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CN116164438A - 一种以co2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统 - Google Patents

一种以co2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统 Download PDF

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CN116164438A
CN116164438A CN202211551409.3A CN202211551409A CN116164438A CN 116164438 A CN116164438 A CN 116164438A CN 202211551409 A CN202211551409 A CN 202211551409A CN 116164438 A CN116164438 A CN 116164438A
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喻英
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China University of Geosciences Wuhan
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Abstract

本发明公开了一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，属于地热技术领域，包括废弃井筒、室内供暖末端和回流泵，废弃井筒竖直安装在废弃井内，废弃井筒包括密闭的外筒和竖直设置于外筒中的内筒，内筒的下端设为进气口，其上端设为出气口并穿过外筒上端，外筒的上端设有连通其内腔的CO2进口，CO2进口通过回流管连接回流泵，内筒上端出气口通过供热管连接室内供暖末端的介质进口，室内供暖末端的介质出口通过管路连接回流泵。优点：1)采用废弃井，节约钻井成本；2)采用CO2为工作流体，解决了水作为工作流体的腐蚀作用与维护成本，提高了经济效益，降低了环境影响；3)采用集中供暖系统，最大程度提高热量利用效率。

Description

一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统
技术领域
本发明涉及地热技术领域，特别涉及一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统。
背景技术
地热是一种具有广泛发展前景的清洁能源，其能源、环境效益显著。深层地热能包括地下深度200～3000m的地热能及地下深度3000m以上的干热岩所具有的热能，温度范围25～150℃的来自深部地层的热水及150℃以上的干热岩，是地球本身放射性元素衰变产生的热能，主要是由地壳深部开凿出的“热、矿、水”三位一体组成的极为宝贵的自然资源.具有稳定、连续、利用效率高等优势，是一种清洁可持续利用的能源。虽然目前浅层地热开采技术已得到较为广泛的推广，但与深部地热开采技术相比，浅层地源热泵技术受天气影响显著，并且在大热荷载条件下需要更大的占地面积。相比之下，深部地热开采可以不受地表气候变化影响，在几千米的埋深下获得更大的热采速率。
将CO2作为工作流体是几年来提出的一新的地热开发技术，与水相比，CO2作为工作流体存在以下优势：其一，CO2粘滞性小，增大迁移性，在CO2羽流地热系统中可提高热采率；其二，CO2在无水条件下无腐蚀，而水作为工作流体对管道存在腐蚀作用，必须加入缓蚀剂维护管道性能或采用昂贵耐腐蚀材料。
目前，地热开采系统主要分为开放式循环地热系统(OLGS)和闭环式地热系统(CLGS)，OLGS系统不能控制CO2在地热层中的迁移与反应，可能导致CO2泄漏及设备腐蚀等后果，影响安全性和稳定性，而CLGS系统成本极高，尤其钻井费用占总成本的50％。
目前由于地质勘探、油气开采等存在大量废弃井，废弃井也被称为报废井，分为以下几大类：①对油气田开发不起作用、无综合利用价值的井；②对油气田开发造成不良影响的井；③无法修复的套损井；④其他情况需要报废的井(如井下落物无法捞出，不能恢复生产的井)。利用CO2作为工作流体，在废弃井同轴地热系统中循环采热，既可以有效降低成本，又可以提高热采率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，有效的克服了现有技术的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，包括废弃井筒、室内供暖末端和回流泵，上述废弃井筒竖直安装在废弃井内，上述废弃井筒包括密闭的外筒和竖直设置于上述外筒中的内筒，上述内筒的下端设为进气口，其上端设为出气口并穿过上述外筒上端，上述外筒的上端设有连通其内腔的CO2进口，上述CO2进口通过回流管连接上述回流泵的出口端，上述内筒上端出气口通过供热管连接上述室内供暖末端的介质进口，上述室内供暖末端的介质出口通过管路连接上述回流泵的进口端。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述外筒和内筒同轴设置。
进一步，还包括分别一一对应的连通安装在上述回流管和供热管上的回流管控制阀和供热管控制阀。
进一步，上述回流管和供热管上分别设有温度和压力监测器。
进一步，上述CO2进口设有多个，并沿上述外筒的周向间隔分布，每个上述CO2进口处均设有进气口控制阀。
进一步，上述室内供暖末端为暖气片。
进一步，上述外筒的上端与内筒的上端之间密封连接有封板，上述封板上开设有上述CO2进口。
进一步，上述外筒外壁上嵌装有采集地热的集热器。
进一步，上述集热器为环设在上述外筒外壁上的导热翅片。
本发明的有益效果是：1)系统采用废弃井，节约钻井成本；2)系统采用CO2为工作流体，解决了水作为工作流体的腐蚀作用与维护成本，提高了经济效益，降低了环境影响；3)系统中CO2在废弃井内闭环流动，降低了CO2对地层的环境影响；4)系统采用集中供暖系统，最大程度提高热量利用效率，提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明的以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统的结构示意图；
图2为本发明的以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统中废弃井筒的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、废弃井筒；2、室内供暖末端；3、回流泵；4、回流管；5、供热管；6、温度监测器；7、进气口控制阀；11、外筒；12、内筒；13、集热器；41、回流管控制阀；51、供热管控制阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例：如图1和2所示，本实施例的以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统包括废弃井筒1、室内供暖末端2和回流泵3，上述废弃井筒1竖直安装在废弃井内，上述废弃井筒1包括密闭的外筒11和竖直设置于上述外筒11内的内筒12(见图2，图2中箭头所指为CO2流动方向)，上述内筒12的下端设为进气口，其上端设为出气口(图中a指代)，上述外筒11的上端设有连通其内腔的CO2进口(图中b指代)，上述CO2进口通过回流管4连接上述回流泵3的出口端，上述内筒12上端出气口通过供热管5连接上述室内供暖末端2的介质进口，上述室内供暖末端2的介质出口通过管路连接上述回流泵3的进口端。
本实施例中，外筒11与废弃井井壁贴合并同轴设置，本身采集地热来与其内腔中流动的CO2热交换，从而使得CO2升温。
工作过程如下：
冷却CO2由回流管4经外筒11上端的进气口注入外筒11内部(注入废弃井内)，在注入过程中控制好CO2注入速率与压力。冷却CO2进入外筒11后，自外筒11内部向下流动，到达外筒11的底部，在该流动过程中，冷却CO2在外筒11内部与地热进行热交换，转化为高温CO2，之后，高温CO2从内筒12的下端管口进入，并沿着内筒12从上端的出气口出来，再沿着供热管5流向室内供热末端2，高温CO2到达室内供热末端2后，充分利用热量与室内环境进行热交换(供暖)，之后后高温CO2转化为冷却CO2，流入回流管4，然后再经回流泵3输送重新注入外筒11中，完成循环。整个系统以CO2为工作流体，以废弃井为采热井，循环使用CO2采集地热，整个循环过程不产生污染物，对环境没有影响，且对设备无腐蚀作用，并且，在废弃井筒1中闭环流动排除了CO2在地热层的泄漏风险，提高了系统经济性与稳定性，采用废弃井大大降低了钻井成本，采用集中供暖装置能最大效率利用采集地热。
本实施例中，上述外筒11和内筒12同轴设置，CO2在外筒11及内筒12中同轴闭环流动，流动性较好。
作为一种优选的实施方式，还包括分别一一对应的连通安装在上述回流管4和供热管5上的回流管控制阀41和供热管控制阀51。
本实施例中，废弃井筒1的结构设计使得CO2在与地热进行热交换时，避免与底层接触，同时，降低了钻井成本和CO2对地层的环境影响。
上述实施方案中，回流管4和供热管5分别通过回流管控制阀41和供热管控制阀51控制各自管线内的冷CO2及热CO2的流动速率与压力，确保整个系统中流体流动的稳定性，实现稳定的采热、供热循环。
需要补充说明的是：回流管控制阀41和供热管控制阀51分别连通设置在各自对应的管路上，调节流经管线的流量大小及流体压力大小。
作为一种优选的实施方式，上述回流管4和供热管5上分别设有温度和压力监测器6。
上述实施方案中，温度和压力监测器6(属于现有技术，是温度传感器和压力传感器的集成产品)的设计能够实时监测回流管4和供热管5内冷CO2及热CO2的温度信息，并且配合回流管控制阀41和供热管控制阀51进行管线内流体流速计压力的调节，从而使得回流管4和供热管5中CO2处于较佳的温度和流动性，使得整个系统能够处于最佳且稳定的运行状态。
本实施例中，在回流管4和供热管5上均设有三通接头，在三通接头余下的口子处安装温度和压力监测器6来实现温度和压力的监测。
作为一种优选的实施方式，上述CO2进口设有多个，并沿上述外筒11的周向间隔分布，每个上述CO2进口处均设有进气口控制阀7。
上述实施方案中，通过多个CO2进口向外筒11与内筒12之间的腔体内注入CO2进口，再配合CO2进口处进气口控制阀7的流体流速及压力的调节，使得整个系统中流体的流动、换热达到较佳的循环及平衡状态。
本实施例中，上述室内供暖末端2采用常规的暖气片。室内供暖末端2可以设置多个，并相互并联即可，实现多点位的供热。
作为一种优选的实施方式，上述外筒11外壁上嵌装有采集地热的集热器13。
上述实施方案中，在外筒11的侧壁外部设置有集热器13，该集热器13能够迅速的采集地层的热量，然后传递给外筒11，从而对外筒11腔体内注入的CO2进行热交换升温，CO2升温效率大幅提升。
本实施例中，上述集热器13为环设在上述外筒11外壁上的导热翅片，能够有效的采集地热与外筒11内CO2进行热交换。当然，集热器13也可以采用其他形式的结构产品，如导热层等。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：包括废弃井筒(1)、室内供暖末端(2)和回流泵(3)，所述废弃井筒(1)竖直安装在废弃井内，所述废弃井筒(1)包括密闭的外筒(11)和竖直设置于所述外筒(11)内的内筒(12)，所述内筒(12)的下端设为进气口，其上端设为出气口，所述外筒(11)的上端设有连通其内腔的CO2进口，所述CO2进口通过回流管(4)连接所述回流泵(3)的出口端，所述内筒(12)上端出气口通过供热管(5)连接所述室内供暖末端(2)的介质进口，所述室内供暖末端(2)的介质出口通过管路连接所述回流泵(3)的进口端。
2.根据权利要求1所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述外筒(11)和内筒(12)同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：还包括分别一一对应的连通安装在所述回流管(4)和供热管(5)上的回流管控制阀(41)和供热管控制阀(51)。
4.根据权利要求3所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述回流管(4)和供热管(5)上分别设有温度和压力监测器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述CO2进口设有多个，并沿所述外筒(11)的周向间隔分布，每个所述CO2进口处均设有进气口控制阀(7)。
6.根据权利要求1所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述室内供暖末端(2)为暖气片。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述外筒(11)外壁上嵌装有采集地热的集热器(13)。
8.根据权利要求7所述的一种以CO2为工作流体的废弃井同轴闭环地源热泵系统，其特征在于：所述集热器(13)为环设在所述外筒(11)外壁上的导热翅片。
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