阅读说明：本技术 一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统 (In-situ heat-taking cogeneration system based on natural circulation principle ) 是由 *** 黄江 孙立成 莫政宇 李碧雄 李存宝 高明忠 龙西亭 唐继国 杨伟 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统,其包括存储有有机工质的工质储存罐以及全封闭式自然循环回路,所述全封闭式自然循环回路包括主蒸气管以及若干个设置在所述主蒸气管上的支路管道,所述支路管道的两端均与所述主蒸气管连通并各自形成封闭循环回路；所述主蒸气管内位于所述支路管道的两端之间的位置设置有发电系统,所述支路管道上均设置有与所述工质储存罐连通的工质注入口,以及与外部地源热泵装置连通的冷凝器。本发明成功实现了对地热能的原位取热,不会造成抽取地下水后出现回灌、地下水流失、地质条件变化等问题；所述系统为全封闭式回路,采用了自然循环原理,无需外部动力驱动,能够长时间持续运行,降低维修成本。(The invention discloses an in-situ heat and power cogeneration system based on a natural circulation principle, which comprises a working medium storage tank for storing organic working media and a totally-enclosed natural circulation loop, wherein the totally-enclosed natural circulation loop comprises a main steam pipe and a plurality of branch pipelines arranged on the main steam pipe, and two ends of each branch pipeline are communicated with the main steam pipe and respectively form a closed circulation loop; and a power generation system is arranged in the main steam pipe between two ends of the branch pipeline, and the branch pipeline is provided with a working medium injection port communicated with the working medium storage tank and a condenser communicated with an external ground source heat pump device. The invention successfully realizes the in-situ heat extraction of geothermal energy, and can not cause the problems of recharge, groundwater loss, geological condition change and the like after groundwater extraction; the system is a totally enclosed loop, adopts a natural circulation principle, does not need external power drive, can continuously run for a long time, and reduces the maintenance cost.)

一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统

技术领域

本发明涉及清洁能源设备领域，特别涉及一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统。

背景技术

地球内部本身几乎就是一个取之不尽、用之不竭的能源宝库，仅仅在距地表5000米范围内蕴含的热量就高达140×10⁶EJ(约5000万亿吨标准煤)，如果仅仅开采1％，就可以供人类使用2800年(按年消耗500EJ计算)，但受技术和经济性的限制，截止2019年末，累积地热发电装机容量为13.9GW，仅占全部新能源发电装机容量的0.55％。我国的地热资源也十分丰富，约占全球地热资源的1/6，据中国地质调查局2015年调查评价结果，全国水热型地热资源量折合1.25万亿吨标准煤，年可开采资源量折合19亿吨标准煤。2010年以后，中国在地热直接利用方面获得了较快发展，现已经跃居世界第一位，在2018年底前装机容量已经超过20000MW；但我国在地热发电方面装机容量仅为45MW，仅占世界热电发电装机容量的0.2％左右。

我国现有地热利用技术主要以直接利用为主，直接利用主要采用地源热泵技术，地热发电主要以闪蒸和双回路方式为主。现有技术利用方式中，多数情况下需要通过水的循环，将地下储热带出地面加以利用。有两个专利涉及到了较为先进的“取热不取水”的地热利用方法。专利号为CN201910171547.0的专利一《一种地热能复合运行系统》，主要设计了两套取热系统，即中深层地热井下供热系统和浅层地埋管系统，均采取了“取热不取水”的技术思路，利用外部流体介质以循环泵提供动力获取地热能，但是其工质循环均需要外部动力来驱动，耗能较高；且从换热方式来看，主要依赖单相对流换热，换热能力有限。专利号为CN201820815738.7的专利二《干热岩热管热泵供暖系统》，在全封闭式回路中利用工质相变驱动自然循环过程，一定程度上具备了“取热不取水”的特点，但是其仅仅依靠单根竖直埋入地下的热管来吸收地下热量，其换热面积小，无法形成高温高压的蒸气，其相应的自然循环原理实现存在难度；且专利二中冷凝器冷凝形成的液态工质由冷凝管进入热管时，会形成气液逆向流动，一定程度上阻碍蒸气上升，并增加蒸气湿度，同时会造成系统的压力波动。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，旨在解决现有技术在提取地热能时存在污染地下环境、需要外部驱动力、运行维护成本高以及换热效率低等问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，包括存储有有机工质的工质储存罐以及全封闭式自然循环回路，所述全封闭式自然循环回路包括主蒸气管以及若干个设置在所述主蒸气管上的支路管道，所述支路管道的两端均与所述主蒸气管连通并各自形成封闭循环回路；所述主蒸气管内位于所述支路管道的两端之间的位置设置有发电系统，所述支路管道上均设置有与所述工质储存罐连通的工质注入口，以及与外部地源热泵装置连通的冷凝器。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，若干个所述支路管道以所述主蒸气管为中心绕轴设置，相邻所述支路管道在纵向上错开预定距离。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述工质注入口位置均设置有调节阀门。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述支路管道包括依次连接的横向冷凝段管道，竖向预热段管道以及横向沸腾段管道，所述横向冷凝段管道位于所述发电系统的上方，所述横向沸腾段管道位于所述发电系统的下方。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述发电系统包括从下至上依次设置的两个发电单元，所述发电单元包括驱动膨胀机以及在所述驱动膨胀机的驱动下产生电能的发电机。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述横向冷凝段管道沿着蒸气流动方向向下倾斜，并与水平面成α角度。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述横向沸腾段管道沿着蒸气流动方向向上倾斜，并与水平面成α角度。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述α角度为5°-20°。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述冷凝器设置在所述横向冷凝段管道上，所述冷凝器内设置有换热管道，所述冷凝器通过所述换热管道与所述外部地源热泵装置连通。

所述基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，其中，所述有机工质为五氟丙烷(R245ca)。

有益效果：本发明提供的基于自然循环原理的原位取热热电联产系统可以成功实现对地热能的原位取热，即“取热不取水”，不会造成抽取地下水后出现回灌、地下水流失、地质条件变化等问题，同时也不会因为抽取地下水而花费大量的水质处理成本、电力消耗成本；此系统选址灵活，布置方便，系统安全稳定，并且为全封闭式回路，绿色环保，无废气、废液、废渣等污染物排放，不会污染地下水；同时，整套系统采用了自然循环原理，无需外部动力驱动，能够长时间持续运行，降低维修成本。

附图说明

图1为本发明一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统的较佳实施例结构示意图。

图2为本发明单个支路管道与主蒸气管形成的封闭循环回路结构示意图。

图3为本发明一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统工作原理图。

具体实施方式

本发明提供一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

虽然地源热泵技术已经比较成熟，但其依然存在诸多问题：地下热源赋存区域的热环境难以准确掌握，对换热系统设计形成困难；目前的钻井成本依然昂贵，降低了地源热泵的经济性；地下水采灌不平衡对地下环境造成影响，甚至可能引起环境污染和地面沉降等；水循环系统结垢难以解决，长期运行会降低系统的经济性等。地源热泵系统易造成地面塌陷、淹水、地面建筑受损等，很多事故均与地下地热赋存环境发生变化有关联，尤其与地下含水层被部分联通或者回灌过程关系更为密切，因此，在地源热泵系统安装项目论证、钻井、回灌工艺等均需提出更加严格的要求。对于地下水源热泵中，生产井、注入井、潜水泵和地下水热交换器经常遇到结垢和阻塞问题，这也一直是开式地源热泵技术中难以完全解决的问题。

基于现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于自然循环原理的原位取热热电联产系统，如图1-3所示，其包括全封闭式自然循环回路10以及存储有有机工质的工质储存罐20，所述全封闭式自然循环回路10包括主蒸气管11以及若干个设置在所述主蒸气管11上的支路管道12，所述支路管道12的两端均与所述主蒸气管11连通并各自形成封闭循环回路；所述主蒸气管11内位于所述支路管道的两端之间的位置设置有发电系统13，述支路管道12上均设置有与所述工质储存罐连通的工质注入口14，以及与外部地源热泵装置连通的冷凝器15。

本实施例中，如图2-3所示，所述全封闭式自然循环回路10中的主蒸气管11以及支路管道12部分埋入岩石土层30中，所述支路管道12包括依次连接的横向冷凝段管道121，竖向预热段管道122以及横向沸腾段管道123，所述横向冷凝段管道121位于所述发电系统13的上方，所述横向沸腾段管道123位于所述发电系统13的下方。所述工质储存罐2中的有机工质通过所述工质注入口14注入埋入岩石土层30中的支路管道12中，所述有机工质在重力作用以及压力调节下可到达地下2000-3000米的深度，结合如图3所示具体的系统工作原理，所述有机工质会依次经历所述竖向预热段管道122以及横向沸腾段管道123的加热，再到达所述主蒸气管11中的过热段管道16，所述有机工质从预热、到沸腾、过热最终形成高温高压的过热蒸气，各支路管道12的过热蒸气汇入所述主蒸气管11，再通过所述过热管道16的持续加热进一步增加蒸气的过热度，提高蒸气的热工参数；所述汽进入安装于所述主蒸气管11内的发电系统13并输出电能，实现了地热能向电能的转换，而所述蒸气的压力也明显降低，到达地面以后，再分配到各个支路管道12。进入支路管道12后，所述蒸气会经过所述冷凝器15后被重新凝结为液态，而冷凝器所释放的热量被与其连通的外部地源热泵装置吸收，实现为地源热泵系统供热，最终实现了对地热能的原位取热及热电联产功能。

本实施例提供的基于自然循环原理的原位取热热电联产系统采用全封闭式自然循环回路，成功实现了对地热能的只取热不取水方案，不会造成地下水采灌不平衡而影响地下环境，绿色环保，无废气、废液、废渣等污染物排放，不会污染地下水；同时，该系统不存在水循环系统结垢的问题，选址灵活，布置方便，系统安全稳定；本实施例利用有机工质在地热加热作用下发生相变驱动工质流动的自然循环，液态工质在地下管道中经过地热能的持续加热，沸腾、蒸发形成高温高压蒸气，蒸气又经过发电机系统做功和冷凝器降温冷凝重新回到液态，形成了液态有机工质—蒸气—液态有机工质的自然循环过程，可以源源不断地提取地热能，同时无需外部动力驱动，并能够长时间持续运行，降低运行维护成本；本实施例通过吸收地热形成的的高温高压蒸气，在用于发电机系统发电以外，所述冷凝器同时作为外部地源热泵的蒸发器(其冷凝是通过地源热泵工质的蒸发吸热实现的)，使得凝结热被地源热泵吸收利用，系统因此实现了同时发电、供热的热电联产功能。

在一些实施方式中，所述工质注入口14位置均设置有调节阀门17，通过所述调节阀门17可调节所述有机工质进入所述支路管道12时的压力，并利用所述有机工质的重位落差调节各个支路管道12中的压力平衡。

在一些实施方式中，如图1所示，若干个所述支路管道12以所述主蒸气管11为中心绕轴设置，相邻所述支路管道12在纵向上错开预定距离。具体来讲，由于岩石土层30在某一固定深度中单位时间内可传输的地热能是有限的，若将所述若干个支路管道12均设置在同一深度的位置，则可能出现某条支路管道12吸收的热量不够，从而降低换热效率，导致所述原位取热热电联产系统的热电生产效率降低。本实施例通过将若干个所述支路管道12以所述主蒸气管11为中心绕轴设置，相邻所述支路管道12在纵向上错开预定距离，可确保各个支路管道12的热量吸收不受彼此影响，从而提升换热效率。相邻所述支路管道12在纵向上错开的预定距离大小可以充分根据实际的地热分布以及对地热能的取热需求来分布，最大程度地利用地热能，作为举例，相邻所述支路管道12在纵向上错开的预定距离可以为10米、15米、20米等。

在一些实施方式中，所述发电系统13包括从下至上依次设置的两个发电单元，所述发电单元包括驱动膨胀机以及在所述驱动膨胀机的驱动下产生电能的发电机。所述冷凝器15设置在所述横向冷凝段管道121上，所述冷凝器15内设置有换热管道，所述冷凝器15通过所述换热管道与所述外部地源热泵装置连通。具体来讲，如图1-2所示，所述发电系统从下至上包括一级发电单元131和二级发电单元132，所述液态的有机工质在地下管道中经过地热能的持续加热沸腾蒸发形成高温高压蒸气，所述高温高压蒸气经过所述一级发电单元131和二级发电单元132做功发电以及所述冷凝器降温冷凝，蒸气再重新回到液态，以此形成了液态有机工质—蒸气—液态有机工质的自然循环过程，可以源源不断地提取地热能，同时无需外部动力驱动；本实施例中，所述液态有机工质通过吸收地热形成高温高压蒸气，所述高温高压蒸气在驱动膨胀机并带动发电机系统发电以外，冷凝器的释热提供给外部地源热泵系统，因此本实施例提供的基于自然循环原理的原位取热热电联产系统可实现同时发电、供热的热电联产功能。

在一些实施方式中，如图1-3所示，为便于冷凝后的液态有机工质在重力作用下顺利进入支路管道12，所述横向冷凝段管道121沿着蒸气流动方向向下倾斜，并与水平面成α角度。

在一些实施方式中，如图1-3所示，为减少流动阻力，使蒸气能更容易进入所述主蒸气管11，所述横向沸腾段管道123沿着蒸气流动方向向上倾斜，并与水平面成α角度。

在一些实施方式中，所述α角度为5°-20°，作为举例，所述α角度可以为5°,10°,15°,20°。

在一些实施方式中，所述有机工质为低沸点有机溶剂，作为举例，所述有机工质可以为五氟丙烷(R245ca)，但不限于此。

综上所述，本发明提供的基于自然循环原理的原位取热热电联产系统采用全封闭式自然循环回路，成功实现了对地热能的只取热不取水方案，不会造成地下水采灌不平衡而影响地下环境，绿色环保，无废气、废液、废渣等污染物排放，不会污染地下水；同时，该系统不存在水循环系统结垢的问题，选址灵活，布置方便，系统安全稳定；本实施例利用有机工质在地热加热作用下发生相变驱动工质流动的自然循环，液态工质在地下管道中经过地热能的持续加热，沸腾、蒸发形成高温高压蒸气，蒸气又经过发电机系统做功和冷凝器降温冷凝重新回到液态，形成了液态有机工质—蒸气—液态有机工质的自然循环过程，可以源源不断地提取地热能，同时无需外部动力驱动，并能够长时间持续运行，降低运行维护成本；本实施例通过吸收地热形成的的高温高压蒸气，在用于发电机系统发电以外，所述冷凝器同时作为外部地源热泵的蒸发器，使得凝结热被地源热泵吸收利用，系统因此实现了同时发电、供热的热电联产功能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。