[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

说明书

技术领域

本发明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)发电系统及方法。

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，S‐CO₂(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。S‐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S‐CO₂发电系统的高效运行，将二者有机的结合起来，创造出以S‐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，本发明的目的在于提供基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO₂发电系统及方法及方法，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，本发明采用如下技术方案：

基于翅片套管开发热干岩地热能的S‐CO₂发电系统及方法，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，预热加热压缩机出口的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。