一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置，属于新能源技术领域。


背景技术：

2.地热作为来自地球内部自身蕴含的能源，具有清洁性和可再生性，储量十分丰富，受到国内外越来越多的关注，但如何高效且环保地开采与利用成为当前地热能技术的首要攻关课题。中深地层是指处于地面以下2千米-3千米的地层，按照百米温升3℃的地温梯度计，中深地层的温度区间一般不超过100℃。目前，开采中深层地热主要有四种模式。一是采水取热模式，直接抽取地层本身蕴含的热水，该模式导致地面沉降、出现水位降落漏斗、回灌困难等问题，国内已采取限采、禁采甚至关停措施。二是人工形成地热储层的增强型地热模式，通过向地层加注高压水，使其压裂岩石从而流经干热岩体获取热量，再从热流出口抽回地面，该模式存在污染地层、引发地裂缝等次生地质灾害的问题。三是地埋管间接换热模式，在钻孔中安装密闭的金属地埋管，管体外壁与地下热储接触，管内流动工质流经地埋管取热而不与热储地层接触，即“取热不取水”。目前，提取中深层地热的地埋管换热器均是以水作为传热工质的，热储温度达不到水的汽化温度，无法通过介质相变实现高效换热；为了提高地埋管换热器的取热功率，近年来开发了水平井和对接井，通过延长地热储层中的换热段以提高换热效率，但均会大大提高钻井难度和成本。四是超长重力热管模式，利用工质相变提取地热能，但热管中向上流动的蒸汽和向下流动的液体逆向接触产生携带极限，限制了热管内蒸汽流量，进而降低了重力热管的取热效率。如何高效、环保、便捷、经济、可持续地提取中深层地热能是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本实用新型目的是提供一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置，通过二氧化碳相变完成中深地层取热和地面放热，能对60～100℃的地热资源进行高效、合理、环保的开发，拓宽了地热开采可利用的领域，二氧化碳工质从单一直井或斜井内通过相变高效提取地热能，且二氧化碳工质封闭循环、不接触地层，满足“取热不取水”的要求，解决已有技术存在的上述技术问题。
4.本实用新型技术方案是：
5.一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置，包含井下提取地热的复合管系统和地面的换热存储系统；
6.复合管系统位于地下完井套管内，由井口装置悬挂在地面井口；复合管系统包含注入管单元和排出管单元，注入管单元和排出管单元之间为复合管环空，注入管单元的直径小于排出管单元的直径且注入管单元与排出管单元同心布置于完井套管内；注入管单元包含注入管入口、注入管和注入管出口，复合管环空包含环空蒸发段、环空保温段和环空出口，注入管入口、注入管、注入管出口、环空蒸发段、环空保温段和环空出口依次形成工质的
井下循环回路；
7.换热存储系统位于地面，包含绝热管路、换热器一、螺杆压缩机、换热器二、制冷机、储罐和增压泵；复合管系统的环空出口通过绝热管路依次与换热器一、螺杆压缩机、换热器二、制冷机、储罐和增压泵入口相连，增压泵出口通过绝热管路与复合管系统的注入管入口相连，形成工质的地面循环回路。
8.所述排出管单元包含下部的排出管取热单元和上部的排出管保温单元，排出管取热单元与注入管单元之间为环空蒸发段，排出管保温单元与注入管单元之间为环空保温段。
9.所述注入管单元和排出管保温单元均设置保温层。
10.所述储罐和增压泵之间的绝热管路上设有阀门一。
11.所述复合管系统的环空出口与换热器一之间的绝热管路上依次设置阀门二、压力表、温度计和流量计，增压泵出口与复合管系统的注入管入口之间的绝热管路上依次设置流量计、温度计、压力表和阀门二。
12.所述完井套管下方位于取热地层中，取热地层的位置对应排出管取热单元。
13.所述注入管单元全程保温，其单位长度管壁的热阻应低于0.35 m
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k/w；排出管取热单元为钢质连续油管；排出管保温单元全程保温，且单位长度管壁的热阻应低于0.55 m
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k/w；环空蒸发段出口为环空保温段的入口，环空出口对应地层的温度不低于70℃。
14.所述储罐的压力不低于6mpa、温度不高于-20℃；增压泵的压头不低于6mpa，且流量可调；换热器一的承压能力不低于5 mpa、出口温度可降至30℃以下；螺杆压缩机的输出工作压力不低于6mpa；换热器二的承压能力不低于6mpa、出口温度降至5℃以下；制冷机的承压能力不低于6mpa、出口温度可降至-20℃以下。
15.在使用过程中，增压泵将储罐中的液态二氧化碳增压后，液态二氧化碳由注入管入口进入注入管；液态二氧化碳在注入管内下行至注入管出口，且全程保持为液态，然后进入环空蒸发段； 液态二氧化碳在环空蒸发段上行过程中，吸收取热地层的热量发生汽化并持续升温，直至二氧化碳蒸汽到达环空保温段，二氧化碳蒸汽沿着环空保温段继续上升直至到达复合管系统的环空出口；二氧化碳蒸汽从复合管系统的环空出口流出后，经绝热管路进入换热器一进行热量交换，为取热用户提供热能，二氧化碳蒸汽流出换热器一后温度降至30℃以下；二氧化碳蒸汽流出换热器一后进入螺杆压缩机增压，增压后二氧化碳蒸汽的压力达到4.5mpa以上，从而将二氧化碳蒸汽的液化温度提高至10℃以上，二氧化碳蒸汽在升压的同时温度也升高；经螺杆压缩机升压、升温后的二氧化碳蒸汽进入换热器二进行热量交换，二氧化碳流出换热器二后温度降至10℃以下，且相变为液态，放出的汽化潜热提供给取热用户；流出换热器二的液态二氧化碳进入制冷机，以降低液态二氧化碳的温度；流出制冷机的液态二氧化碳进入储罐，如此往复，实现地热能的开采与利用。
16.所述取热地层的深度在1. 0km-3.5km。
17.本实用新型有益效果：通过二氧化碳相变完成中深地层取热和地面放热，能对60～100℃的地热资源进行高效、合理、环保的开发，拓宽了地热开采可利用的领域，二氧化碳工质从单一直井或斜井内通过相变高效提取地热能，且二氧化碳工质封闭循环、不接触地层，满足“取热不取水”的要求，节约了地热能利用成本，具有良好的经济应用前景与技术适用性。
附图说明
18.图1是本实用新型实施例结构示意图；
19.图中：地面1、复合管环空2、环空保温段2-1、环空蒸发段2-2、环空出口2-3、排出管单元3、排出管保温单元3-1、排出管取热单元3-2、取热地层4、地层水5、完井套管6、注入管单元7、注入管入口7-1、注入管出口7-2、液态二氧化碳8、二氧化碳蒸汽9、换热器一10、螺杆压缩机11、换热器二12、制冷机13、储罐14、阀门一15、增压泵16、流量计17、温度计18、压力表19、阀门二20、绝热管路21、取热用户22。
具体实施方式
20.以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步的说明。
21.一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置，包含井下提取地热的复合管系统和地面的换热存储系统；
22.复合管系统位于地下完井套管6内，由井口装置悬挂在地面井口；复合管系统包含注入管单元7和排出管单元3，注入管单元7和排出管单元3之间为复合管环空2，注入管单元的直径小于排出管单元的直径且注入管单元与排出管单元同心布置于完井套管6内；注入管单元7包含注入管入口7-1、注入管和注入管出口7-2，复合管环空2包含环空蒸发段2-2、环空保温段2-1和环空出口2-3，注入管入口7-1、注入管、注入管出口7-2、环空蒸发段2-2、环空保温段2-1和环空出口2-3依次形成工质的井下循环回路；
23.换热存储系统位于地面，包含绝热管路21、换热器一10、螺杆压缩机11、换热器二12、制冷机13、储罐14和增压泵16；复合管系统的环空出口2-3通过绝热管路21依次与换热器一10、螺杆压缩机11、换热器二12、制冷机13、储罐14和增压泵16入口相连，增压泵出口通过绝热管路21与复合管系统的注入管入口7-1相连，形成工质的地面循环回路。
24.所述排出管单元3包含下部的排出管取热单元3-2和上部的排出管保温单元3-1，排出管取热单元3-2与注入管单元7之间为环空蒸发段2-2，排出管保温单元3-1与注入管单元7之间为环空保温段2-1。
25.所述注入管单元7和排出管保温单元3-1均设置保温层。
26.所述储罐14和增压泵16之间的绝热管路21上设有阀门一15。
27.所述复合管系统的环空出口2-3与换热器一10之间的绝热管路21上依次设置阀门二20、压力表19、温度计18和流量计17，增压泵出口与复合管系统的注入管入口7-1之间的绝热管路21上依次设置流量计17、温度计18、压力表19和阀门二20。
28.所述完井套管6下方位于取热地层4中，取热地层4的位置对应排出管取热单元3-2。
29.所述注入管单元7全程保温，其单位长度管壁的热阻应低于0.35 m
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k/w；排出管取热单元3-2为钢质连续油管；排出管保温单元3-1全程保温，且单位长度管壁的热阻应低于0.55 m
·
k/w；环空蒸发段2-2出口为环空保温段2-1的入口，环空出口2-3对应地层的温度不低于70℃。
30.所述储罐14的压力不低于6mpa、温度不高于-20℃；增压泵16的压头不低于6mpa，且流量可调；换热器一10的承压能力不低于5 mpa、出口温度可降至30℃以下；螺杆压缩机11的输出工作压力不低于6mpa；换热器二12的承压能力不低于6mpa、出口温度降至5℃以
下；制冷机13的承压能力不低于6mpa、出口温度可降至-20℃以下。
31.在使用过程中，增压泵16将储罐14中的液态二氧化碳增压后，液态二氧化碳由注入管入口（7-1）进入注入管；液态二氧化碳8在注入管内下行至注入管出口7-2，且全程保持为液态，然后进入环空蒸发段2-2；液态二氧化碳在环空蒸发段2-2上行过程中，吸收取热地层4的热量发生汽化并持续升温，直至二氧化碳蒸汽9到达环空保温段2-1，二氧化碳蒸汽9沿着环空保温段2-1继续上升直至到达复合管系统的环空出口2-3；二氧化碳蒸汽从复合管系统的环空出口2-3流出后，经绝热管路21进入换热器一10进行热量交换，为取热用户22提供热能，二氧化碳蒸汽流出换热器一10后温度降至30℃以下；二氧化碳蒸汽流出换热器一10后进入螺杆压缩机11增压，增压后二氧化碳蒸汽的压力达到4.5mpa以上，从而将二氧化碳蒸汽的液化温度提高至10℃以上，二氧化碳蒸汽在升压的同时温度也升高；经螺杆压缩机11升压、升温后的二氧化碳蒸汽进入换热器二12进行热量交换，二氧化碳流出换热器二12后温度降至10℃以下，且相变为液态，放出的汽化潜热提供给取热用户22；流出换热器二12的液态二氧化碳进入制冷机13，以降低液态二氧化碳的温度；流出制冷机13的液态二氧化碳进入储罐14，如此往复，实现地热能的开采与利用。
32.所述取热地层4的深度在1. 0km-3.5km。
33.本实施例中，开启储有低温液态二氧化碳的储罐14，使液态二氧化碳流入增压泵16，液态二氧化碳被增压之后以一定的质量流量由注入管入口7-1进入注入管；合理确定液态二氧化碳的注入压力和注入流量，使得液态二氧化碳8到达注入管出口7-2时的压力不高于临界点压力7.38mpa，且二氧化碳蒸汽9到达环空出口2-3时的压力保持在2.5 mpa ～4.5 mpa，以适应地面螺杆压缩机11的工作参数；
34.二氧化碳蒸汽9从环空出口2-3流出后进入换热器一10，将热量释放给取热用户22；之后进入螺杆压缩机11，控制螺杆压缩机11的出口压力，使得二氧化碳蒸汽增压至4.5 mpa，同时蒸汽温度升高；增压、升温后的二氧化碳蒸汽进入换热器二12，将二氧化碳的温度降至饱和温度以下，使二氧化碳蒸汽相变为液态，放出相变潜热，该热量通过热泵等设备供给取热用户22使用；然后液态二氧化碳通过制冷机13进一步降低温度后进入储罐14，如此往复，实现地热能的高效开采与利用。
35.本实用新型的工作原理为：利用钻机钻至1. 0km-3.5km深的取热地层4，在钻孔中安装匹配取热地层深度的完井套管6，在完井套管6内安装同心的复合管系统，从复合管系统的注入管入口7-1以一定的压力注入低温液态二氧化碳；液态二氧化碳8沿着注入管单元7下行过程中，重力势能转化为压力势能并克服沿程能量损失，通过控制注入液态二氧化碳的质量流量来控制液态二氧化碳在注入管单元7内的沿程能量损失，使得液态二氧化碳8在到达注入管出口7-2时，压力高于汽化压力但低于临界点压力7.38mpa，以保证注入管中的二氧化碳全程处于液态，且在液态二氧化碳进入复合管环空2吸热后可以发生汽化。液态二氧化碳流出注入管出口7-2后，进入环空蒸发段2-2；二氧化碳在环空蒸发段2-2中上行并提取地热能，将依次经历液态二氧化碳升温至汽化温度、相变汽化、二氧化碳蒸汽9吸热升温的过程；二氧化碳蒸汽9经过环空蒸发段2-2后进入环空保温段2-1，并继续上行至复合管系统的环空出口2-3，完成二氧化碳由液态转变为气态的相变高效取热过程。二氧化碳蒸汽从复合管系统的环空出口2-3流出后，首先通过换热器一10释放部分热能，降低温度；接着通过螺杆压缩机11提高二氧化碳蒸汽的压力，以获得较高的液化温度，同时温度升高；被增压
和升温后的二氧化碳蒸汽通过换热器二12降低温度至饱和温度以下，并相变为液态，迅速释放其在环空蒸发段2-2吸收的热能，该热能可以通过热泵等设备供取热用户22使用；然后液态二氧化碳通过制冷机13进一步降低温度，之后进入储罐14，完成井下取热-地面放热的循环过程。