一种地热相变胶囊强化闭式取热系统及方法与流程

本发明属于地热能开发利用，具体涉及一种地热相变胶囊强化闭式取热系统及方法。

背景技术：

1、地热能作为一种绿色低碳、稳定可靠的可再生能源，其开发利用受到国家及地方政府的高度重视。中深层地热能闭式取热技术因具有环境友好、无地下水干扰、适用范围广等优点，已成为当前地热开发的主流技术方向。

2、然而，现有中深层闭式取热系统仍存在以下技术问题：

3、传统同轴套管或u型管闭式取热系统依靠管壁与岩土的导热换热，换热面积有限，单井取热功率普遍较低，导致项目初投资高、经济性差。

4、现有系统多采用定流量连续运行模式，无法根据用户热负荷变化动态调整取热功率，易造成能源浪费和热储温度场过早衰减。

5、当用户热负荷发生突变时，系统无法快速响应，导致供热温度波动大，影响用户体验。

6、多个闭式取热井同时运行时，井间热干扰问题突出，导致整体取热效率下降，且缺乏有效的协调控制手段。

7、相变储能技术具有储能密度大、相变温度恒定等优点，将其与地热闭式取热技术相结合，可有效提高系统换热效率和运行灵活性。但目前相变胶囊强化地热取热技术仍处于起步阶段，存在相变胶囊易破损、循环阻力大、换热机理不明确、系统集成度低等问题，尚未形成成熟的工程化应用技术体系。

8、针对上述问题，有必要提出一种设计合理且有效解决上述问题的地热相变胶囊强化闭式取热系统及方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种地热相变胶囊强化闭式取热系统及方法。

2、本发明的一方面提供一种地热相变胶囊强化闭式取热系统，包括地热井与井下换热模块、相变胶囊循环与强化换热模块、多模式运行控制模块、地面换热与能量转换模块、热响应监测与预测模块以及集群式协调调度模块；

3、所述地热井与井下换热模块采用同轴套管结构，所述同轴套管结构的外管与地层直接接触进行导热换热，所述同轴套管结构的内管用于输送携热流体，在所述同轴套管结构的套管环形空间内设置有螺旋导流片，用于强化流体与管壁的换热；

4、所述相变胶囊循环与强化换热模块包括相变胶囊、取热流化床、胶囊分离装置和循环泵，其中，所述相变胶囊悬浮于携热流体中，并随流体在井下换热管与地面取热流化床之间循环流动，通过相变过程吸收和释放热量；

5、所述多模式运行控制模块，用于根据用户热负荷和地层热响应特性，控制系统在协同取热模式、胶囊储能模式和单独流体取热模式之间自动切换，实现取热功率的动态调节；

6、所述地面换热与能量转换模块包括板式换热器、热泵机组和用户侧管网，用于携热流体在所述板式换热器中与用户侧循环水进行热量交换，使低温流体返回井下再次取热；

7、所述热响应监测与预测模块，用于通过布置在井下不同深度的温度传感器和地面流量传感器以及压力传感器，实时监测地层温度场、流体温度、流量和压力参数，建立地层热响应预测模型；

8、所述集群式协调调度模块，用于针对多井集群式布局场景，基于各井的热响应特性和用户热负荷分布，优化各井的运行参数和运行模式，最小化井间热干扰，提高系统整体取热效率。

9、可选的，所述地热井与井下换热模块具体包括同轴套管单元、螺旋导流单元和井下密封单元；

10、所述同轴套管单元包括外管和内管，其中，所述外管采用高导热系数的无缝钢管，所述内管采用保温性能良好的复合管材，外管与内管之间形成环形换热通道，内管内部形成流体回流通道；

11、所述螺旋导流单元包括连续的螺旋状金属片，所述螺旋状金属片焊接在所述外管内壁上；

12、所述井下密封单元包括套管底部密封结构和井口密封装置，套管底部采用金属焊接密封，井口设置有耐压密封法兰。

13、可选的，所述相变胶囊循环与强化换热模块具体包括相变胶囊单元、流化床换热单元、胶囊分离单元和流体循环单元；

14、所述相变胶囊单元采用核壳结构，所述核壳结构的内核为相变材料，所述核壳结构的外壳为高分子聚合物材料，所述核壳结构的胶囊直径为1 mm~5 mm；

15、所述流化床换热单元自上而下依次由分离室、放热室和混合室组成，所述分离室顶部设置有流体出口，所述分离室的侧壁设置有胶囊入口，所述放热室内设置有换热管束，所述混合室底部设置有流体入口和胶囊出口；

16、所述胶囊分离单元采用旋流分离器结构，所述旋流分离器结构的入口与流化床分离室的流体出口连接，所述旋流分离器结构的顶部出口与循环泵入口连接，所述旋流分离器结构的底部出口与流化床混合室的胶囊入口连接；

17、所述流体循环单元包括循环泵、流量调节阀和止回阀，所述循环泵入口与所述旋流分离器结构的顶部出口连接，所述循环泵出口与井下内管底部连接。

18、可选的，所述多模式运行控制模块具体包括模式判断单元、阀门控制单元和泵速调节单元；

19、所述模式判断单元，用于接收所述热响应监测与预测模块输出的用户热负荷信号和地层温度信号，根据预设的模式切换阈值，判断系统应运行的模式；

20、所述阀门控制单元，用于根据所述模式判断单元输出的控制信号，控制流化床各阀门的开闭状态，包括协同模式阀门组、储能模式阀门组和单独取热模式阀门组；

21、所述泵速调节单元，用于根据所述模式判断单元输出的控制信号，调节循环泵的转速，从而调节系统的流体流量和胶囊循环量。

22、可选的，所述地面换热与能量转换模块具体包括一级换热单元、热泵提升单元和用户侧换热单元；

23、所述一级换热单元包括板式换热器和地热侧循环管路，所述板式换热器的一次侧入口与流化床放热室的换热管束出口连接，所述板式换热器的一次侧出口与循环泵入口连接，所述板式换热器的二次侧入口与热泵机组的蒸发器出口连接，所述板式换热器的二次侧出口与热泵机组的蒸发器入口连接；

24、所述热泵提升单元包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，采用蒸汽压缩式热泵循环；

25、所述用户侧换热单元包括用户侧循环泵、供回水管网和末端散热设备，所述用户侧循环泵入口与所述热泵机组的冷凝器出口连接，所述用户侧循环泵出口与末端散热设备入口连接，末端散热设备出口与热泵机组的冷凝器入口连接。

26、可选的，所述热响应监测与预测模块具体包括参数采集单元、数据处理单元和热响应预测单元；

27、所述参数采集单元包括井下温度传感器阵列、地面温度传感器、流量传感器和压力传感器，其中，所述井下温度传感器沿外管外壁等间距布置，所述地面传感器分别布置在循环泵进出口、板式换热器进出口和用户侧供回水管道上；

28、所述数据处理单元，用于对所述参数采集单元获取的原始数据进行滤波、去噪和归一化处理，建立系统运行数据库；

29、所述热响应预测单元，用于基于地层热物性参数和历史运行数据，建立地层热响应预测模型，采用有限差分法求解地层非稳态导热方程，预测不同取热功率下地层温度场的变化趋势。

30、可选的，所述集群式协调调度模块具体包括井群状态监测单元、热干扰分析单元和运行优化单元；

31、所述井群状态监测单元，用于实时采集集群内各单井的运行参数，建立井群运行状态数据库；

32、所述热干扰分析单元，用于基于各井的地理位置和地层热物性参数，建立井群热干扰数学模型，计算不同运行工况下各井之间的热干扰强度，热干扰强度计算公式为：

33、；

34、其中，为第

j口井对第

i口井的热干扰强度，为第

i口井在第

j口井运行时的井底温度，为第

i口井在第

j口井未运行时的初始井底温度，为第

j口井的初始井底温度，为第

j口井运行时的井底温度；

35、所述运行优化单元，用于以系统整体取热效率最大化为目标函数，以各井的取热功率、运行时间和运行模式为优化变量，采用遗传算法进行优化求解，得到各井的最优运行参数组合。

36、本发明的另一方面提供一种根据前文所述的一种地热相变胶囊强化闭式取热系统的取热方法，包括以下步骤：

37、步骤一、启动系统各模块，检查设备运行状态，标定传感器测量精度，输入地层热物性参数、相变胶囊热物性参数和用户热负荷参数，系统初始化完成后进入待命状态；

38、步骤二、热响应监测与预测模块实时监测地层温度、流体温度、流量和压力参数，预测地层热响应特性和用户热负荷变化趋势，多模式运行控制模块根据预测结果判断系统应运行的模式；

39、步骤三、当用户热负荷较高且地层温度较高时，系统运行协同取热模式：循环泵驱动携热流体携带相变胶囊进入井下同轴套管的环形通道，与地层进行热量交换，相变胶囊吸收热量熔化，升温后的流体和胶囊进入地面取热流化床，在放热室内与换热管束进行热量交换，相变胶囊释放热量凝固，降温后的流体和胶囊经分离后返回循环泵；

40、步骤四、当用户热负荷较低且地层温度较高时，系统运行胶囊储能模式：循环泵驱动携热流体携带相变胶囊进入井下换热，相变胶囊吸收热量熔化，升温后的胶囊不经过放热室换热，热量以潜热形式储存在相变胶囊中；

41、步骤五、当地层温度较低或相变胶囊需要检修时，系统运行单独流体取热模式：将相变胶囊分离并储存，循环泵仅驱动携热流体在井下换热管与地面板式换热器之间循环流动；

42、步骤六、对于多井集群式布局系统，集群式协调调度模块实时监测各井的运行状态和热干扰强度，优化各井的运行参数和运行模式，动态调整各井的取热功率；

43、步骤七、当用户不需要供热或系统需要检修时，依次关闭各设备，系统停止运行，保存本次运行的所有数据至系统运行数据库。

44、可选的，所述步骤3中，流体和胶囊在环形通道内受螺旋导流片作用形成螺旋流动，增加流体与管壁的接触时间和扰动强度；

45、所述步骤4中，当用户热负荷升高时，系统切换至协同取热模式，相变胶囊释放储存的热量向用户供热。

46、可选的，所述步骤6中，运行优化单元采用遗传算法求解优化问题时，根据各井的热干扰强度、地层热响应特性和用户热负荷分布，将生成的最优运行参数组合下发至各单井的多模式运行控制模块执行。

47、本发明提供的地热相变胶囊强化闭式取热系统及方法，该系统通过在井下同轴套管内设置螺旋导流片，强化了流体与管壁的换热，同时将相变胶囊引入闭式取热系统，利用相变材料的潜热换热，大幅提高了单井取热功率，降低了项目初投资。设计了协同取热、胶囊储能和单独流体取热三种运行模式，可根据用户热负荷和地层温度动态切换，实现了取热功率的连续调节，提高了系统对负荷变化的适应性。相变胶囊具有储能密度大、相变温度恒定的特点，能够快速响应用户热负荷的突变，稳定供热温度，提升用户体验。针对多井集群式布局场景，建立了井群热干扰数学模型，采用遗传算法优化各井的运行参数和运行模式，实现了井群的协调调度，最小化了井间热干扰，提高了系统整体取热效率。