一種提取利用地熱能的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源利用領域，尤其涉及一種提取利用地熱能的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前，全世界都在尋找綠色能源。太陽能、風能已經較為普及，地熱能也引起了人們的廣泛關注。地熱資源主要分為水熱型和干熱巖型，其中，中高溫干熱巖地層或高梯度地溫地層，在地球上的蘊藏量非常豐富。然而，地熱技術的開發(fā)卻不盡人意。
[0003]因為干熱巖不具有滲透性及沒有孔隙，儲層位置深等特性，目前的技術多為人為壓裂制造地層裂縫，利用注水產出的方法。通常需要多口井配合使用，例如，在注入井高壓注入溫度較低的水，使水沿著巖石的人為裂縫流動；同時在另一位置鉆一個或多個井用于回收高溫水、汽等。耗費較多、并且存在著利用效率低、設備復雜、成本高等問題，具體表現(xiàn)在:地熱提取效率一般在1-5 %左右，地下?lián)Q熱損失流體率高(大約在7 % -12 %之間)。因此，急需一種效率高、結構簡單、成本低的地熱能提取技術。

【發(fā)明內容】

[0004]鑒于現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明提供一種提取利用地熱能的裝置及方法，可以用于地下干熱巖地區(qū)或者地溫梯度較高的地區(qū)實現(xiàn)地熱能的大面積開發(fā)，具有效率高、結構簡單、成本低等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下:
[0006]—種提取利用地熱能的裝置，包括:井筒、外管、進液管、出液管和換熱裝置;井筒的頂端和底端均開口，并且井筒的底部深入地熱源巖層，所述井筒以及外管內裝有第一液體介質；
[0007]外管的頂部封閉，底部開口；所述外管套設于井筒內，所述外管通過固井水泥環(huán)與井筒固定，所述外管的上部為換熱段，所述外管的中部為保溫段，所述外管的下部為吸熱段，所述吸熱段位于地熱源巖層內；與外管換熱段對應的位置的外側設有換熱裝置，所述換熱裝置內裝有第二液體介質；
[0008]所述出液管的一端與外管的內部連通，所述出液管的另一端與外部的供熱系統(tǒng)的進液口連接；
[0009]所述進液管的下端從外管的頂部伸入至外管底端或底端以下并和第一液體介質相連通，所述進液管的上端與外部的供熱系統(tǒng)的出液口連接。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:在井筒內設置外管，外管中部為保溫段，外管的上部為散熱段，外管的下部為吸熱段，外管的放置深度，可以根據地熱源段地層井壁巖石的特性決定，如果地熱源巖層是高密度致密巖層，井筒非常規(guī)則，外管的底部可以放置在地熱源巖層的頂部下方。此種設計可以節(jié)約外管的用量，同時擴大了吸熱段的井筒直徑，吸熱效率可以明顯提高。井筒以及外管內的第一液體介質經地熱源巖層高溫加熱后，部分液體發(fā)生相變，成為蒸汽分子，產生高溫蒸汽氣流，向井筒的頂部快速上升，由于蒸汽分子處于紊亂的熱運動的狀態(tài)，和外管的管壁以及第一液體介質的液面發(fā)生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液體介質中，隨著蒸發(fā)的持續(xù)進行，外管內的蒸汽分子密度不斷增大，最后達到飽和狀態(tài)。外管的頂部封閉，使外管內的壓力增大，溫度上升。而由于保溫段的設置，使得在蒸汽分子傳遞過程中熱損失幾乎為零。飽和蒸汽達到穩(wěn)定狀態(tài)后，井筒內第一液體介質的頂部和底部的溫度基本接近。一部分飽和蒸汽的熱量傳遞至散熱段時，對換熱裝置中的第二液體介質進行加熱，第二液體介質加熱沸騰之后可用于發(fā)電、供熱等一切用于需要熱源的場合。還有一部分的飽和蒸汽通過出液管，輸送至外部的供熱系統(tǒng)中用于供熱。同時，進液管一端與外部的供熱系統(tǒng)連接，進液管的另一端與外管的內部連接，通過進液管的設置使供熱系統(tǒng)產生的相對溫度較低的介質(例如水)，再進入至外管內，通過高壓栗進行循環(huán)利用。
[0011]上述過程中，如果加熱時間較短，或者地熱源巖層的溫度不是特別高時，外管內部經加熱后的第一液體介質，可以以液體的形式直接經出液管進入到供熱系統(tǒng)中。
[0012]本發(fā)明只需要一個井筒、一個進液管、一個出液管、一個外管就可以實現(xiàn)上述過程，占地面積小;采用外管或裸眼井筒直接使第一液體介質吸收地熱，不需要其他導熱物質傳遞熱能，第一液體介質受熱表面積大，吸熱率明顯增加。
[0013]本發(fā)明提取地熱能的技術，提取地熱能在百分之九十以上，熱損失在百分之十以下。
[0014]因此，本發(fā)明所述的提取利用地熱能的裝置，具有結構簡單、成本低、產熱高等優(yōu)點。無論是發(fā)電或供熱，都無需地下水的產出和注入，真正實現(xiàn)了無污染和零排放。
[0015]在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0016]進一步，所述吸熱段還包括與高致密熱源層位置對應的井筒。
[0017]優(yōu)選地，所述吸熱段可以是外管的底部，也可以是高致密熱源層的裸眼井段。
[0018]進一步，所述保溫段的底部位于地熱源巖層內，所述保溫段的頂部位于換熱裝置的下方。
[0019]采用上述進一步方案的有益效果是:吸熱段為裸眼井筒，可以更加節(jié)能增效，保溫段的底部位于地熱源巖層的頂部的下方，避免熱量損失;所述保溫段的頂部位于換熱裝置的下方，有利于加強換熱。
[0020]進一步，所述換熱裝置中的第二液體介質被加熱沸騰后供入發(fā)電設備和/或供熱裝置使用。
[0021]采用上述進一步方案的有益效果是:可以滿足發(fā)電、供熱等需求。
[0022]進一步，所述外管的頂部設有溫度表。
[0023]采用上述進一步方案的有益效果是:便于隨時監(jiān)測外管內的溫度。
[0024]進一步，所述地熱源巖層為干熱巖地層或高地溫梯度地層。
[0025]采用上述進一步方案的有益效果是:干熱巖或高梯度地溫地層的溫度較高，一般溫度在150攝氏度至500攝氏度，并且在地球上的蘊藏量非常豐富。
[0026]進一步，所述第一液體介質的沸點高于第二液體介質的沸點。
[0027]采用上述進一步方案的有益效果是:有利于快速將第二液體介質加熱至沸騰溫度，甚至將第二液體介質加熱成飽和蒸汽。
[0028]進一步，所述出液管和進液管均設有高壓栗。
[0029]采用上述進一步方案的有益效果是:有利于加速整個體系中介質的循環(huán)。
[0030]進一步，所述進液管伸入第一液體介質的一端位于外管的底部的下方。
[0031]采用上述進一步方案的有益效果是:使溫度較低的第一液體介質直接靠近地熱源巖層的區(qū)域，便于快速的加熱。
[0032]進一步，所述出液管與外管的內部頂端連通的一端位于換熱裝置的上方，避免影響發(fā)電換熱裝置的做功。
[0033]采用上述進一步方案的有益效果是:第一液體介質加熱后產生的蒸汽，由于密度較高，會向外管的頂部擴散，在換熱裝置上方設置出液管的出液端，可以在保證發(fā)電熱裝置換熱做功的前提下，將第一液體介質輸送至外部的供熱系統(tǒng)。
[0034]進一步，所述進液管的管壁對應吸熱段的部分設有多個出液孔。
[0035]優(yōu)選地，所述進液管位于外管下部或地熱源巖層高致密裸眼井筒部分，在管壁上設有多個出液孔。
[0036]采用上述進一步方案的有益效果是:通過多個出液孔的設置，便于進液管的內部的液體介質，快速擴散至外管內部，有利于進一步提高熱交換效率。
[0037]進一步，所述外管的保溫段還包括包裹在外管外部的保溫層。
[0038]對于保溫層的材質，可以優(yōu)先選擇導熱系數(shù)較低的保溫材料，例如:聚氨酯等發(fā)泡材料等等。
[0039]采用上述進一步方案的有益效果是:通過保溫層的設置，可以減少熱量的損失，提高地熱的提取效率。
[0040]進一步，所述外管的保溫段還包括內管，內管套設于外管內部，內管的頂部和底部分別通過記憶金屬密封環(huán)與外管內壁密封，所述內管和外管之間形成密閉的真空腔。
[0041]采用上述進一步方案的有益效果是:在井筒內設置外管和內管，形成雙層真空外管腔保溫，外管放置的深度，可以根據井壁周圍部分巖石的特性設置。井筒內的第一液體介質，經地熱源巖層高溫加熱后，部分液體介質發(fā)生相變，成為蒸汽分子，產生高溫蒸汽氣流，向井筒的頂部快速上升，由于蒸汽分子處于紊亂的熱運動狀態(tài)，和外管的管壁以及第一液體介質的液面發(fā)生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液體介質中，隨著蒸發(fā)的持續(xù)進行，外管內的蒸汽分子密度不斷增大，最后達