阅读说明：本技术 一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统 (Geothermal energy development and utilization circulation system with intelligent monitoring and descaling functions ) 是由 王川 庄献忠 于 2020-06-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统,包括与生产井相连通将输入的热源载体进行汽水分离的汽水分离器,所述汽水分离器的底部设置有固体检测排渣装置；所述汽水分离器的下部设置有换热器；所述汽水分离器的上部和顶部连通有若干个高温蒸汽的输出口,所述换热器的输出端、所述高温蒸汽的输出端连接地热利用子系统,所述地热利用子系统的冷凝流体汇聚到注水管并经注水管注入到注水井以形成水的循环利用；所述注水管外接水质处理设备以对流经注水管的冷凝流体进行软化处理。本发明的系统运行性能可靠、稳定、安全。(The invention discloses a geothermal energy development and utilization circulating system with intelligent monitoring and descaling functions, which comprises a steam-water separator communicated with a production well and used for carrying out steam-water separation on an input heat source carrier, wherein a solid detection deslagging device is arranged at the bottom of the steam-water separator; a heat exchanger is arranged at the lower part of the steam-water separator; the upper part and the top of the steam-water separator are communicated with a plurality of high-temperature steam output ports, the output end of the heat exchanger and the output end of the high-temperature steam are connected with a geothermal utilization subsystem, and condensed fluid of the geothermal utilization subsystem is gathered to a water injection pipe and is injected into a water injection well through the water injection pipe to form water recycling; the water injection pipe is externally connected with a water quality treatment device to carry out softening treatment on the condensed fluid flowing through the water injection pipe. The system of the invention has reliable, stable and safe operation performance.)

一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统

技术领域

本发明涉及地热能开采和综合利用技术领域，具体涉及一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统。

背景技术

深层地热资源尤其是干热岩的热能开采应用领域，由于该储层的热储资源量相对比较丰富，而且现有诸多的开采技术日趋成熟，在未来能源市场作为可替代可再生清洁能源开发条件均已具备。从近几十年来全球地热能综合开发与利用所取得的成就足以证明，对深层地热进行规模性的开采和广泛性的综合利用具备了可持续发展的条件。

但在现有技术的地热利用系统中，从地下深层地热资源经生产井所抽出的热源载体成份是比较复杂的，如热源载体往往带出比较多的泥沙和其它固体杂质等，在系统运行过程中，热源载体带出的泥沙常在所经历的设备上结垢等，且由于热源载体的酸碱度不合适，导致后端用热的使用需求不能得到满足等。总的来说，现有技术的地热利用系统缺少水质监测、水质处理、排障排渣等“消化”功能，且智能化调节功能的心脏功能，持续供热工作运行稳定性差，供热分离分别供给多个不同用热类型的产业使用时，当用热供给时出现的变量，现有技术的地热能开采水循环系统不能够随之做出智能化的调整，综合使用效率差，产出热能收益指标低，投资性价比不高。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统，首先从地热能综合利用的智能化方面考虑，起到持续供热工作运行稳定性的作用。其具体功能包括将生产井产出的热源载体进行供热分离，分别供给多个不同用热类型的产业使用；对不同用热产业在用热供给时出现的变量，本设备能够随之做出智能化的调整。其次系统在运行过程具有自动检测和自动排障功能。其具体功能包括：对热源载体带出的泥沙、结垢等杂质可自动检测和自动排渣功能；对循环水载体的水质PH值、碳酸钙等进行实时监控，并自动进行水质处理。目的是通过减少设备运行的故障率，为地热能综合利用与开发，从技术和装备方面起到保障和推动的作用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统，包括与生产井相连通将输入的热源载体进行汽水分离的汽水分离器，所述汽水分离器的底部设置有固体检测排渣装置；所述汽水分离器的下部设置有换热器；所述汽水分离器的上部和顶部连通有若干个高温蒸汽的输出口，所述换热器的输出端、所述高温蒸汽的输出端连接地热利用子系统，所述地热利用子系统的冷凝流体汇聚到注水管并经注水管注入到注水井以形成水的循环利用；所述注水管外接水质处理设备以对流经注水管的冷凝流体进行软化处理。

作为对上述技术方案的改进，所述注水管在地热利用子系统的冷凝流体汇聚处设置有注水控制阀以使冷凝流体汇聚后经注水控制阀后注入到注水井中，所述水质处理设备与注水管并联，该水质处理设备的进水端连接在注水控制阀前端的注水管上，该水质处理设备的出水端连接在注水控制阀后端的注水管上；所述水质处理设备在进水端设置有控制阀，在出水端设置有止回阀以控制注水管中的冷凝流体进入水质处理设备并防止处理过的液体回流。这样设计，注水控制阀可以控制位于注水控制阀前端的注水管中的冷凝流体全部或部分通过水质处理设备，可以根据系统的水质情况对冷凝流体进行全部处理或部分处理。

作为对上述技术方案的改进，在注水控制阀的后端，所述注水管上设置有注水泵和回灌阀，防止进入注水井的流体回灌。

作为对上述技术方案的改进，所述汽水分离器包括立式的罐体；所述汽水分离器的底部设置有固体检测排渣装置；所述固体检测排渣装置为旋转螺杆式排渣装置，包括设置于罐体底部的排渣通道、设置于排渣通道内的螺杆和驱动螺杆运动的电机；所述罐体的下部设置有与生产井连通的热源载体进口，该热源载体进口位于固体检测排渣装置的上方；所述换热器的输入端和输出端伸出汽水分离器之外；所述换热器的输入端位于换热器的输出端上方。

作为对上述技术方案的改进，所述高温蒸汽输出口包括设置于汽水分离器上部的干湿蒸汽输出口和设置于汽水分离器顶部的干蒸汽输出口，所述干湿蒸汽输出口连接第一级热交换器，所述干蒸汽输出口通过闪蒸罐连接第一级热交换器或直接连接第一级热交换器；所述余热利用子系统包括热力发电装置、热利用装置，两个所述热力发电装置和一个热利用装置或一个热力发电装置和两个热利用装置或一个热力发电装置和一个热利用装置串联成支路，所述热力发电装置由热力发电机组和为热力发电机组提供热力的第二级热交换器组成，所述热利用装置由余热利用产业集群和为余热利用产业集群提供热力的第二级热交换器组成；所述第一级热交换器连接一个或两个支路，所述换热器的输出端连接一个支路；每一个支路与注水管的连接处设置有止回阀以防止注水管中冷凝流体的回流。

作为对上述技术方案的改进，所述具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统还包括控制系统；该控制系统包括信号处理器，与信号处理器通信连接的AI处理器，与AI处理器通信连接的PLC，设置于热源载体进口端、干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端的控制阀，设置于换热器输出端、干湿蒸汽输出通道、干蒸汽输出通道的流量阀，设置于汽水分离器顶部的压力计、温度计，设置于所述生产井地下、生产井出口、汽水分离器内部、干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端、换热器输出端、注水管、注水井入口处的数据采集模块，所述控制阀、流量阀、电机与PLC通信连接，所述数据采集模块、流量阀与信号处理器通信连接将数据信号传递给信号处理器，由信号处理器处理为数据信息并由信号处理器传递上传给AI处理器，AI处理器处理后上传给PLC，由PLC控制控制阀、流量阀、电机的开与关。

作为对上述技术方案的改进，所述数据采集模块包括采集生产井地下温度、压力、热流值的传感器，采集生产井出口流量、温度、压力的传感器，采集汽水分离器内部温度、压力、PH值、碳酸钙含量的传感器，采集干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端、换热器输出端温度、压力、流量的传感器，设置于汽水分离器底部的底部固体检测感应器、采集注水管中温度、PH值、碳酸钙含量的传感器、采集注水井入口处温度、PH值、碳酸钙含量的传感器。

作为对上述技术方案的改进，所述汽水分离器的顶部还设置有安全阀。

本发明的具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统分为机械系统和控制系统两部分；在机械系统中，汽水分离器(主设备)是基于一个大型的立式罐体容器，其容量大小的选择要根据生产井的出口流量、地下热能储量、热流值、地上用热总量等参数综合计算后得出。在设备工作运行，将流经罐体底部进口的热源体经过罐体的沉淀及过滤进行预处理分离。罐体顶部出口阀控制输出的是干蒸汽(饱和蒸汽)；中上出口阀控制输出的是干湿蒸汽。中下部分进口和出口是采用间接换热方式，经过换热介质进行热交换输出热力。在罐体底部设置了固体检测及排渣装置(可选配旋转螺杆式排渣装置)，用于将热源载体带入的泥沙、结垢等杂质进行分离处理后排出。生产井热载体经过热交换供给热能后，在回注到井下之前，配置有水质处理设备。该功能的开启是通过主设备中对PH值、碳酸钙含量等实施在线检测，将获取的参数，经过AI智能芯片分析后，再通过PLC输出操作指令完成。针对不同地区的地质岩石成分，本设备具有广泛的适应性。经过上述方式的设计和配置，可实现对生产井产出的热源载体经主设备进行分离处理，以干蒸汽、干湿蒸汽、换热介质三种不同的方式向应用端输出热力的功能。生产运行时间越长，其水质越平稳，从而保证采热和供热系统维持在稳定、可靠、安全的运行状态。

控制系统是为了确保机械系统分离功能的工作稳定性，特增加设计了自动检测和自动排障功能。其他仪表、辅助设施和零部件，均是围绕机械系统的主要核心功能正常工作而设置，并配置必要的安全性设施。从保障设备长期运行的可靠性、稳定性方面考虑，本控制系统配合汽水分离器(主设备)对整个热载体循环系统进行的智能化实施的中央控制。对系统信号的采集包括(不限于)：井下底部温度、压力、热流值；生产井出口流量、温度、压力；汽水分离器(主设备)内部温度、压力、PH值、碳酸钙含量，各输出口温度、压力、流量；主设备底部固体检测感应器等。图3所示，将采集到的信息，通过信号处理转换为数据信息，形成统一的格式信号输入到AI处理器(芯片)，逐一进行计算分析对比，并按照预设的对比分析计算流程的程序方式进行处理，处理过程可采用多种不同的编程语言，进行编程工作。AI处理器将处理分析结论信号，再分别传送到可编程控制器(PLC),通过PLC对各执行器发出执行指令信号。对控制阀以及电机等执行器实施操作控制。有关每个执行器件的具体编程内容以及预设参数值，将在具体项目设计阶段完成。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统解决了生产井产出热源的如何进行有效分离和分配的同时，可实现对生产井产出的热源载体经主设备进行分离处理，以干蒸汽、干湿蒸汽、换热介质三种不同的方式向应用端输出热力，能够满足不同用热形式的产业需求。作为供热设备，本系统特增加设计了智能化的控制系统、自动检测和自动排障功能，控制系统将采集到的信息，通过信号处理转换为数据信息，形成统一的格式信号后输入到AI处理器(芯片)，逐一进行计算分析对比，并按照预设的对比分析计算流程的程序方式进行处理，做到了运行性能可靠、稳定、安全，不会因生产井产出热源载体由于酸碱度或含有固体杂质而影响后端用热的使用需求。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明的控制原理示意图；

图3为本发明的控制系统进行判断分析的流程示意图；

图4为本发明的控制系统进行控制的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至4所示，本发明的具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统，包括与生产井相连通将输入的热源载体进行汽水分离的汽水分离器1，所述汽水分离器1的底部设置有固体检测排渣装置2；所述汽水分离器1的下部设置有换热器3；所述汽水分离器1的上部和顶部连通有若干个高温蒸汽的输出口，所述换热器3的输出端、所述高温蒸汽的输出端连接地热利用子系统，所述地热利用子系统的冷凝流体汇聚到注水管并经注水管注入到注水井以形成水的循环利用；所注水管外接水质处理设备4以对流经注水管的冷凝流体进行软化处理。

所述注水管在地热利用子系统的冷凝流体汇聚处设置有注水控制阀5以使冷凝流体汇聚后经注水控制阀5后注入到注水井中，所述水质处理设备4与注水管并联，该水质处理设备4的进水端连接在注水控制阀5前端的注水管上，该水质处理设备4的出水端连接在注水控制阀5后端的注水管上；所述水质处理设备4在进水端设置有控制阀6，在出水端设置有止回阀7以控制注水管中的冷凝流体进入水质处理设备4并防止处理过的液体回流。这样设计，注水控制阀5可以控制位于注水控制阀5前端的注水管中的冷凝流体全部或部分通过水质处理设备，可以根据系统的水质情况对冷凝流体进行全部处理或部分处理。在注水控制阀5的后端，所述注水管上设置有注水泵和回灌阀，防止进入注水井的流体回灌。所述汽水分离器1包括立式的罐体；所述汽水分离器1的底部设置有固体检测排渣装置2；所述固体检测排渣装置2为旋转螺杆式排渣装置，包括设置于罐体底部的排渣通道、设置于排渣通道内的螺杆和驱动螺杆运动的电机；所述罐体的下部设置有与生产井连通的热源载体进口，该热源载体进口位于固体检测排渣装置2的上方；所述换热器3的输入端和输出端伸出汽水分离器1之外；所述换热器3的输入端位于换热器3的输出端上方。

所述高温蒸汽输出口包括设置于汽水分离器1上部的干湿蒸汽输出口和设置于汽水分离器1顶部的干蒸汽输出口，所述干湿蒸汽输出口连接第一级热交换器8，所述干蒸汽输出口通过闪蒸罐9连接第一级热交换器8或直接连接第一级热交换器8；所述余热利用子系统包括热力发电装置10、热利用装置11，两个所述热力发电装置10和一个热利用装置11或一个热力发电装置10和两个热利用装置11或一个热力发电装置10和一个热利用装置11串联成支路，所述热力发电装置10由热力发电机组和为热力发电机组提供热力的第二级热交换器组成，所述热利用装置11由余热利用产业集群和为余热利用产业集群提供热力的第二级热交换器组成；所述第一级热交换器8连接一个或两个支路，所述换热器3的输出端连接一个支路；每一个支路与注水管的连接处设置有止回阀7以防止注水管中冷凝流体的回流。

所述具有水质保障的地热能开发利用循环系统还包括控制系统；该控制系统包括信号处理器，与信号处理器通信连接的AI处理器，与AI处理器通信连接的PLC，设置于热源载体进口端、干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端的控制阀12，设置于换热器输出端、干湿蒸汽输出通道、干蒸汽输出通道的流量阀13，设置于汽水分离器顶部的压力计、温度计，设置于所述生产井地下、生产井出口、汽水分离器内部、干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端、换热器输出端、注水管、注水井入口处的数据采集模块，所述控制阀、流量阀、电机14与PLC通信连接，所述数据采集模块、流量阀与信号处理器通信连接将数据信号传递给信号处理器，由信号处理器处理为数据信息并由信号处理器传递上传给AI处理器，AI处理器处理后上传给PLC，由PLC控制控制阀、流量阀、电机的开与关。

所述数据采集模块包括采集生产井地下温度、压力、热流值的传感器，采集生产井出口流量、温度、压力的传感器，采集汽水分离器内部温度、压力、 PH值、碳酸钙含量的传感器，采集干湿蒸汽输出端、干蒸汽输出端、换热器输入端、换热器输出端温度、压力、流量的传感器，设置于汽水分离器底部的底部固体检测感应器、采集注水管中温度、PH值、碳酸钙含量的传感器、采集注水井入口处温度、PH值、碳酸钙含量的传感器。所述汽水分离器1的顶部还设置有安全阀15。

本发明的具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统分为机械系统和控制系统两部分；在机械系统中，汽水分离器(主设备)是基于一个大型的立式罐体容器，其容量大小的选择要根据生产井的出口流量、地下热能储量、热流值、地上用热总量等参数综合计算后得出。在设备工作运行，将流经罐体底部进口的热源体经过罐体的沉淀及过滤进行预处理分离。罐体顶部出口阀控制输出的是干蒸汽(饱和蒸汽)；中上出口阀控制输出的是干湿蒸汽。中下部分进口和出口是采用间接换热方式，经过换热介质进行热交换输出热力。在罐体底部设置了固体检测及排渣装置(可选配旋转螺杆式排渣装置)，用于将热源载体带入的泥沙、结垢等杂质进行分离处理后排出。生产井热载体经过热交换供给热能后，在回注到井下之前，配置有水质处理设备。该功能的开启是通过主设备中对PH值、碳酸钙含量等实施在线检测，将获取的参数，经过AI智能芯片分析后，再通过PLC输出操作指令完成。针对不同地区的地质岩石成分，本设备具有广泛的适应性。经过上述方式的设计和配置，可实现对生产井产出的热源载体经主设备进行分离处理，以干蒸汽、干湿蒸汽、换热介质三种不同的方式向应用端输出热力的功能。生产运行时间越长，其水质越平稳，从而保证采热和供热系统维持在稳定、可靠、安全的运行状态。

控制系统是为了确保机械系统分离功能的工作稳定性，特增加设计了自动检测和自动排障功能。其他仪表、辅助设施和零部件，均是围绕机械系统的主要核心功能正常工作而设置，并配置必要的安全性设施。从保障设备长期运行的可靠性、稳定性方面考虑，本控制系统配合汽水分离器(主设备)对整个热载体循环系统进行的智能化实施的中央控制。对系统信号的采集包括(不限于)：井下底部温度、压力、热流值；生产井出口流量、温度、压力；汽水分离器(主设备)内部温度、压力、PH值、碳酸钙含量，各输出口温度、压力、流量；主设备底部固体检测感应器等。图3所示，将采集到的信息，通过信号处理转换为数据信息，形成统一的格式信号输入到AI处理器(芯片)，逐一进行计算分析对比，并按照预设的对比分析计算流程的程序方式进行处理，处理过程可采用多种不同的编程语言，进行编程工作。AI处理器将处理分析结论信号，再分别传送到可编程控制器(PLC),通过PLC对各执行器发出执行指令信号。对控制阀以及电机等执行器实施操作控制。有关每个执行器件的具体编程内容以及预设参数值，将在具体项目设计阶段完成。

本发明，主设备(汽水分离器)其最为核心要点是作为供热系统中具有智能化调节功能的“心脏”功能，而与其配套使用的感应器、仪表、驱动装置等辅助设施(设备、零部件等)遍布全系统。其中，测井温度和压力仪表安装在井下人工构建的工作腔内。

主设备是基于一个大型的立式罐体容器，其容量大小的选择要根据生产井的出口流量、地下热能储量、热流值、地上用热总量等参数综合计算后得出。在设备工作运行，将流经罐体底部进口的热源体经过罐体的沉淀及过滤进行预处理分离。罐体顶部出口，控制输出的是干蒸汽(饱和蒸汽)；中上出口，控制输出的是干湿蒸汽。中下部分进口和出口是采用间接换热方式，经过换热介质进行热交换输出热力。在罐体底部设置了固体检测及排渣装置(可选配旋转螺杆式排渣装置)，用于将热源载体带入的泥沙、结垢等杂质进行分离处理后排出。经过上述方式的设计和配置，可实现对生产井产出的热源载体经主设备进行分离处理，以干蒸汽、干湿蒸汽、换热介质，三种不同的方式向应用端输出热力的功能。为了确保其分离功能的工作稳定性，特增加设计了自动检测和自动排障功能。其他仪表、辅助设施和零部件，均是围绕本设备的主要核心功能正常工作而设置，并配置必要的安全性设施。从保障设备长期运行的可靠性、稳定性方面考虑，特为本设备增加了智能化的控制系统，即控制系统部分。

控制系统是配合主设备对整个热载体循环系统进行的智能化实施的中央控制。对系统信号的采集包括(不限于)井下底部温度、压力、热流值；生产井出口流量、温度、压力；主设备内部温度、压力、PH值、碳酸钙含量，各输出口温度、压力、流量；主设备底部固体检测感应器等。将采集到的信息，通过信号处理转换为数据信息，形成统一的格式信号输入到AI处理器(芯片)，逐一进行计算分析对比，并按照预设的对比分析计算流程的程序方式进行处理，处理过程可采用多种不同的编程语言，进行编程工作。AI处理器将处理分析结论信号，再分别传送到可编程控制器(PLC),通过PLC对各执行器发出执行指令信号。对控制阀以及电机等执行器实施操作控制。有关每个执行器件的具体编程内容以及预设参数值，将在具体项目设计阶段完成。本专利提供的是应用原理、实施方法、操作流程、系统结构设计方面的解决方案。在项目具体实施时，将本方案作为指导，参照现场勘察数据完成不同专业的工程和施工设计。

本发明的具有智能监测和除垢功能的地热能开发利用循环系统解决了生产井产出热源的如何进行有效分离和分配的同时，可实现对生产井产出的热源载体经主设备进行分离处理，以干蒸汽、干湿蒸汽、换热介质三种不同的方式向应用端输出热力，能够满足不同用热形式的产业需求。作为供热设备，本系统特增加设计了智能化的控制系统、自动检测和自动排障功能，控制系统将采集到的信息，通过信号处理转换为数据信息，形成统一的格式信号后输入到AI处理器(芯片)，逐一进行计算分析对比，并按照预设的对比分析计算流程的程序方式进行处理，做到了运行性能可靠、稳定、安全，不会因生产井产出热源载体由于酸碱度或含有固体杂质而影响后端用热的使用需求。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。