干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的制作方法

本发明涉及地热领域，尤其涉及干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统。

背景技术：

上世纪七十年代初，美国losalamos国家实验室在newmexico州fenton山率先以压裂连通工质的方式建设增强型地热系统发电试验场。随后，英国、法国、日本、澳大利亚、瑞典、德国、冰岛、瑞士、菲律宾等国家相继建立多个地热能示范电站或野外试验场，这些试验场存在不能形成有效的规模化人工热储，注入的工质部分流失，裂隙易封堵，高温偏韧性环境岩石不易破裂等问题。因此，这些地热以电站的规模不大，运行时间不长，经济效益不高。

国内目前还没有建成干热岩地热能发电站，干热岩地热能前景十分广阔，提升开采技术和稳定的地热利用系统，有利于实现能源结构的转型升级，进入地热能时代。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可成规模开发、性能稳定、能长时间运行的干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统。

本发明的实施例提供一种干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统，所述换热系统包括地下系统、地面系统、管道和换热工质，所述管道连接地下系统和地面系统，所述换热工质从地面系统装入，经地下系统取热后，所述地面系统回收利用换热工质，所述地下系统包括开挖通道和地下结构，所述开挖通道设置在地下结构内，所述地下结构包括热储蒸发段和绝热段，所述热储蒸发段是地下温度大于110℃的高温干热岩区域的顶部，所述绝热段是从地面到热储蒸发段的地下部分，所述开挖通道包括输入开挖通道、工质吸热开挖通道和输出开挖通道，所述输入开挖通道连通地面和工质吸热开挖通道一端，所述工质吸热开挖通道设置在热储蒸发段，所述输出开挖通道连通工质吸热开挖通道另一端和地面，所述工质吸热开挖通道包括左工质吸热开挖通道、水平工质吸热开挖通道和右工质吸热开挖通道，所述左工质吸热开挖通道连接输入开挖通道和水平工质吸热开挖通道，所述水平工质吸热开挖通道近乎水平的设置在热储蒸发段连接左工质吸热开挖通道和右工质吸热开挖通道，所述右工质吸热开挖通道连接水平工质吸热开挖通道与输出开挖通道，所述左工质吸热开挖通道与水平工质吸热开挖通道形成一定的夹角a，所述右工质吸热开挖通道与水平工质吸热开挖通道形成一定的夹角b，当夹角a和b的角度在30度至90度之间。

2.如权利要求1所述的干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统，其特征在于：所述管道包括相互连通的地下管道和地面管道，所述地下管道安装在开挖通道内，所述地下管道包括设在热储蒸发段的吸热管、设在绝热段的输入管和输出管，所述输入管安装在输入开挖通道内，所述吸热管道安装在工质吸热开挖通道中，所述输出管道安装在输出开挖通道内，所述吸热管采用传热性能好和强度优良的高热导材质制成，所述输入管和输出管采用包括但不限于保温材料、保温外护材料、保温夹层的金属管或合成管的保温材料，所述吸热管连通输入管和输出管，所述换热工质从地面系统装入，经地面管道进入输入管，所述输入管将换热工质传送至位于热储蒸发段的吸热管内吸收热能，吸收热能后的换热工质由输出管进入地面系统，所述地面系统回收利用换热工质。

进一步地，所述工质吸热开挖通道经过破裂改造，热储蒸发段温度大于110℃，所述工质吸热开挖通道周围设有一定数量和长度的破裂。

进一步地，所述破裂的性质以张裂隙为主，破裂与工质吸热开挖通道之间的夹角大于20度。

进一步地，所述地下管道的截面直径小于开挖通道的截面直径，所述地下管道的截面直径大于开挖通道截面直径的三分之二且小于开挖通道截面直径的六分之五。

进一步地，所述开挖通道与地下管道之间存在空隙，在所述开挖通道接近地面的两端分别设置有安全调节阀，所述安全调节阀密封开挖通道与地下管道之间的空隙，防止异物进入开挖通道内以及方便开挖通道内的监测及地下管道的检修。

进一步地，所述吸热管与输入管和输出管连接的两端分别设有介质调节阀，所述介质调节阀密封吸热管和开挖通道之间的空间，通过介质调节阀向吸热管和开挖通道之间的改造热储空间注入换热介质，所述换热介质在破裂改造的吸热管和开挖通道之间的改造热储空间中流动，增强热储热能的传导性，所述换热介质包括但不限于二氧化碳，增强改造热储内热能的传导性，保证吸热管具有持续稳定的工质换热能力。

进一步地，所述地面系统包括分离单元、发电单元、调控与冷却单元和余热综合利用单元，所述地面系统通过地面管道进行连接，所述地面管道包括工质输入管、第一连接管、第二连接管、第一分离管道、第二分离管道、回收调控管道、调控输出管道和回收冷却管，所述调控与冷却单元包括相互隔绝的冷却部和调控部，所述冷却部和调控部之间设有一阀门，当所述阀门打开，所述换热工质可从冷却部通过阀门流向调控部，当所述阀门关闭，所述冷却部和调控部是相互隔绝的两个部分，所述工质输入管向冷却部输送换热工质，所述第一连接管连接冷却部与输入管，所述换热工质通过第一连接管进入输入管，经输入管进入吸热管进行取热，所述第二连接管连接分离单元与输出管，取热后的换热工质经输出管离开地下系统，通过第二连接管进入分离单元，所述第一分离管道连接分离单元和调控部，所述第二分离管道连接分离单元和发电单元，所述分离单元将取热后的换热工质进行相态分离、净化处理并进行流量和温度测试数据采集，换热工质被分离后，液态的换热工质通过第一分离管道进入调控部进行调节，气态的换热工质通过第二分离管道进入发电单元进行发电，所述发电单元根据分离单元采集的流量和温度测试数据选用合适的发电系统，所述发电系统利用分离后的高温气态换热工质进行发电，发电单元产生的电能，输出到用户或电网，由电网进行进一步分配，回收调控管道连接发电单元和调控部，气态部分的换热工质发电后液化，发电后液化的换热工质通过回收调控管道进入到调控部，所述调控输出管道连接调控部和余热回收综合利用单元，所述调控与冷却单元根据余热回收综合利用单元的需求，调节调控部的换热工质温度，被调控后的换热工质通过调控输出管道进入所述余热回收综合利用单元进行余热回收综合利用，所述回收冷却管连接所述余热回收综合利用单元和冷却部，所述换热工质被综合利用后减少，通过所述回收冷却管输送到所述冷却部，在所述冷却部加入新的换热工质后进入下一个循环。

本发明的实施例还提供干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的建设方法，其特征在于：所述干热岩地热能发电的挖掘、热储改造与管道换热系统的建设包括以下步骤：

所述方法包括以下步骤：

s1：建设地下系统10：

s101:开挖地下通道：

先对地下热结构进行干热岩热能的勘探，在完成了干热岩地热能的勘探并确定了目标区三维热结构之后，根据活动性韧性剪切带的走向和动态热源的流向在动态热源浅埋藏、温度高的热储顶部通过常规掘进机、抗高温高压硬岩隧道掘进机、岩石熔融掘进机等方式挖掘地下开挖通道；

s102:确认热储位置：

以温度为标准确定热储位置，热储顶部温度大于110℃，热储底部温度大于180℃，热储深度大于500m；

s103:改造热储：

为了提高和保证持续、稳定、高效的采热能力，根据热储地质状态和采热功率需求在热储开挖通道侧壁产生一定密度和长度的破裂；

s104:地下管道安装：

热储改造之后，在开挖通道中安装不同类型的管道，热储蒸发段采用高导热率、高强度吸热管，绝热段采用保温材料或用真空夹层管，管道要求密封性好；

s105:增强热储传热能力：

热储顶部设置介质调节阀，并通过所述介质调节阀向吸热管和工质吸热开挖通道之间的改造热储空间内注入增强换热介质；

s2:建设地面系统：

建设地面系统，包括调控与冷却单元、分离单元、发电单元和余热综合利用单元，各单元之间通过地面管道有序连接；

s3：加入换热工质运行：

所述换热工质通过地面管道进入地面系统，通过地下管道进入地下系统取热，取热后的换热工介进入地面系统，地面系统对取热后的工质进行分离、发电、回收综合利用和调节冷却，综合利用后的换热工质回到冷却部进入下一个循环。

进一步地，挖掘所述开挖通道时依据深度、地质结构、岩性和温压状态的不同，在浅表层使用常规开挖技术和方法，在高温高压的热储段，使用耐高温高压的硬岩挖掘机或通过极高温定向熔融的方式开挖通道，针对地下热储岩石的熔点，通过定向测量与自动控制通道方向，以大于热储岩石熔点的温度熔化并抽取设计开挖通道中的岩石，开挖出连通输入通道和输出通道的隧道，为了提高热储的换热能力和供热效率，对所述热储开挖通道侧壁实施定向破裂，所述破裂的设置方式包括水压破裂、管道机器人构造裂隙探测技术、定向破裂技术、定向爆破技术和热胀冷缩破裂技术。

本发明的一种干热岩地热能发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统开挖通道、热储改造和和管道换热，可取得较高的换热效率，通过地下系统和地面系统的有机结合，提供了一种性能稳定，取热效果好，综合利用率高的大规模地热能开发利用系统。

附图说明

图1是本发明一种干热岩地热能发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的一示意图。

图2是本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的地下系统一示意图。

图3是本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的地下系统另一示意图。

图4是本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的地面系统的一示意图。

图5是本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的地下系统的一局部示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明提供的干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的一实施例示意图，所述干热岩地热能发电的挖掘、热储改造与管道换热系统包括地下系统10、地面系统20、管道30和换热工质(图未示)，所述管道30包括地下管道31和地面管道32，所述地下管道31连通地面管道32，所述换热工质通过地面管道32装入到地面系统20并输送到地下管道31，所述地下管道31安装在地下系统10内，所述换热工质在地下系统10内吸收热能后通过管道30回到地面系统20，所述地面系统20对受热后的换热工质进行回收综合利用。

本发明提供的干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的建设方法，包括以下步骤：

s1：建设地下系统10：

s101:开挖地下通道：

所述地下系统10包括开挖通道11和地下结构15，所述地下结构15包括热储蒸发段151和绝热段152，所述热储蒸发段151是地下温度大于110℃的高温干热岩区域的顶部，所述绝热段152是从地面到热储蒸发段152的地下部分。

先对地下热结构进行干热岩热能的勘探，在完成了干热岩地热能的勘探并确定了目标区三维热结构之后，根据活动性韧性剪切带的走向和动态热源的流向在动态热源浅埋藏、温度高的热储顶部挖掘地下开挖通道11，所述开挖通道11包括输入开挖通道111、工质吸热开挖通道112和输出开挖通道113，所述工质吸热开挖通道112设置在热储蒸发段151，所述输入开挖通道111连通地面和工质吸热开挖通道112的一端，所述输出开挖通道113连通工质吸热开挖通道112的另一端和地面，所述输入开挖通道111和输出开挖通道113设置在绝热段。

请参考图2和图5，所述工质吸热开挖通道112包括左工质吸热开挖通道1121、水平工质吸热开挖通道1122和右工质吸热开挖通道1123，所述左工质吸热开挖通道1121连接输入开挖通道111和水平工质吸热开挖通道1122，所述水平工质吸热开挖通道1122水平设置在热储位置，连接左工质吸热开挖通道1121和右工质吸热开挖通道1123，所述右工质吸热开挖通道1123连接水平工质吸热开挖通道1122与输出开挖通道113，所述左工质吸热开挖通道1121与水平工质吸热开挖通道1122形成一定的夹角a，所述右工质吸热开挖通道1123与水平工质吸热开挖通道1122形成一定的夹角b，当夹角a和b的角度取值大于30度且小于等于90度时，工质吸热开挖通道112具有占地面积小，地面管线短，热储开挖通道长，工质与岩石的接触面积大等优点。

设置开挖通道11时，根据构造地质和地热地质条件，选用挖掘设备包括但不限于常规掘进机、抗高温高压硬岩隧道掘进机、岩石熔融掘进机、敞开式硬岩隧道掘进机、悬臂式硬岩隧道掘进机、双护盾式硬岩隧道掘进机、单护盾式硬岩隧道掘进机。

图2是当夹角a＝夹角b＝90度时的本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的实施例示意图；图3是当夹角a＝夹角b大于30度且小于80度时本发明干热岩发电及综合利用的挖掘、热储改造与管道换热系统的实施例示意图。

根据储热地的活动韧性剪切带的规模、地热地质条件、热储状态和采热量需求，确定开挖通道11的输入开挖通道111、输出开挖通道113和工质吸热开挖通道112的长度及截面直径。

在建设大型地热发电站及其综合利用系统中，开挖通道11的输入开挖通道111和输出开挖通道113的长度的值在3500-8000米，工质吸热开挖通道112的长度为500-3000米，开挖通道11的截面直径为3-20米，在本实施例中所述开挖通道11的输入开挖通道111和输出开挖通道113的长度是6000米，开挖通道11的截面直径是15米。

在另一较佳实施例中，所述开挖通道11通过极高温定向熔融隧道的方式开挖，针对地下热储岩石的熔点，进行实时熔化开挖定向测量与自动控制，以大于热储岩石熔点的温度熔化并抽取设计开挖通道中的岩石，连通整个开挖通道11。

s102:确认热储位置：

以温度为标准确定热储位置，热储顶部温度大于110℃，热储底部温度大于180℃，热储深度大于500m。在达到地热地质和开挖技术条件下，热储顶部温度大于250℃，热储底部温度大于300℃，热储深度大于800m，由此建设的发电站规模更大，综合利用价值更高。

s103:优化改造热储

开挖通道11开挖完成后，为了提高和保证持续、稳定、高效的采热能力，根据热储地质状态和采热功率需求在工质吸热开挖通道112侧壁设定一定密度和长度的破裂13，所述破裂13以张性破裂为主，相连到工质吸热开挖通道112，加强热能的传递，破裂与开挖通道112壁之间的夹角大于20度。

所述破裂13的形状、长度和排列数量根据在热储地质情况设置，在设置过程中充分利用开挖通道11侧壁原有的破裂构造。

破裂13的设置方式包括但不限于管道机器人构造裂隙探测技术、管道机器人定向破裂技术、管道机器人定向爆破技术、热胀冷缩破裂技术、定向压裂技术。

s104:地下管道安装

请参考图2和图3，破裂13设置完成后，在开挖通道11中安装地下管道31，所述地下管道31包括输入管311、吸热管312和输出管313，所述输入管311安装在输入开挖通道111，所述吸热管道312安装在热储开挖通道112中，所述输出管道313安装在输出开挖通道113内，所述吸热管312连通输入管311和输出管313。

所述输入管311和输出管313用于隔热，采用材质包括但不限于保温材料、保温外护材料、保温夹层的金属管或合成管。

所述吸热管312需要高效吸热导热，采用材料需有优良的传热性能，同时需要抗腐蚀、抗老化、高强度、耐高温和抗冲击的特征，采用材质包括但不限于铜质和合金材料。

所述地下管道31的截面直径小于开挖通道11的截面直径，所述地下管道31的截面直径在开挖通道11截面直径的三分之二与六分之五之间。

所述开挖通道11与地下管道31之间存在空隙，在所述开挖通道11接近地面的两端分别设置有安全调节阀121，所述安全调节阀121密封开挖通道11与地下管道31之间的空隙、防止异物进入开挖通道11内以及方便开挖通道11内的监测及地下管道31的检修。

s105:换热优化

所述吸热管312分别与输入管311和输出管313连接的两端分别设有介质调节阀122，所述介质调节阀122密封吸热管312和工质吸热开挖通道112之间的空间以及用于向该空间内注入换热介质14，所述换热介质14包括但不限于二氧化碳，增强工质吸热开挖通道112内热能的传导性，保证系统具有持续稳定的工质换热能力。

s2:建设地面系统20

请参考图1和图4，所述地面系统20包括分离单元21、发电单元22、调控与冷却单元23和余热回收综合利用单元24，所述地面系统20通过地面管道32进行相互连接，所述地面管道32包括第一连接管3211、第二连接管3212、第一分离管道3221、第二分离管道3222、回收调控管道323、调控输出管道324、工质输入管325和回收冷却管326，所述调控与冷却单元23包括相互隔绝的冷却部231和调控部232，所述冷却部231和调控部232之间设有一阀门(图未示)，当所述阀门打开，所述换热工质可从冷却部231通过阀门流向调控部，当所述阀门关闭，所述冷却部231和调控部232是相互隔绝的两个部分，所述工质输入管325向冷却部231输送换热工质，所述第一连接管3211连接冷却部231与输入管311，所述第二连接管3212连接分离单元11与输出管313，所述第一分离管道3221连接分离单元21和调控部232，所述第二分离管道3222连接分离单元21和发电单元22，回收调控管道323连接发电单元22和调控部232，所述调控输出管道324连接所述调控部232和余热回收综合利用单元24，所述回收冷却管326连接余热回收综合利用单元24和冷却部231。

在另一实施例中，所述调控与冷却单元23的调控部和冷却部是通过管道连接的两个独立单元。

s3：加入换热工质运行

所述换热工质类型包括水、二氧化碳、氨、乙醇、甲醇、丙酮和苯，在本实施例中所述换热工质是水。

所述工质输入管325向调控与冷却单元23输送换热工质，所述换热工质通过第一连接管3211进入输入管321，经输入管321进入取热管322进行取热，取热后换热工质经输出管313离开地下系统，通过第二连接管312进入分离单元21。

所述分离单元23将取热后的换热工质进行相态分离、净化处理并进行流量和温度测试数据采集，换热工质被分离后，液态的换热工质通过第一分离管道3221进入调控部232进行调控处理，气态的换热工质通过第二分离管道3222进入发电单元22进行发电。

所述发电单元22根据分离单元23采集的流量和温度测试数据选用合适的发电系统(图未示)，所述发电系统利用分离后的高温气态换热工质进行发电，所述发电单元22可选用的发电系统包括但不限于单级闪蒸地热发电系统、单级闪蒸-有机朗肯循环系统、双级闪蒸地热发电系统、双级闪蒸-有机朗肯循环系统。发电单元22的发电系统产生的电能，输出到电网，由电网进行进一步分配。

气态部分的换热工质发电后液化，发电后液化的换热工质通过回收调控管道323回到调控部232，所述调控部232从分离单元21和发电单元22回收的换热工质温度较高，所述调控与冷却单元23根据余热回收综合利用单元24的需要调节取热后的换热工质的类型、纯度、量级、温度和密度，通过打开阀门从冷却部231补充低温的换热工质，使调控部232的换热工质温度达到余热回收综合利用单元24需要的温度，然后通过调控输出管道324进入余热回收综合利用单元24进行综合利用，综合利用后会流失部分换热工质，剩下的换热工质再通过回收冷却管326回到所述冷却部231，冷却部231加入新的换热工质后进入下一次循环。

所述余热回收综合利用单元24的使用类型包括供暖、洗浴、温室种植养殖、食品加工、深度旅游及休闲保健、纺织印染、海水淡化等综合利用。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。