[实用新型]基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO2发电系统

说明书

本实用新型公开了基于翅片套管开发热干岩地热能的S‑CO₂发电系统，翅片套管为同轴套管，由外层下降管段、外层强化换热管段、内回流管、S‑CO₂气轮机、发电机、压缩机等组成。本实用新型的创新点是利用S‑CO₂在翅片套管内的闭路循环，将地热能从热干岩层传递至气轮机；翅片套管和气轮机均采用S‑CO₂作为循环工质，消除了换热器端差；热干岩段外加翅片，增大传热面积，提高单井出力。S‑CO₂从取热套管外层流至取热井底部汇集到内层，在下降过程吸收干热岩中的地热能不断升温，再从内层回流至地面，通过S‑CO₂气轮机和发电机将地热能转化为高品位的电能。S‑CO₂经过工质检测单元检测和压缩机加压后开始新的循环，实现了热干岩地热能的可持续开采。

技术领域

本实用新型涉及热干岩地热开采领域，具体涉及基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO₂(超临界CO₂)发电系统。

背景技术

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。地热能分为浅层地热资源，水热型地热资源和热干岩资源，目前浅层和水热型地热资源均已得到了广泛利用，而占我国地热储能95％以上的热干岩资源还未得到开采利用。水热型地热资源存在着水位下降或是资源枯竭的问题，浅层地热资源总量小品位低，而热干岩资源是以固体形态存在的高温岩石，温度达到200℃以上，资源均匀稳定，可采总量折合17万亿吨标准煤，可以满足我国4400年的能源需求，有着巨大的利用潜力。

美国、日本、德国、法国等8个国家从上个世纪70年代开始采用增强型地热系统开发利用热干岩。增强型地热系统的开发主要分为四个阶段，资源勘查与选址、人工储层的建造、地热田的建立、地热田的开采与检测。其中人工储层的建造需要先利用水力压裂高温岩体制造出具有高渗透性的裂缝体系，然后从注入井注入高压水至地下裂缝体系，从生产井抽取产生的地热蒸汽或地热水进行生产。人工储层的建立面临着流动短路、岩石溶解、岩层渗漏等诸多问题，给热干岩的开采带来了巨大的挑战。由于技术原因和经济效益不佳，目前仅有法国和德国的增强型地热系统还在运行，其余均已终止试验。传统的增强型地热系统依靠水为媒介从地下取能，系统复杂，管路繁多，可靠性低，亟需一种简单可靠的热干岩开采系统来实现热干岩的大规模利用。

CO₂在31.1℃和7.38MPa的条件下即可转变为超临界态，超临界 CO₂作为循环工质具有流动性好、传热效率高、粘性好密度大、动能大、无相变等优良特性，既作为循环工质通过套管取热井从热干岩提取热量，又作为做功工质直接进入气轮机做功。超临界CO₂发电系统还具有效率高、体积小、噪声低、可利用低温热能等优良特性。目前的CO₂气轮机单机功率均在MW级别，和干热岩取热井的单井出力级别相吻合；热干岩温度在200℃以上，可保证超临界CO₂发电系统的高效运行，将二者有机的结合起来，创造出以超临界CO₂为工质的热干岩发电系统。

发明内容

为了解决现有增强型地热发电系统的不足，本实用新型的目的在于提供基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO₂发电系统，翅片套管分为内外两层，S‐CO₂从外层流至井底吸收热干岩热能，通过内回流管回流至地面进入气轮机做功，之后再次从取热井管外层流至井底吸收热干岩热能；S‐CO₂在取热井管内部闭路循环，通过翅片强化换热的外表面吸收热干岩层的热能，仅需一口地热井便可保证热干岩热发电的可持续进行。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：