下直接进入外层通道6，不会继续向下进入地热井高温段9进行换热，在外层通道6中，热水与地热井低温段10进行换热，将热水中所带热量通过导热转移到低温段10的岩层中，实现夏季的蓄热过程，换热后的水通过外层抽水泵16进入热泵机组1中再次循环。
[0032]
在冬季工况保温管预热和水域保温层形成阶段，各水泵和阀门的开闭情况如下：外层注水泵17开、外层注水阀门14开、内层抽水泵11开、旁路阀门12开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，其工作过程为，热泵机组1中的冷水通过外层注水泵17和外层注水阀门14进入外层通道6，冷水在外层通道6中先与地热井低温段10进行导热换热，吸收夏季储存在地热井低温段10中的热量以及岩层中的热量后，继续往下与地热井高温段9进行导热换热，换
热后的热水在内层抽水泵11的作用下通过内层通道8和旁路阀门12进入中层通道7，在中层通道7内，对第一层套管3的外壁和第二层套管4的内壁进行预热，减少热量损失，提高井口出水温度，进而提高地热水的利用率，在旁路通道经过多次预热循环后，第一层套管3、第二层套管4和中层通道7内的水温升高且保持基本恒定，开启内层抽水阀门13，关闭旁路阀门12，进入冬季工况供暖阶段，中层通道7内的水因不存在外力作用，表现为表面静止状态，形成了稳定的中层保温水域。
[0033]
在冬季工况供暖阶段，各阀门的开闭情况如下：外层注水泵17开、外层注水阀门内层抽水泵11开和内层抽水阀门13开，其余水泵和阀门均处于关闭状态，其工作过程为，热泵机组1中的冷水通过外层注水泵17和外层注水阀门14进入外层通道，先与地热井低温段10中夏季储存在岩层中的热量和岩层中本身的热量进行交换，在外层抽水泵17的推动作用和内层抽水泵11的抽吸作用下继续向下与地热井高温段9外的岩层进行导热，换热后的高温热水进入内层通道8，因中层通道7中存在水域保温层，所以内层出水通道8中的高温热水不会直接与外层进水通道6中的冷水进行热交换，减少了内层出水通道8中的高温热水的热量损失，提高了出水口温度，进而提高了地热水的取热量和利用效率。
[0034]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，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所公开的内容。