CN111878168B - 一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法和*** - Google Patents
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Abstract
一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的***，包括废气矿井、气源热泵和热交换***，所述废气矿井具有采空区、天然气注气井和天然气采气井，所述天然气注气井和所述天然气采气井均与所述采空区连通，且其内均配置有井下安全阀，所述气源热泵的进气端与所述天然气注气井连通，其可实现对废气矿井资源的充分利用，有效解决了现有煤矿井被弃用造成资源浪费的问题，提高了废弃矿井重复利用率，推动了资源枯竭型城市转型发展；可实现对夏季过剩的天然气进行储存，并于冬季用气时取出，不仅扩大了天然气的存储空间，还能有效缓解天然气需求高峰期的保供压力，带来更多经济效益。
Description
技术领域
本发明属于新能源开发应用领域，是一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法和***。
背景技术
天然气具有价格低廉和绿色环保等优点，其目前已经成为居民的主要家用燃料，且采用天然气供暖已经慢慢成为一种趋势。但是采用天然气供暖多集中在冬季，这导致冬季对天然气供求量急剧上升，容易出现天然气存储不足的现象，而夏季对天然气需求量显著低于冬季，则会出现天然气储量过剩的现象。此外，气源热泵是目前应用最为广泛的热泵***，由于北方冬季寒冷，随着室外温度降低，热泵效率也大大降低。
近年来，废弃煤矿井的数量一直处于上升状态，废弃煤矿井的采空区(11)赋存稳定，空间维护情况良好，多数情况下顶板不会发生垮塌，且采空区(11)范围较大。但是目前大量的废弃煤矿井均处于被弃用的状态，对其地下空间部分并没有进行充分利用，这造成了对废弃煤矿井资源的浪费。且废弃煤矿井通常位于地下深部，从废弃矿井中释放出来气体温度较高，但是目前也没有对这部分的热量进行利用，同样也造成对热能资源的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法。
本发明提供一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，主要包括以下步骤：
S1、选取目标废弃矿井，获取所述废弃矿井内采空区的地质环境信息；
S2、对所述废弃矿井进行清理，并将所述废弃矿井的井筒及其内由于开挖造成的裂隙进行封堵后，检测所述采空区的气密性，若所述采空区内气密性良好，则进行下一步，若测得所述采空区内气密性差，则继续检查所述废弃矿井的各个井筒以及其内的裂隙是否封堵严实，直至测得所述采空区内气密性良好；
S3、判断所述采空区的最大承压能力，获取储气库的最大库容信息；
S4、在所述采空区的上方分别钻取天然气注气井、天然气采气井和天然气检测井，其中，所述天然气注气井和所述天然气采气井与所述采空区连通，所述天然气检测井与所述采空区不连通，并分别在所述天然气注气井和所述天然气采气井内配置井下安全阀，通过所述天然气注气井向所述采空区内输入天然气，即可将天然气存储在所述采空区内；
S5、在所述天然气采气井处外接气源热泵，通过所述天然气采气井将所述采空区内的高温天然气提取至所述气源热泵处，并由所述气源热泵进行液化处理后，输送至热交换***，所述热交换***对液化天然气中的热量进行提取，并输送至居民的室内地暖盘管，而液化天气然则输送至居民的天然气输送管道，以实现给供暖。
进一步地，S1中的地质环境信息包括采空区的分布位置、尺寸、形状和边界的参数信息。
进一步地，S2中采用覆盖密封板、喷超细混凝土或喷密封材料的方式来实现对井筒及裂隙的封堵。
一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，包括废气矿井、气源热泵和热交换***，所述废气矿井具有采空区、天然气注气井和天然气采气井，所述天然气注气井和所述天然气采气井均与所述采空区连通，且其内均配置有井下安全阀，所述气源热泵的进气端与所述天然气采气井连通，所述热交换***具有第一进料端、第一出料端和第二出料端，其第一进料端与所述气源热泵的第一出液口连通，其第一出料端与居民室内地暖盘管连通，第二进料端与居民天然气输送管道连通。
进一步地，所述废气矿井还具有天然气检测井，其与所述天然气注气井和所述天然气采气井相互独立设置，并不与所述采空区连通，所述天然气检测井用于检测是否有天然气外泄。
进一步地，所述热交换***包括水热交换器和蒸发器，所述水热交换器的第一进液端与所述气源热泵的第一出液口连通，其第二出液端与居民室内地暖盘管的第二进液口连接，其第三出液端与所述蒸发器的第三进液口连接，所述蒸发器的出气口与居民天然气输送管道连通。
进一步地，所述热交换***还包括水泵、阀门和电子膨胀阀，所述水泵和所述阀门分别设置所述水热交换器的第二出液端，所述电子膨胀阀设置在所述所述水热交换器的第三出液端。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法和***，具有以下优点：
1)本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，将废弃矿井的地下空间部分用来存储天然气，实现了对废气矿井资源的充分利用，有效解决了现有煤矿井被弃用造成资源浪费的问题，提高了废弃矿井重复利用率，推动了资源枯竭型城市转型发展；可实现对夏季过剩的天然气进行储存，并于冬季用气时取出，不仅扩大了天然气的存储空间，还能有效缓解天然气需求高峰期的保供压力，带来更多经济效益；
2)本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，充分利用了废弃矿井中的地热资源，实现了地热资源与供暖技术的相结合，提高了对地热资源的利用率，还有效解决了北方冬季气源热泵供暖效率低下的问题，增加了冬季供暖资源的获取途径，降低了使用传统供暖方式的能耗，对加快能源结构改革、提高清洁能源利用率具有重大的技术进步意义；
3)本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，可实现对天然气的存储，以及对高温天然气进行提取以用于供暖，具有结构简单、操作方便和实施成本低等优点。
附图说明
图1是本发明所述一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的***的结构示意图；
图2是本发明所述一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法的流程图。
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，本发明的实施例提供了一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，包括废气矿井10、气源热泵20和热交换***，所述废气矿井10具有采空区11、天然气注气井12、天然气采气井13和天然气检测井14，其中，所述天然气注气井12和所述天然气采气井13均与所述采空区11连通，所述天然气检测井14与所述采空区11不连通，所述天然气注气井12和所述天然气采气井13内均配置有井下安全阀15，所述气源热泵20的进气端与所述天然气采气井13连通，所述热交换***具有第一进料端、第一出料端和第二出料端，其第一进料端与所述气源热泵20的第一出液口连通，其第一出料端与居民地暖盘管30连通，第二出料端与居民天然气输送管道连通。
在上述实施例中，所述气源热泵20的进气端通过第一输气管与所述天然气注气井12连通，进入气源热泵20中的天然气，经过气源热泵20处理后，形成液态天然气后从其第一出液口输出至热交换***。
在本发明中，所述热交换***包括水热交换器50、水泵51、阀门52、电子膨胀阀53和蒸发器54，所述水热交换器50的第一进液端通过第一输液管55与所述气源热泵20的第一出液口连通，其第二出液端通过第二输液管56与居民地暖盘管30的第二进液口连接，其第三出液端通过第三输液管57与所述蒸发器54的第三进液口连接，所述蒸发器54的出气口与居民天然气输送管道连通，所述水泵51和所述阀门52分别设置在所述第二输液管56上，所述电子膨胀阀53设置在所述第三输液管57上。
在上述实施例中，为了实现对地暖盘管30中水的循环利用，将地暖盘管30的出水口也与水热交换器50连通，以使得地暖盘管30中冷却的水再次进入水热交换器50中被加热。气源热泵20将高温液化天然气通过第一输液管55输送至水热交换器50内，利用液化天然气中的热量将水热交换器50内的冷却水进行加热后，加热后的水通过水热交换器50的第二出液端输出，并在水泵51的作用下，通过第二输液管56输送至居民的地暖盘管30内，以实现供暖，而阀门52用于调节水的流量，进而达到控制地暖温度的目的；另一方面，液化天然气经过水热交换器50后，从水热交换器50的第三出液端输出，通过电子膨胀阀53，使液化天然气的压力降低，压力降低后的液化天然气通过第三输液管57进入蒸发器54内开始蒸发，形成低压气体后，输送至居民的天然气输送管道内，以向居民提供天然气，进而实现供暖。本发明中的所述热交换***，能实现对液化天然气中热量的充分利用，还具有换热速度快和实施成本低等优点。
本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，可实现对天然气的存储，以及对高温天然气进行提取以用于供暖，具有结构简单、操作方便和实施成本低等优点。
请参考图2，本发明还提供了一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，其主要包括以下步骤：
S1、选取目标废弃矿井，收集废弃矿井的地质资料，获取所述废弃矿井内采空区11的地质环境信息，其中，地质环境信息包括采空区11的分布位置、尺寸、形状、边界、最大承压能力和最大库容信息；
通过获取采空区的最大库容信息，已了解其实际储气能力。在此，需要说明的是，本发明中，获取目标废弃矿井的最大承压能力和最大库容信息的方法均为现有技术，现有技术中用于获取矿井最大承压能力和最大库容信息的方法均可作为本发明中获取目标废弃矿井的最大承压能力和最大库容信息方法的具体实施例。
S2、清理所述废弃矿井内的积水，并将所述废弃矿井的井筒及其内由于开挖造成的裂隙进行封堵后，采用CSCT方法对所述采空区11进行气密封实验，检测所述采空区11的气密性，若测得所述采空区11内气密性良好，则进行下一步，若测得所述采空区11内气密性差，则继续检查所述废弃矿井的各个井筒以及其内的裂隙是否封堵严实，直至测得所述采空区11内气密性良好；
其中，CSCT方法，即井筒气密封检测技术，是检测地下储气库气密性是否良好的有效手段，其为现有技术，本发明对其具体检测原理不再进行赘述。在本发明中，采用覆盖密封板或喷超细混凝土等方式来实现对井筒及裂隙的密封。此外，若目标废气矿井周围有采煤井，也应将其进行封堵。
S3、在所述采空区11的上方分别钻取天然气注气井12、天然气采气井13和天然气检测井14，其中，所述天然气注气井12和所述天然气采气井13与所述采空区11连通，所述天然气检测井与所述采空区11不连通，并分别在所述天然气注气井12和所述天然气采气井13内配置井下安全阀15，通过所述天然气注气井12向所述采空区11内输入天然气，即可将天然气存储在所述采空区11内；
其中，天然气注气井12、天然气采气井13和天然气检测井14分别相互独立设置，且在选择钻井位置时，还需评判该处是否适宜钻取井口，避免造成采空区11塌陷。天然气注气井12用于向采空区11内注入天然气，天然气采气井13用于将采空区11内的天然气输出，天然气检测井14则用于检测是否有天然气外泄，其检测方法为现有技术，现有技术中用于检测天然气泄漏的方法均可用于本发明中来检测采空区11内是否有天然气外泄的情况，因此，本发明对其检测方法不再一一举例说明。
S4、在所述天然气采气井13处外接气源热泵20，通过所述天然气采气井13将所述采空区11内的高温天然气提取至所述气源热泵20处，并由所述气源热泵20进行液化处理后，输送至热交换***，其中，所述热交换***将液化天然气中的热量提取出来以输送至居民的地暖盘管30，而液化天气然则输送至居民的天然气输送管道，均用于给居民供暖。
其中，本发明所述热交换***可采用上述热交换***的结构，也可将现有技术中能实现对高温液化天然气中热量利用，以及将液化天然气转化为气态天然气的热交换结构作为本发明中热交换***的具体实施例。
本发明所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，具有以下优点：
4)将废弃矿井的地下空间部分用来存储天然气，实现了对废气矿井资源的充分利用，有效解决了现有煤矿井被弃用造成资源浪费的问题，提高了废弃矿井重复利用率，推动了资源枯竭型城市转型发展；可实现对夏季过剩的天然气进行储存，并于冬季用气时取出，不仅扩大了天然气的存储空间，还能有效缓解天然气需求高峰期的保供压力，带来更多经济效益。
5)充分利用了废弃矿井中的地热资源，实现了地热资源与供暖技术的相结合，提高了对地热资源的利用率，还有效解决了北方冬季气源热泵供暖效率低下的问题，增加了冬季供暖资源的获取途径，降低了使用传统供暖方式的能耗，对加快能源结构改革、提高清洁能源利用率具有重大的技术进步意义。
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。
Claims (7)
1.一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1、选取目标废弃矿井，获取所述废弃矿井内采空区(11)的地质环境信息；
S2、对所述废弃矿井进行清理，并将所述废弃矿井的井筒及其内由于开挖造成的裂隙进行封堵后，检测所述采空区(11)的气密性，若所述采空区(11)内气密性良好，则进行下一步，若测得所述采空区(11)内气密性差，则继续检查所述废弃矿井的各个井筒以及其内的裂隙是否封堵严实，直至测得所述采空区(11)内气密性良好；
S3、在所述采空区(11)的上方分别钻取天然气注气井(12)、天然气采气井(13)和天然气检测井(14)，其中，所述天然气注气井(12)和所述天然气采气井(13)与所述采空区(11)连通，所述天然气检测井与所述采空区(11)不连通，并分别在所述天然气注气井(12)和所述天然气采气井(13)内配置井下安全阀(15)，通过所述天然气注气井(12)向所述采空区(11)内输入天然气，即可将天然气存储在所述采空区(11)内；
S4、在所述天然气采气井(13)处外接气源热泵(20)，通过所述天然气采气井(13)将所述采空区(11)内的高温天然气提取至所述气源热泵(20)处，并由所述气源热泵(20)进行液化处理后，输送至热交换***，所述热交换***对液化天然气中的热量进行提取，并输送至居民的地暖盘管(30)，而液化天气然则输送至居民的天然气输送管道，以实现给供暖。
2.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，其特征在于，S1中的地质环境信息包括采空区(11)的分布位置、尺寸、形状、边界、最大承压能力和最大库容信息。
3.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖的方法，其特征在于，S2中封堵所述井筒及其裂隙的方法为选用覆盖密封板或喷超细混凝土中的一种或多种。
4.一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，其特征在于，包括废气矿井(10)、气源热泵(20)和热交换***，所述废气矿井(10)具有采空区(11)、天然气注气井(12)和天然气采气井(13)，所述天然气注气井(12)和所述天然气采气井(13)均与所述采空区(11)连通，且其内均配置有井下安全阀(15)，所述气源热泵(20)的进气端与所述天然气采气井(13)连通，所述热交换***具有第一进料端、第一出料端和第二出料端，其第一进料端与所述气源热泵(20)的第一出液口连通，其第一出料端与居民地暖盘管(30)连通，第二出料端与居民天然气输送管道连通。
5.根据权利要求4所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，其特征在于，所述废气矿井(10)还具有天然气检测井(14)，其与所述天然气注气井(12)和所述天然气采气井(13)相互独立设置，并不与所述采空区(11)连通，所述天然气检测井(14)用于检测是否有天然气外泄。
6.根据权利要求4所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，其特征在于，所述热交换***包括水热交换器(50)和蒸发器(54)，所述水热交换器(50)的第一进液端与所述气源热泵(20)的第一出液口连通，其第二出液端与居民地暖盘管(30)的第二进液口连接，其第三出液端与所述蒸发器(54)的第三进液口连接，所述蒸发器(54)的出气口与居民天然气输送管道连通。
7.根据权利要求6所述的一种利用废弃矿井储存天然气及供暖***，其特征在于，所述热交换***还包括水泵(51)、阀门(52)和电子膨胀阀(53)，所述水泵(51)和所述阀门(52)分别设置所述水热交换器(50)的第二出液端，所述电子膨胀阀(53)设置在所述所述水热交换器(50)的第三出液端。
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