[发明专利]基于翅片套管开发热干岩地热能的S‑CO2发电系统及方法

权利要求书

1.基于翅片套管开发热干岩地热能的S-CO₂发电系统及方法，其特征在于：包括：翅片套管，为同轴套管，分为内外两层即外层管和内回流管，外层管提供S-CO₂流至井底吸收地热能的通道，外层管分为外层下降管段和外层强化换热管段；外层下降管段，提供循环工质从井口到热干岩层的流动通道；外层强化换热管段，位于热干岩层，外表面有沿圆周和竖直方向均匀分布的强化换热翅片，可显著提升翅片套管的换热面积，工质主要在外层强化换热管段吸热升温；内回流管，提供循环工质从井底到井口的流动通道；气轮机，位于井口处，与内回流管出口相连接，将S-CO₂的热能转化为机械能，带动发电机发电；工质检测单元，位于气轮机出口，检测CO₂中的杂质含量，适时投入阻垢剂或防腐剂并更换部分变质CO₂；回热器，位于工质检测单元之后，预热压缩机出口的S-CO₂流体；冷凝器，位于回热器之后，将CO₂充分降温，以减少压缩功；压缩机，位于冷凝器之后，将CO₂压缩至超临界态，并提供循环动力，控制CO₂的流量和压力。

2.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述翅片套管采用S-CO₂作为取热循环工质，CO₂作为循环工质具有流动性好、传热效率高、性质稳定、腐蚀结垢倾向低、传热系数大、比热容大的优点；CO₂在31.1℃和7.38MPa的条件下即可转变为超临界态，通过循环泵对CO₂加压8MPa以上，即能保证CO₂在循环过程中全程保持超临界态，流动状态更稳定，换热传热效率更高。

3.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述外层下降管段从井口一直到热干岩层，根据地质条件选用石油套管钢或不锈钢；外层下降管段长度占外层管总长度的70％以上，温度变化缓慢，无需外加翅片便能保证充分换热；外层强化换热管段位于热干岩层之中，根据地质条件选用铝硅合金或铜合金类耐腐蚀、强度大、导热优良的金属材料，通过热传导方式与热干岩换热；外层强化换热管段的长度能够满足设计流量与温度下的换热需求。

4.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述外层强化换热管段外表面沿圆周与竖直方向均匀分布着翅片，翅片能够增加换热面积，使用导热优良的耐高温水泥将外层强化换热管段固定在地热井中；翅片根部与外层强化换热管段外表面相连，通过热传导方式吸收热干岩中的热量；翅片选用板翅或针翅，采用焊接方式固定在外表面；板翅固定在竖直方向上，以免影响固井水泥的流动；翅片选用铝硅合金类耐腐蚀导热性能优良的金属材料。

5.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述外层强化换热管段底部设置了底部抗冲击加厚层，热干岩取热井底部承受的循环工质静压达30MPa以上，还附加了工质流动方向改变带来的冲击动压，承受压力大；采用厚壁锻件封头和外层强化换热管段采用宽U形或窄U形坡口对接焊接在一起，从而将取热井管底部密封且承受超临界压力，形成取热井管内部的闭路循环。

6.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述内回流管入口在地热井底部，出口和地面的气轮机相连，吸收了热干岩热量的取热工质从外层流入内回流管；内回流管具有良好的保温性能，以确保出口工质具有较高的品位，以提升发电效率；内回流管的入口设置稳流单元，采用管端扳边方式将入口扳成12-15°的喇叭口，使取热工质在管底加速，避免回流。

7.根据权利要求1所述的以S-CO₂为工质通过翅片套管从热干岩取热的发电系统，其特征在于：所述内回流管采用钢塑复合管，钢塑复合管的塑料外层能够抵抗循环介质的高温腐蚀，同时具有低的导热系数，有效提高热干岩取热井管的出口温度；钢质内层强度大，能够承受循环工质的高压。