CN114659284A - 一种高温岩体多级循环取热装置及取热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干热岩设备技术领域，提供一种高温岩体多级循环取热装置及取热方法，采用一种新的、非压裂对接方式的取热结构，包括封隔器，三通，设置于地面的循环室和设置于地下的注入井和采出井，注入井内设有循环管，采出井内设有热交换管；同时配合的采用循环的方式来提高了取热的效率，相对于一次换热而言，能大大减少工程造价，提高经济效益。

Description

一种高温岩体多级循环取热装置及取热方法

技术领域

本发明涉及干热岩设备技术领域，具体而言，涉及一种高温岩体多级循环取热装置及取热方法。

背景技术

干热岩作为一种新能源，以清洁、环保和量大的优点的到了世界各国的青睐，现有的干热岩的一般模式为：在地下打一个或多个注入井和一个或多个采出井，注入井与采出井井底之间通过人工压裂的方法形成复杂的裂缝网络而连通，再在注入井中注入热交换液体与干热岩进行热交换，热交换后采出热交换液进行发电；但是在这个过程中人工压裂所造成的裂缝会影响原有的地质结构，造成稳定性的破坏；另外的，对于热交换而言存在一个热交换的效率问题，现有的采出井抽出的热交换液只能与干热岩进行一次的热交换，效率较低，为此对于要进行的换热而言，人工压裂需要达到一定的深度，一般的，地下100m温度会提高1～4℃，同时地面的换热器的热交换液的初始温度需要达到几百度的高温，因此就需要将注入井和采出井开采到地下几千米甚至是上万米的深度；在进行一次的热交换的前提下，就会导致开采成本大大提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温岩体多级循环取热装置及取热方法，其提供了一种新的、非压裂对接方式的取热结构，同时配合的采用循环的方式来提高了取热的效率，相对于一次换热而言，能大大减少工程造价，提高经济效益。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种高温岩体多级循环取热装置，包括封隔器，三通，设置于地面的循环室和设置于地下的注入井和采出井，注入井内设有循环管，采出井内设有热交换管；封隔器的第一端连接注入井的末端，封隔器的第二端连接采出井的末端；三通包括第一进水端、第二进水端和第三出水端，循环管的第一端通过第一电磁阀连接循环室，循环管的第二端连接第二进水端，热交换管的第一端通过水泵连接循环室，热交换管的第二端连接第三出水端；循环室内还设有温度传感器；循环室内还设有用水管，用水管上设有第二电磁阀，用水管连接换热器用以发电；通过温度传感器的检测数值控制第一电磁阀和第二电磁阀的工作状态；第一进水端设有单向阀，第二进水端设有单向阀。

进一步的，采出井和热交换管之间的空腔内填充高温热交换介质。

进一步的，循环室还包括：若干层横向固定隔板，横向固定隔板之间设有第一竖向活动隔板，横向固定隔板与循环室的上内壁之间设有第二竖向活动隔板，横向固定隔板与循环室的下内壁之间设有第三竖向活动隔板，横向固定隔板的两端设有挡块，第一竖向活动隔板的活动范围在横向固定隔板上的挡块之间，第二竖向活动隔板的活动范围在横向固定隔板上的挡块之间；循环管的第一端连通在循环室的下内壁，第三竖向活动隔板的活动范围在横向固定隔板上的挡块和循环管的第一端之间；相邻第一竖向活动隔板之间设有锁扣装置，相邻第一竖向活动隔板和第二竖向活动隔板之间设有锁扣装置，相邻第一竖向活动隔板和第三竖向活动隔板之间设有锁扣装置，锁扣装置能够锁住竖向活动隔板停滞在横向固定板的端部，并且只能有一个竖向活动隔板处于解除锁定的活动状态；注水井的通过连接管连接循环室下内部的挡块的外侧，且第一竖直活动隔板、第二竖直活动隔板、第三竖直活动隔板和横向固定隔板将连接管和热交换管分别分割至循环室的两个腔内；与连接管连通的腔内的顶部还设有注水管。

进一步的，第三竖向活动隔板和横向固定隔板的挡块之间设有第一弹簧。

进一步的，锁扣装置包括：杠杆，杠杆设置在横向固定隔板内，杠杆的中心为固定铰接点，杠杆的两端分别设有楔形块，楔形块在朝杠杆中心的一侧面为斜面，第一竖向活动隔板、第二竖向活动隔板和第三竖向活动隔板抵靠到斜面时能推动杠杆旋转，横向固定隔板内设置有第二弹簧用以推靠杠杆，能够使杠杆两端的楔形块凸出到横向固定隔板外，楔形块的凸出口位置到挡块的距离大于竖向活动隔板的厚度。

进一步的，横向固定隔板、第一竖向活动隔板、第二竖向活动隔板、第三竖向活动隔板和循环室的表面和/或内部都设有保温层。

一种干热岩非压裂对接循环式取热方法，包括以下步骤：

S1：通过注水管往循环室内注入热交换液；热交换液以注入井-第一进水端-第三出水端-热交换管-循环室的过程，经过第一次加热进入循环室；

S2：通过温度传感器检测循环室内的热交换液的温度，当温度小于阙值时，控制第一电磁阀，使循环管的通过面积大于热交换管的通过面积；热交换液以循环管-第二进水端-第三出水端-热交换管-循环室的过程，经过第二次加热进入循环室；

S3：循环S2，直至温度传感器检测的循环室温度达到阙值；

S4：调节第一电磁阀，使循环管的通过面积远小于热交换管的通过面积；

S5：待循环室内的已经加热的热交换液储存足够的时候，启动打开第二电磁阀，利用用水管将，热交换液排出，进行换热发电；

S6：当不需要储存热交换液的时候，调节第一电磁阀使循环管的通过面积远大于热交换管的通过面积；扩大注水管的流量使其大于连接管的流量；

S7：循环S1～S6。

本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提供了一种新的、非压裂对接方式的取热结构，具体的，采用将注水井和采出井的底部直接结合，从而不在需要人工压缝，避免的人工压缝导致的安全隐患；同时配合的，设置了循环室使热交换热在循环室和注水井和采出井中循环，大大提高了取热的效率，相对于一次换热而言，才达到额定的温度的前提下，能减少注水井和采出井的开采深度，大大减少工程造价，提高经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的高温岩体多级循环取热装置的结构示意图；

图2为本发明提供的高温岩体多级循环取热装置中循环室的第一状态结构示意图；

图3为本发明提供的高温岩体多级循环取热装置中循环室的第二状态结构示意图；

图标：1-封隔器，2-三通，3-单向阀，4-循环管，5-注入井，6-第一电磁阀，7-循环室，8-温度传感器，9-用水管，10-第二电磁阀，11-水泵，12-热交换管，13-采出井，14-横向固定隔板，15-第二竖向活动隔板，16-第一竖向活动隔板，17-第三竖向活动隔板，18-注水管，19-第二弹簧，20-第一弹簧，24-连接管，21-挡块，22-杠杆，23-楔形块，31-第一进水端，32-第二进水端，33-第三出水端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种高温岩体多级循环取热装置，包括封隔器1，三通2，设置于地面的循环室7和设置于地下的注入井5和采出井13，这里，注入井5和采出井13采用直接连通的方式，避免了人工压裂，另外的，注入井5可以设置为直井，采出井13设置为斜井；同时为了稳定注入井5和采出井13的稳定性，在井内的热交换段还可以设置套管来稳固，当然的，套管采用导热性好的材料制作而成；进一步的，注入井5内设有循环管4，采出井13内设有热交换管12和循环管4都设置在井的中轴线处，保证四面的热交换均匀；封隔器1的第一端连接注入井5的末端，封隔器1的第二端连接采出井13的末端；三通2包括第一进水端31、第二进水端32和第三出水端33，第一进水端31设有单向阀3，第二进水端32设有单向阀3；通过三通2配合单向阀3的设置，使第一进水端31和第二进水端32只能进水不能出水，从而保证注水井和循环管4内的热交换液都从热交换管12流出，另外的，采出井13和热交换管12之间的空腔内填充高温热交换介质，通过高温热换热介质，来保证热交换管12内的液体能更好的和采出井13的井壁进行热交换的同时，还能保证热交换液的洁净程度；带换热完成后，热交换液用以地面上的热交换机，进行换热发电，换热完成的热交换液重新注入注入井5中即可；循环管4的第一端通过第一电磁阀6连接循环室7，循环管4的第二端连接第二进水端32，热交换管12的第一端通过水泵11连接循环室7，通过水泵11抽取热交换液；热交换管12的第二端连接第三出水端33；循环室7内还设有温度传感器8；循环室7内还设有用水管9，用水管9上设有第二电磁阀10，用水管9连接换热器用以发电；通过温度传感器8的检测数值控制第一电磁阀6和第二电磁阀10的工作状态。

还需要说明的是，在本实施例中，还设置了循环室7使热交换热在循环室7和注水井和采出井13中循环，大大提高了取热的效率，相对于一次换热而言，才达到额定的温度的前提下，能减少注水井和采出井13的开采深度，大大减少工程造价，提高经济效益；具体的工作过程如下：热交换液的循环过程：注入井5-第一进水端31-第三出水端33-热交换管12-循环室7；当温度传感器8检测循环室7内的热交换液的温度没有达到阙值的时候，控制第一电磁阀6，使循环管4的通过面积大于热交换管12的通过面积；热交换液以循环管4-第二进水端32-第三出水端33-热交换管12-循环室7的过程，经过第二次加热进入循环室7；再检测温度，如果还没有达到阙值的话，那么就继续重复上述步骤，完成多次加热，直至温度达到了阙值；调节第一电磁阀6，使循环管4的通过面积远小于热交换管12的通过面积；此时热交换液在循环室7内汇集储存，减少注入井5的流量，利用用水管9采出循环室7内的热交换液进行与热交换器的热交换，用以发热。

进一步的，在本实施例中，循环室7由于需要储存加热到一定温度的热交换液，所以其体积是变化的，需要不断的变大或者缩小，才能满足储存量的改变，从而适用于低谷期的换热；比如：当用电量大的时候(白天)，就需要发更多的点，这个时候对于热交换液的使用也是多的，有足够储存量的热交换液的话，那么就可以进行随时的使用，晚上就可以用较少的量，同时进行存储进行发电；进一步的，设置多个高温岩体多级循环取热装置，并联起来，用体积的改变来适应用电量峰顶峰谷的改变，从而维持发电的稳定性。

为了满足体积的变化，在本实施中，具体的，如图2，3所示，循环室7还包括：若干层横向固定隔板14，横向固定隔板14之间设有第一竖向活动隔板16，横向固定隔板14与循环室7的上内壁之间设有第二竖向活动隔板15，横向固定隔板14与循环室7的下内壁之间设有第三竖向活动隔板17，横向固定隔板14的两端设有挡块21，第一竖向活动隔板16的活动范围在横向固定隔板14上的挡块21之间，第二竖向活动隔板15的活动范围在横向固定隔板14上的挡块21之间；循环管4的第一端连通在循环室7的下内壁，第三竖向活动隔板17的活动范围在横向固定隔板14上的挡块21和循环管4的第一端之间；相邻第一竖向活动隔板16之间设有锁扣装置，相邻第一竖向活动隔板16和第二竖向活动隔板15之间设有锁扣装置，相邻第一竖向活动隔板16和第三竖向活动隔板17之间设有锁扣装置，锁扣装置能够锁住竖向活动隔板停滞在横向固定板的端部，并且只能有一个竖向活动隔板处于解除锁定的活动状态；注水井的通过连接管24连接循环室7下内部的挡块21的外侧，且第一竖直活动隔板、第二竖直活动隔板、第三竖直活动隔板和横向固定隔板14将连接管24和热交换管12分别分割至循环室7的两个腔内，一个腔用以容纳加热后的热交换液，一个腔用以容纳加热前的热交换液；与连接管24连通的腔内的顶部还设有注水管18，注水管18用以注水；第三竖向活动隔板17和横向固定隔板14的挡块21之间设有第一弹簧20；第一弹簧20的目的在于利用第一弹簧20来避免提前启动锁扣装置。

锁扣装置包括：杠杆22，杠杆22设置在横向固定隔板14内，杠杆22的中心为固定铰接点，杠杆22的两端分别设有楔形块23，楔形块23在朝杠杆22中心的一侧面为斜面，竖向活动隔板抵靠到斜面时能推动杠杆22旋转，横向固定隔板14内设置有第二弹簧19用以推靠杠杆22，能够使杠杆22两端的楔形块23凸出到横向固定隔板14外，楔形块23的凸出口位置到挡块21的距离大于竖向活动隔板的厚度；横向固定隔板14、第一竖向活动隔板16、第二竖向活动隔板15、第三竖向活动隔板17和循环室7的表面和/或内部都设有保温层。

整个过程如下:热交换液从注水管18注入，经过连接管24流进注入井5中，通过第一进水端31和第三出水端33进入热交换管12，然后被水泵11抽至循环室7内，这个时间由于第一电磁阀6的控制，循环管4的通过面积大于热交换管12的通过面积；所以通过水泵11抽上来的经过第一次加热的热交换液的大部分会通过循环管4从新进入注入井5内，然后通过第二进水端32和第三出水端33进行热交换管12内，进行第二次加热，一直循环直至热交换液的温度达到了阙值，此时温度传感器8检测出数值，通过PLC或者单片机控制第一电磁阀6，使循环管4的通过面积远小于热交换管12的通过面积；这个时候，被水泵11抽上来的液体大多数会留在腔内，随着腔内的液体变多，液体的自重会挤压第三竖向活动隔板17，压缩第一弹簧20，(当温度不够的时候，由于大量的液体从循环管4内流走，所以不会挤压第一弹簧20)，第三竖向活动隔板17的一端抵靠到楔形块23的斜面，推动杠杆22旋转；从而第一竖向活动隔板16的限位被打开，第二竖向活动隔板15向左移动，依次进行，直至第一竖向活动隔板16向左移动抵接到挡块21停止，这个时候，连接热交换管12的腔的空间变大，用以容乃更多的已经被加热到阙值的热交换液；当需要使用的时候，只需要通过用水管9，打开第二电磁阀10，抽取即可；还需要说明的是，如图3所示，当不需要很大的存储腔的时候，即热交换液的及采及用，这时，就需要控制第一电磁阀6，将循环管4的通过面积控制为大于热交换管12的通过面积，同时加大注水管18的流量，用注水管18的低温液体推动第一竖向活动隔板16、第二竖向活动隔板15和第三竖向活动隔板17向右运动，所以这里需要说明的是，注水管18的流量大于连接管24的流量即可，进一步的，注水管18最好是从横向固定隔板14与循环室7的上内壁之间开始注水。

需要说明的是，由于是循环使用的热交换液，所以即使在第一竖向活动隔板16、第二竖向活动隔板15和第三竖向活动隔板17的活动过程中，发生了些许的液体泄露也是没有关系的。

在本实施例中，还包括一种干热岩非压裂对接循环式取热方法，包括以下步骤：

S1：通过注水管18往循环室7内注入热交换液；热交换液以注入井5-第一进水端31-第三出水端33-热交换管12-循环室7的过程，经过第一次加热进入循环室7；

S2：通过温度传感器8检测循环室7内的热交换液的温度，当温度小于阙值时，控制第一电磁阀6，使循环管4的通过面积大于热交换管12的通过面积；热交换液以循环管4-第二进水端32-第三出水端33-热交换管12-循环室7的过程，经过第二次加热进入循环室7；

S3：循环S2，直至温度传感器8检测的循环室7温度达到阙值；

S4：调节第一电磁阀6，使循环管4的通过面积远小于热交换管12的通过面积；

S5：待循环室7内的已经加热的热交换液储存足够的时候，启动打开第二电磁阀10，利用用水管9将，热交换液排出，进行换热发电；

S6：当不需要储存热交换液的时候，调节第一电磁阀6使循环管4的通过面积远大于热交换管12的通过面积；扩大注水管18的流量使其大于连接管24的流量，用低温热交换液推动竖向活动隔板，恢复原位；

S7：循环S1～S6。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：包括封隔器(1)，三通(2)，设置于地面的循环室(7)和设置于地下的注入井(5)和采出井(13)，所述注入井(5)内设有循环管(4)，所述采出井(13)内设有热交换管(12)；所述封隔器(1)的第一端连接所述注入井(5)的末端，所述封隔器(1)的第二端连接所述采出井(13)的末端；所述三通(2)包括第一进水端(31)、第二进水端(32)和第三出水端(33)，所述循环管(4)的第一端通过第一电磁阀(6)连接所述循环室(7)，所述循环管(4)的第二端连接所述第二进水端(32)，所述热交换管(12)的第一端通过水泵(11)连接所述循环室(7)，所述热交换管(12)的第二端连接所述第三出水端(33)；所述循环室(7)内还设有温度传感器(8)；所述循环室(7)内还设有用水管(9)，所述用水管(9)上设有第二电磁阀(10)，所述用水管(9)连接换热器用以发电；通过所述温度传感器(8)的检测数值控制所述第一电磁阀(6)和第二电磁阀(10)的工作状态；所述第一进水端(31)设有单向阀(3)，所述第二进水端(32)设有单向阀(3)。

2.如权利要求1所述的高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：所述采出井(13)和热交换管(12)之间的空腔内填充高温热交换介质。

3.如权利要求2所述的高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：所述循环室(7)还包括：若干层横向固定隔板(14)，所述横向固定隔板(14)之间设有第一竖向活动隔板(16)，所述横向固定隔板(14)与循环室(7)的上内壁之间设有第二竖向活动隔板(15)，所述横向固定隔板(14)与循环室(7)的下内壁之间设有第三竖向活动隔板(17)，所述横向固定隔板(14)的两端设有挡块(21)，所述第一竖向活动隔板(16)的活动范围在横向固定隔板(14)上的挡块(21)之间，所述第二竖向活动隔板(15)的活动范围在横向固定隔板(14)上的挡块(21)之间；所述循环管(4)的第一端连通在所述循环室(7)的下内壁，所述第三竖向活动隔板(17)的活动范围在横向固定隔板(14)上的挡块(21)和所述循环管(4)的第一端之间；相邻所述第一竖向活动隔板(16)之间设有锁扣装置，相邻所述第一竖向活动隔板(16)和所述第二竖向活动隔板(15)之间设有锁扣装置，相邻所述第一竖向活动隔板(16)和所述第三竖向活动隔板(17)之间设有锁扣装置，所述锁扣装置能够锁住第一竖向活动隔板、第二竖向活动隔板和第三竖向活动隔板停滞在横向固定板的端部，并且只能有一个竖向活动隔板处于解除锁定的活动状态；所述注水井的通过连接管(24)连接所述循环室(7)下内部的挡块(21)的外侧，且所述第一竖直活动隔板、第二竖直活动隔板、第三竖直活动隔板和横向固定隔板(14)将连接管(24)和热交换管(12)分别分割至循环室(7)的两个腔内；与所述连接管(24)连通的腔内的顶部还设有注水管(18)。

4.如权利要求3所述的高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：所述第三竖向活动隔板(17)和所述横向固定隔板(14)的挡块(21)之间设有第一弹簧(20)。

5.如权利要求4所述的高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：所述锁扣装置包括：杠杆(22)，所述杠杆(22)设置在横向固定隔板(14)内，所述杠杆(22)的中心为固定铰接点，所述杠杆(22)的两端分别设有楔形块(23)，所述楔形块(23)在朝杠杆(22)中心的一侧面为斜面，所述第一竖向活动隔板(16)、第二竖向活动隔板(15)和第三竖向活动隔板(17)抵靠到斜面时能推动杠杆(22)旋转，所述横向固定隔板(14)内设置有第二弹簧(19)用以推靠杠杆(22)，能够使杠杆(22)两端的楔形块(23)凸出到横向固定隔板(14)外，所述楔形块(23)的凸出口位置到挡块(21)的距离大于竖向活动隔板的厚度。

6.如权利要求5所述的高温岩体多级循环取热装置，其特征在于：所述横向固定隔板(14)、第一竖向活动隔板(16)、第二竖向活动隔板(15)、第三竖向活动隔板(17)和循环室(7)的表面和/或内部都设有保温层。

7.一种干热岩非压裂对接循环式取热方法，适用于一种高温岩体多级循环取热装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过注水管(18)往循环室(7)内注入热交换液；热交换液以注入井(5)-第一进水端(31)-第三出水端(33)-热交换管(12)-循环室(7)的过程，经过第一次加热进入循环室(7)；

S2：通过温度传感器(8)检测循环室(7)内的热交换液的温度，当温度小于阙值时，控制第一电磁阀(6)，使循环管(4)的通过面积大于热交换管(12)的通过面积；热交换液以循环管(4)-第二进水端(32)-第三出水端(33)-热交换管(12)-循环室(7)的过程，经过第二次加热进入循环室(7)；

S3：循环S2，直至温度传感器(8)检测的循环室(7)温度达到阙值；

S4：调节第一电磁阀(6)，使循环管(4)的通过面积远小于热交换管(12)的通过面积；

S5：待循环室(7)内的已经加热的热交换液储存足够的时候，启动打开第二电磁阀(10)，利用用水管(9)将，热交换液排出，进行换热发电；

S6：当不需要储存热交换液的时候，调节第一电磁阀(6)使循环管(4)的通过面积远大于热交换管(12)的通过面积；扩大注水管(18)的流量使其大于连接管(24)的流量；

S7：循环S1～S6。

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