一種超臨界二氧化碳地熱開采裝置及方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬于地熱開采和利用技術領域，涉及一種主動開采地熱的傳熱介質和相關設備、工藝，特別是一種超臨界二氧化碳地熱開采裝置及方法，利用超臨界二氧化碳性質變化實現高效開采和利用地熱。
【背景技術】
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[0002]地熱作為新能源中惟一的地下礦藏，是可再生能源中最為現實并最具競爭力的能源之一，目前已有110個國家在開發利用，地熱已成為油氣等常規能源最有力的補充。我國地熱資源遍布全國各地，據初步估算，全國主要沉積盆地距地表2000m以內儲藏的地熱能，相當于2500億t標準煤的熱量，可采地熱資源量約為33億t標準煤，開發利用前景廣闊，如何對地熱進行有效開發成為關鍵。
[0003]目前，開發地熱主要有兩個方向，一是開采地熱用來發電，二是開采地熱用來供暖。在發電方面，一種是利于地下高溫蒸汽進行發電，另一種適用于中低溫(150°C以下)地熱資源的雙工質發電技術，兩者都是利用抽取的地熱水，但地熱水含有多種有害成分，會產生環境污染，且相比地熱，地熱水具有不可再生性；雙工質發電通過換熱器把地熱水的熱量傳遞給低沸點介質，低沸點介質吸熱后變為具有一定壓力的蒸汽，推動汽輪機并帶動發電機發電，雖然降低了對地熱水溫度的要求，但換熱器的換熱效率限制了其使用范圍，當地溫低于90°C時，經濟價值低。為了擺脫對地熱水的依賴，后來又出現了井下換熱的雙工質地熱發電方法，即將換熱器做成適合置于地熱井中的形式，低沸點介質在管內流動，直接在井下吸熱，產生具有一定壓力的蒸汽，然后驅動汽輪機并帶動發電機發電，但諸如丁烷、氟利昂等低沸點介質，井筒泄漏后易爆炸、污染地層和大氣，且當井較深時，低沸點介質用量大，投入大。低溫地熱一般用在供暖方面，但是地熱水的循環流動需要耗費額外的能源，而且地熱水成分復雜，易腐蝕水管、污染環境。
【發明內容】
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[0004]本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種超臨界二氧化碳地熱開采裝置及方法，能有效提高地熱利用范圍和利用率，減小環境污染。
[0005]為了實現上述目的，本發明涉及的超臨界二氧化碳地熱開采裝置的主體結構包括隔熱管、發電機、節流閥、膨脹機、變速傳動機構、循環泵、換熱箱、樓房、氣體增壓泵、氣罐、井筒、地層和換熱盤管；地層內挖制有直通地熱層的環形井筒，井筒的底部設置有換熱盤管，換熱盤管將地層的熱量傳遞給二氧化碳，使二氧化碳升溫；井筒側壁的地層內埋置有隔熱管，防止回流時二氧化碳熱量的流失；井筒的頂部出口與膨脹機管道連通，井筒與膨脹機之間設有節流閥，用來控制井筒內二氧化碳的壓力，膨脹機分別與發電機和換熱箱固定連接，膨脹機通過變速傳動機構分別與氣體增壓泵和循環泵固定連接，膨脹機把二氧化碳的熱膨脹功轉化為機械能，一方面帶動發電機發電，另一方面通過變速傳動機構把膨脹機的機械能傳遞給循環泵和氣體增壓泵，提供流體循環動力，膨脹后的低溫二氧化碳進入換熱箱利用余熱加熱水溫，加熱后的水通過循環泵供應到樓房進行循環供暖，氣體增壓泵分別與換熱箱和氣罐固定連接，氣罐內裝有二氧化碳氣體用來補充氣源，氣體增壓泵對氣罐內的二氧化碳氣體加壓，并提供進入井筒中的循環動力。
[0006]本發明采用超臨界二氧化碳地熱開采裝置實現地熱的開采和利用，其具體步驟為:
[0007](I)、氣體增壓泵將氣罐中的二氧化碳加壓至7.38MPa以上，再將加壓后的二氧化碳泵入井筒循環；
[0008](2)、二氧化碳到達井筒的底部后溫度升高進入超臨界狀態，超臨界態的二氧化碳進入換熱盤管，通過換熱盤管吸收地層中的熱能；
[0009](3)、二氧化碳通過換熱盤管吸收地層中的熱能后產生高于地層的溫度，通過節流閥控制井筒中二氧化碳的壓力，使超臨界二氧化碳處于高熱容狀態，隔熱管減小熱量的散失;
[0010](4)、二氧化碳經過換熱盤管后通過節流閥，進入膨脹機，使二氧化碳的熱能轉化為膨脹機的機械能；
[0011](5)、膨脹機帶動發電機發電，膨脹機通過變速傳動機構同時帶動循環泵和氣體增壓泵工作，或通過發電機產生的電能帶動循環泵和氣體增壓泵工作；
[0012](6)、經過膨脹機較低溫度(低于地層溫度10°C及以上)的二氧化碳通過換熱箱把余熱傳遞給水，水在循環泵的帶動下給樓房供暖，經過換熱箱后的低溫、低壓二氧化碳進入增壓泵，如此反復循環，實現地熱的開采和利用。
[0013]本發明的工作原理為:超臨界二氧化碳的質量熱容是水的0.3?1.5倍，具有高的熱量攜帶性能，其密度、粘度分別接近于其液態、氣態參數，根據達西定律，在相同注采壓差下其質量流量可以達到水的I?6倍，采熱速率可以達到水的1.4?2.7倍；二氧化碳在臨界點附近具有優良的熱能儲存和釋放性能，熱容在臨界點附近隨壓力變化很大，當壓力從臨界點壓力降低時，熱容急劇減小，熱量迅速釋放轉化為壓能，可有效地推動膨脹機工作，且超臨界二氧化碳的溫度越低，熱容變化范圍越大，因此通過壓力控制可對低溫(小于90°C )地熱進行更有效地開采和利用；超臨界二氧化碳進入變窄的換熱盤管后，流速增加、溫度降低，可形成大的溫差和紊流，提高二氧化碳和地層間的換熱系數和換熱量，形成對地熱的強化開采；而且超臨界二氧化碳在熱能釋放過程中不會出現氣液相的轉化，不需要冷凝器等復雜裝置。
[0014]本發明與現有技術相比，通過控制二氧化碳的壓力和溫度等參數，形成對地熱的強化開采，增加了可利用地熱溫度的范圍，能對50°C左右的地熱資源進行有效開發，無需換熱即可推動膨脹機發電，提高了利用效率，增加了中低溫地熱經濟的利用方式；所有循環動力都來自于熱能，不會有額外的能源消耗；利用較高溫度的二氧化碳來發電，利用較低溫度的二氧化碳進行供暖，對地熱進行更充分地開發；其結構簡單，不需要汽、液轉化相關設備，傳熱介質易得，成本低，環境友好，節能減排。
【附圖說明】
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[0015]圖1為本發明涉及的超臨界二氧化碳地熱開采裝置的主體結構原理示意圖。
[0016]圖2為本發明應用到油氣熱采的主體結構原理示意圖。【具體實施方式】:
[0017]下面通過實施例并結合附圖作進一步說明。
[0018]實施例1:
[0019]本實施例涉及的超臨界二氧化碳地熱開采裝置的主體結構包