一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統的製作方法

2024-02-18 00:59:15

本發明涉及能源領域的地熱能開採技術，尤其涉及一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統。

背景技術：

地熱能是一種清潔的可再生能源，開發利用地熱能，特別是深層地熱資源的開發已逐漸成為世界各國新能源發展的重點關注方向之一。目前地熱資源開發利用不僅包括供暖、種植等直接利用，還能夠實現地熱製冷、中高溫地熱資源發電。此外，地熱資源開發也從中淺層水熱型資源，向著深層地熱、乾熱巖資源等更深賦存地層發展。

熱管利用管內工質的相變，可以將熱量迅速地從高溫段傳輸到低溫段。熱管具有較高的傳熱率、優良的等溫性等特徵，是目前最有效的傳熱設備之一。相比於常規地熱開採過程，使用地熱熱管來開採熱儲中的熱能不需要消耗額外的泵功，同時由於載熱工質僅在管內循環，可以有效避免出現工質流失、管道結垢以及地下水回灌等問題。然而隨著地熱資源開採向著更深賦存地層發展的同時，現有地熱熱管的技術瓶頸也日趨明顯。目前應用於地熱開採的重力熱管中，蒸汽與冷凝後的液相工質均在同一管道內流動，液相工質在重力作用下沿管壁向下回流，並直接匯聚於蒸發段，形成一段液池或液柱。蒸汽流沿熱管向上流動時與回流液相工質長期相互作用，一方面使蒸汽動能及內能受到損失，另一方面蒸汽還將攜帶液相工質，產生攜帶效應。此外蒸發段積聚的液池過深，較深液位處的壓力較高，處於過冷狀態，即不沸騰狀態，這部分的蒸發段被不沸騰的液柱所充滿，液相工質溫度與巖石溫度達到平衡，從而蒸發段底部較大範圍將不會從管外吸取熱量造成，導致傳熱效率低。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統，能實現對蒸發段液相回流模式及沸騰模式的控制，以及實時調節地熱熱管有效充液率，從而實現穩定高效的提取地熱能。

為實現以上目的，本發明採取以下的技術方案：

一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統，包括套管式迴路熱管、地表換熱器和蓄液箱，地表換熱器與蓄液箱均位於地面上，所述的套管式迴路熱管包括蒸發段、絕熱段和回流段，所述蒸發段位於高溫熱儲內，所述地表換熱器設有冷凝段，所述冷凝段與外界進行換熱，其中，所述絕熱段與冷凝段之間設有單向閥或蒸汽泵，所述蓄液箱與回流段之間設有單向節流閥，所述蒸發段、絕熱段、冷凝段、蓄液箱與回流段依次首尾相連通，蓄液箱的工質流體通過回流段進入蒸發段，進入蒸發段後的液態的工質流體吸收熱量後產生膜態沸騰，汽化為氣態工質流體，所述氣態的工質流體經冷凝段放熱液化後流入蓄液箱。

所述的套管式迴路熱管包括外套管、內套管和連接管，內套管頂部依次與單向節流閥、蓄液箱、地表換熱器、單向閥或蒸汽泵、連接管以及外套管連接，所述內套管位於外套管內，外套管位於地層的高溫熱儲內的部分設有蒸發段，外套管對應蒸發段區域的內壁設有微溝槽，外套管位於所述高溫熱儲外的部分設有絕熱段，所述連接管設有絕熱段，所述內套管管壁對應蒸發段區域布有射孔，所述射孔的孔徑及分布密度根據系統所需的循環流量和蒸發段的熱流密度確定，所述內套管設有回流段。

注入蓄液箱的工質流體經單向節流閥進入內套管後，在內套管底部形成具有水頭的液柱，工質流體在所述液柱的水頭壓力下通過射孔噴射至微溝槽表面。

通過控制蓄液箱的液位高度以及射孔的孔徑及分布密度從而控制所述內套管底部的水頭和液態的工質流體噴射流量，

所述單向閥或蒸汽泵用於調節冷凝段蒸汽壓力，進而改變蒸汽壓差和上升速率，所述單向節流閥用於對內套管底部的水頭進行控制。

所述的套管式迴路熱管包括外套管、內套管和連接管，內套管頂部依次與單向節流閥、蓄液箱、地表換熱器、單向閥或蒸汽泵、連接管以及外套管連接，所述內套管位於外套管內，外套管位於地層的高溫熱儲內的部分設有蒸發段，外套管對應蒸發段區域的內壁依次設有微溝槽和多孔金屬層，外套管位於所述高溫熱儲外的部分設有絕熱段，所述連接管設有絕熱段，所述多孔金屬層設有平行於外套管軸線的割縫，所述內套管開設割縫，所述內套管與多孔金屬層緊密貼合，所述多孔金屬層割縫與內套管割縫對齊，多孔金屬層割縫及割縫的開度與高度，以及多孔金屬層滲透率根據水頭及工質流體流量決定。進入內套管的工質流體通過所述內套管割縫和多孔金屬層割縫進入多孔金屬層與外套管內壁的間隙後，，以薄膜形式覆蓋於外套管的內壁，所述的以薄膜形式覆蓋於外套管的內壁的工質流體吸收熱量後產生膜態沸騰，汽化後的工質流體通過多孔金屬層流向外套管頂部。

所述的套管式迴路熱管包括外套管、內套管和連接管，外套管頂部與單向節流閥、蓄液箱、地表換熱器、單向閥或蒸汽泵、連接管依次首尾相連通，所述內套管的底部和頂部均開口且位於外套管內的上部，所述外套管與內套管的間隙設有回流段，外套管位於地層的高溫熱儲內的部分設有蒸發段，外套管位於所述高溫熱儲外的部分設有絕熱段，所述內套管與外套管的間隙位於蒸發段與絕熱段連接處的區域設有環狀澆口。進入外套管後的工質流體以膜流狀態在多孔金屬層表面流動，吸收熱量後的沸騰為膜態沸騰，汽化後的工質流體透過多孔金屬層流向外套管頂部。通過調節單向節流閥控制外套管與內套管間隙內的工質流體的水頭，從而控制工質流體流出環狀澆口的流量，以液相狀態的工質流體沿著多孔金屬層向下流動過程充分蒸發，不在管底形成積液。

與現有的地熱能開採技術相比，本發明具有如下優點：

(1)本發明利用熱管內的工質相變作用，自發地實現地熱資源的開採，不需要提供輔助動力來維持系統運行；在系統運行過程中，管道載熱工質為封閉式循環，不與巖石接觸，避免了工質損失、管道結垢以及環境汙染等問題；

(2)本發明迴路式的熱管結構設計通過套管式的外套管和內套管涉及，將回流段與蒸發段採用兩種不同的通道，避免了長距離傳輸過程汽液相互作用造成的攜帶效應、流阻過大等問題；有效避免了重力熱管蒸發段液池過深、工質不發生相變等問題；

(3)本發明迴路式的熱管結構設計將回流段與蒸發段的連通，通過在外套管與內套管上設置不同的連通方式例如設計環狀澆口，多孔金屬層等配合，使蒸發段處的工質流體的沸騰為膜態沸騰，從而使熱管傳熱效率最大化。

(4)本發明能實現根據控制單向閥或蒸汽泵、單向節流閥、地表換熱器的換熱溫度以及根據蓄液箱液體高度，來實現工質液體的循環流量可控，從而實現外套管內不積液、不幹燒，且為膜態沸騰，使熱管傳熱效率最大化。

附圖說明

圖1是本發明一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統的實施例1的系統結構示意圖；

圖2是本發明體實施例1中外套管內壁的微溝槽橫截面示意圖；

圖3是本發明實施案例2的系統結構示意圖；

圖4是本發明實施案例2蒸發段橫截面示意圖；

圖5是本發明實施案例3的系統結構示意圖；

附圖標記說明：1、套管式迴路熱管；2、高溫熱儲；3、地表換熱器；4、工質流體；5、蒸發段；6、絕熱段；7、冷凝段；8、保溫夾層；9、外套管；10、單向閥；11、內套管；12、蓄液箱；13、單向節流閥；14、微溝槽；15、射孔；16、排氣閥；17、注水口；18、保溫層；19、多孔金屬層；20、多孔金屬層割縫；21、內套管割縫；22、環狀澆口。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明作進一步的說明。

一種工質循環流量可調控的迴路熱管式地熱開採系統，包括套管式迴路熱管1、地表換熱器3和蓄液箱12，地表換熱器3與蓄液箱12均位於地面上，所述的套管式迴路熱管1包括蒸發段5、絕熱段6和回流段，所述蒸發段5位於高溫熱儲2內，所述地表換熱器3設有冷凝段7，所述冷凝段7與外界進行換熱，其中，所述絕熱段6與冷凝段7之間設有單向閥10或蒸汽泵，所述蓄液箱12與回流段之間設有單向節流閥13，所述蒸發段5、絕熱段6、冷凝段7、蓄液箱12與回流段依次首尾相連通，蓄液箱12的工質流體4通過回流段進入蒸發段5，進入蒸發段5後的液態的工質流體4吸收熱量後產生膜態沸騰，汽化為氣態工質流體4，所述氣態的工質流體4經冷凝段7放熱液化後流入蓄液箱12。

下面通過具體實施例來說明。

實施例1：

如圖1和圖2所示，所述的套管式迴路熱管1包括外套管9、內套管11和連接管，內套管11頂部依次與單向節流閥13、蓄液箱12、地表換熱器3、單向閥10或蒸汽泵、連接管以及外套管9連接，所述內套管11位於外套管9內，外套管9位於地層的高溫熱儲2內的部分設有蒸發段5，外套管9對應蒸發段5區域的內壁設有微溝槽14，外套管9位於所述高溫熱儲2外的部分設有絕熱段6，所述連接管設有絕熱段6，所述內套管11管壁對應蒸發段5區域布有射孔15，所述射孔15的孔徑及分布密度根據系統所需的循環流量和蒸發段5的熱流密度確定，所述內套管11設有回流段。注入蓄液箱12的工質流體4經單向節流閥13進入內套管11後，在內套管11底部形成具有水頭的液柱，工質流體4在所述液柱的水頭壓力下通過射孔15噴射至微溝槽14表面。通過控制蓄液箱12的液位高度以及射孔15的孔徑及分布密度從而控制所述內套管11底部的水頭和液態的工質流體4噴射流量，所述單向閥10或蒸汽泵用於調節冷凝段7蒸汽壓力，進而改變蒸汽壓差和上升速率，所述單向節流閥13用於對內套管11底部的水頭進行控制。

運行時，高溫熱儲2內的熱量進入蒸發段5，使微溝槽14內的工質流體4吸熱並汽化。汽相的工質流體4在管內壓差作用下沿外套管9向上遷移，至冷凝段7時與地表換熱器3進行熱量交換，再次凝結為液相的工質流體4，並流入蓄液箱12。蓄液箱12內液相的工質流體4經單向節流閥13後流入內套管11，並在內套管11底部形成液柱。該液柱的水頭將驅使液相的工質流體4通過射孔15噴向外套管9的內表面，並在微溝槽14的作用下沿外套管9的內管壁遷移並汽化，形成循環。

本實施例1中工質循環流量調控通過如下方法控制，通過監測蓄液箱12的液位高度，並結合射孔15的孔徑及分布特徵，可計算出內套管11底部的水頭和液相的工質流體的噴射流量，進而可直接通過單向節流閥13對該水頭和噴射流量進行控制。通過單向閥10或蒸汽泵、地表換熱器3的換熱溫度，可對外套管9內的蒸汽壓力進行控制，也可與單向節流閥13配合控制，優化迴路熱管傳熱性能。

本實施例1的實施方法是：

(1)通過地質勘查選取地熱靶區，並由地面向高溫熱儲2鑽井；

(2)將外套管9置於鑽井內。其中，外套管9底部密封，其對應於蒸發段5區域的內壁加工微溝槽14；外套管9對應於絕熱段6的外壁設置保溫夾層8；外套管9和鑽井井孔間利用固井水泥環固定；外套管9頂部設置排氣閥16，並通過分支通道依次連接單向閥10或蒸汽泵及地表換熱器3，在地表換熱器3內形成冷凝段7；

(3)將內套管11置於外套管9內，兩管軸線近似重合。其中，內套管11底部密封，其對應於蒸發段5區域的管壁布置射孔15，射孔15的孔徑及分布密度按照系統所需的循環流量和蒸發段5的熱流密度進行設計；內套管11通過焊接加強筋等方式與外套管9固定；

(4)將內套管11頂部接口依次與單向節流閥13、蓄液箱12、地表換熱器3、單向閥10或蒸汽泵以及外套管9連接，形成迴路；迴路中連接地表換熱器3的部分屬於冷凝段7，插入高溫熱儲2的部分屬於蒸發段5，其餘部分均屬於絕熱段6，均採用保溫層18進行保溫處理(包括蓄液箱12外壁)；

(5)通過排氣閥16對迴路熱管抽真空，達到所需真空度後關閉單向節流閥13，並通過注水口17向蓄液箱12注入工質流體4；

(6)逐漸開啟單向節流閥13，使工質流體4流入內套管11，並在內套管11底部形成具有一定水頭的液柱，在該液柱的水頭壓力下，工質流體4將通過射孔15噴射至微溝槽14表面；

(7)工質流體4吸收熱量並汽化，形成蒸汽，在蒸發段5及冷凝段7飽和蒸汽壓差下向地表遷移；當汽相工質流體4通過單向閥10或蒸汽泵後進入地表換熱器3，釋放熱量並再次凝結為液相，回流至蓄液箱12，形成循環；

(8)運行過程中，單向閥10或蒸汽泵可與地表換熱器3共同作用於冷凝段7蒸汽壓力調節，進而改變蒸汽壓差和上升速率；單向閥10或蒸汽泵還可用於該迴路熱管的輔助啟動過程；通過監測蓄液箱12液位高度，可估算出內套管液柱的水頭，該水頭可進一步由單向節流閥13進行控制；相應的，射孔15處的工質流體4噴射流量、蒸汽上升速率均可通過單向節流閥13及單向閥10或蒸汽泵實現實時調控；

(9)所述的高溫熱儲2包括但不限於水熱型地熱、乾熱巖地熱、以及通過水力激發等手段建造的人工熱儲；

(10)所述的工質流體4包括但不限於水、二氧化碳、氨、乙醇、甲醇、丙酮、苯；

(11)所述的保溫夾層8及保溫層18包括但不限於夾層抽真空套管、夾層填充矽酸鹽、巖棉、泡沫塑料等多孔絕熱材料、管壁鍍鎳、鋁箔或鍍金屬的聚酯、聚醯亞胺薄膜等熱反射材料。

實施例2：

所述的套管式迴路熱管1包括外套管9、內套管11和連接管，內套管11頂部依次與單向節流閥13、蓄液箱12、地表換熱器3、單向閥10或蒸汽泵、連接管以及外套管9連接，所述內套管11位於外套管9內，外套管9位於地層的高溫熱儲2內的部分設有蒸發段5，外套管9對應蒸發段5區域的內壁依次設有微溝槽14和多孔金屬層19，外套管9位於所述高溫熱儲2外的部分設有絕熱段6，所述連接管設有絕熱段6，所述多孔金屬層19設有平行於外套管9軸線的多孔金屬層割縫20，所述內套管11開設內套管割縫21，所述內套管11與多孔金屬層19緊密貼合，所述多孔金屬層割縫20與內套管割縫21對齊，多孔金屬層割縫20及內套管割縫21的開度與高度，以及多孔金屬層19滲透率根據水頭及工質流體4流量決定。該實施例中地面設備結構均與實施案例1一致，蒸發段5及絕熱段6依然採用套管結構，與實施案例1不同的是：如圖3和圖4所示，在蒸發段5區域，外套管9內插入多孔金屬層19，使之與外套管9內壁形成微小間隙配合；多孔金屬層19預留平行於軸線的多孔金屬層割縫20；內套管11開設內套管割縫21，將內套管11布置於緊貼多孔金屬層19位置，並使多孔金屬層割縫20與內套管割縫21對齊；多孔金屬層割縫20及內套管割縫21的開度、高度、多孔金屬層19的滲透率設計需考慮垂向水頭及工質流體4的流量分配；

運行時，工質流體4進入內套管11，通過內套管割縫21及多孔金屬層割縫20進入多孔金屬層19與外套管9內壁的間隙；在多孔金屬層19的約束，以及外套管9內壁微溝槽14的導流作用下，工質流體4以薄膜形式覆蓋於外套管9的內壁，吸收熱量後產生膜態沸騰；由於汽相工質流體4相對滲透率遠大於液相工質流體4，汽化後的工質流體4將透過多孔金屬層19並流向頂部；當汽相工質流體4通過單向閥10或蒸汽泵後進入地表換熱器3，釋放熱量並再次凝結為液相，回流至蓄液箱12，形成循環；

該實施例2中的工質循環流量調控方法與實施例1相同；

所述的多孔金屬層19包括但不限於顆粒或纖維燒結製備、金屬液發泡製備、纖維編織等製備方法，其材料包括但不限於不鏽鋼、銅合金、鋁合金、尼龍、碳纖維等金屬或非金屬材料，在本實施例中，主要是隔離蒸汽路及液路，使二者互不幹涉，蒸發後的汽相能夠通過多孔金屬，液相不通過(依靠多孔金屬相對滲透率實現)。

與普通重力熱管及實施例1相比，實施例2具有以下突出優勢：1)通過內套管11將回流液相工質流體輸送至蒸發段，形成的液柱只存在於內套管11內，不幹涉蒸發麵；2)蒸發麵存在於多孔金屬層19及其與外套管9的夾層中，液相工質自內套管割縫21流出後僅需在該夾層內延圓周方向流動，實現汽化後的工質補償，循環效率高；3)可應用於水平井及傾斜井。

實施例3：

如圖5所示，所述的套管式迴路熱管1包括外套管9、內套管11和連接管，外套管9頂部與單向節流閥13、蓄液箱12、地表換熱器3、單向閥10或蒸汽泵、連接管依次首尾相連通，所述內套管11的底部和頂部均開口且位於外套管9內的上部，所述外套管9與內套管11的間隙設有回流段，外套管9位於地層的高溫熱儲2內的部分設有蒸發段5，外套管9位於所述高溫熱儲2外的部分設有絕熱段6，所述內套管11與外套管9的間隙位於蒸發段5與絕熱段6連接處的區域設有環狀澆口22。該實施例中地面設備結構均與實施例1一致，蒸發段5及絕熱段6依然採用套管結構，與實施案例1不同的是：外套管9被作為液體通道，從蓄液箱12中流出的液體被注入到外套管9；同時，內套管11與地表換熱器3的管路相連，作為蒸汽通道；在蒸發段5區域，外套管9管壁燒結了多孔金屬層19，二者緊密配合；在蒸發段5與絕熱段6連接區域，內套管11與外套管9之間設置了環狀澆口22；

本實施例運行時，工質流體4進入外套管9，通過環狀澆口22在多孔金屬層19表面流動，依靠多孔金屬層19的微孔隙及環狀澆口22結構，回流的液相工質將以膜流方式吸附於多孔金屬層19表面並向熱管深部流動，吸收熱量後在多孔金屬層19表面產生膜態沸騰；汽化後的工質流體4將直接流向內套管11頂部；當汽相工質流體4經由內套管11進入地表換熱器3，釋放熱量並再次凝結為液相，回流至蓄液箱12，形成循環；

本實施例3中通過調節單向節流閥13，控制在外套管9與內套管11間隙內的工質流體4水頭，進而控制工質流體4流出環狀澆口22的流量，使液相狀態的工質流體4沿著多孔金屬層19表面向下流動過程充分蒸發，不在管底形成積液。

相對於前述實施例，本實施例通過依靠多孔金屬層19引導液相回流，且將蒸汽上升路徑設置於內套管11，具有更好的保溫特性。

上列詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含於本案的專利範圍中。