地道式地热发电与综合开发利用系统技术方案

本发明专利技术公开了一种地道式地热发电与综合开发利用系统，循环联通的冷水和热水管网布设在地道中，通过冷水管网将冷水从地面注入，进入地下热交换装置变热后，进入热水管网提供给地热发电站发电，发电后的余热再利用。采用常规的盾构、爆破等地道挖掘技术开挖一个倾斜的地道，地道到达热储层后，再向不同方向开挖分枝状，如水平、竖直或者倾斜地道，并将热交换装置置于热储层中。在地道内设置地质旅游景点、地热博物馆和不同用途的城市地下空间。本发明专利技术采用常规技术挖掘有一定倾斜角度的地道，可节约施工成本；且通过综合利用地道和恒温层空间，极大提高了地道式地热发电综合开发利用系统的经济效益。

Underground Geothermal Power Generation and Comprehensive Development and Utilization System

The invention discloses an underground geothermal power generation and comprehensive development and utilization system. The circulating cold water and hot water pipeline network is arranged in the tunnel. Through the cold water pipeline network, the cold water is injected from the ground. After entering the underground heat exchange device to heat up, the hot water pipeline network is supplied to the geothermal power station for power generation, and the waste heat after power generation is reused. An inclined tunnel is excavated by conventional tunnel excavation techniques such as shield tunneling and blasting. After the tunnel reaches the thermal reservoir, branched tunnels, such as horizontal, vertical or inclined tunnels, are excavated in different directions, and heat exchange devices are placed in the thermal reservoir. Geological tourist attractions, geothermal museums and urban underground space for different purposes are set up in the tunnel. The invention adopts conventional technology to excavate a tunnel with a certain inclined angle, which can save construction cost, and greatly improves the economic benefit of the comprehensive development and utilization system of underground geothermal power generation by utilizing the tunnel and thermostat space comprehensively.

【技术实现步骤摘要】
地道式地热发电与综合开发利用系统
本专利技术涉及一种地热能开发及其地下空间的综合利用，具体地说，涉及一种利用地热能，包括水热型和干热岩地热能的地道式地热发电、供暖、制冷及在其相关的地道与连接的地下空间内构建地质旅游景点、地热博物馆和城市地下空间等建筑的综合利用系统。
技术介绍
目前，已有的地热开发井大部分情况下采用小口径，其主要问题是钻井成本高、单井发电功率小、控制的热储范围小等，导致地热能的开发与利用，尤其是地热发电，难以大规模推广。针对上述问题，目前提出了大口径直井地热开发系统（专利号:CN201720035241.9），如图1和2所示，这种开发方式具有可以大量开采地热能，增加换热面积，减少钻井数量的优点，但这种地热开发系统只能采用特殊的机器如盾构机开挖，操作复杂，开挖深度小（目前无法超过1000米深）且成本很高。而对于干热岩的开发，要达到180°C以上，深度大部分情况下要求大于2000米甚至3000米。由于上述原因，急需新的高效的地热开发利用技术和系统。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述问题提出的一种地道式地热发电与综合开发利用系统，该系统不仅能够解决常规地热资源的低效和开采问题，还能解决干热岩现有开发技术的功率小或者开挖复杂、开挖深度小且成本高等方面的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术一种地道式地热发电与综合开发利用系统，包括由地道构成的地道网、循环联通的冷水管网和热水管网、热交换装置和地热发电站，冷水管网和热水管网布设在地道中，通过冷水管网将冷水从地面注入，进入热交换装置变热后，由热水管网采出，提供给地热发电站发电，发电后的余热可以用来供暖、制冷、洗浴以及养殖等。采用常规的地道挖掘技术开挖一个倾斜的地道，地道到达热储层后，再向不同方向开挖分枝状，如水平、竖直或者倾斜地道，并将热交换装置置于热储层中。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，在地道内设置地质旅游景点，地质旅游景点主要位于温度在10-100°C的地下空间，分布在倾斜地道外侧，包括地道开挖显示出的岩石类型、地层地貌、地质特征和地热等作为旅游景观，采用透明抗压玻璃材料作地道和地层岩石（地质旅游景点）之间的隔离墙。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，在地道内设置不同用途的城市地下空间，城市地下空间主要分布在地下10-40°C的恒温层；在该恒温层的地道内开挖出地下空间，地下空间中建设有商业街、停车场、铁道、温室大棚、写字楼、商业娱乐、旅游景点、地质地热博物馆和文化建筑等。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，其地道的直径大于1米，可根据需要加大其直径，其倾斜角度为0°到80°，其倾斜角度最优为45°到60°，采用盾构、旋钻或爆破技术挖掘。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，其热储层是温度在100°C以上的热岩地层，最优是温度在180°C以上的热岩地层。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，地道内设置有机动车道路，可从地面直达城市地下空间与旅游景点等地下设施；地道内设置有楼梯、电梯或缆车的安装和运行通道。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，地道截面为圆形，热水管和冷水管紧贴地道壁分布，热水管位于地道壁外紧贴岩体表面，冷水管位于地道壁内。所述的道式地热发电与综合开发利用系统，地道截面为拱门形，热水管和冷水管紧贴地道壁分布在其上侧、左侧和右侧，热水管位于地道壁外紧贴岩体表面，冷水管位于地道壁内。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，地道截面为拱门形，热水管位于地道壁外紧贴岩体表面，分布在其上部；冷水管位于地道壁内，分布在其上部紧贴地道壁。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，地热发电站在地面，从地热发电站垂直向下到热交换装置有一个直径小于1米的竖直井，在竖直井内安装有输电电缆和热水管，通过热水管将热交换装置的热能传输给地面发电站，通过输电电缆将地热发电站的电力输送给地下城市或者地面其他用户，发电后的余热通过管网输送给地下城市或者地面其他用户。所述地道式地热发电与综合开发利用系统，地热发电站在地下与热交换装置相邻，从地面垂直向下到地热发电站和热交换装置有一个直径小于1米的竖直井，在竖直井内安装有输电电缆和热水管，通过输电电缆将地热发电站的电力输送给地下城市或者地面其他用户，发电后的余热通过管网输送给地下城市或者地面其他用户。冷水管网主要向系统输送冷水，一方面保证地热发电系统供水，另一方面维持地热地道式综合利用系统浅层空间的内部温度保持低温或常温状态。它主要分布在倾斜地道和水平地道中，而热水管网主要输出热水或者热蒸汽，分布在倾斜地道，也可以在垂直地道中。采用常规的地道挖掘技术或者现有的掘进（开挖）技术开挖一个适当倾斜角度（0-80度，一般采用45到60度）的大直径（1米以上）倾斜地道，达到一定温度的地层（热储）后，可以再向不同方向开挖分枝状的水平或者倾斜地道。采用这种方法的主要优点是建井成本以及整个地热系统的建设成本比较低，这是因为可以利用多种比较经济的方法（如爆破法）进行开挖，而且，可以采用缆车甚至汽车搬运碎石、渣土，开挖过程中遇到有较高经济价值的矿石等矿产资源时可以运到地面进行加工利用，而经济价值较低的渣土可以用于制砖、铺路、建筑材料等方面，产生额外经济效益，使该地热发电与综合利用系统的成本进一步降低。另外一个优点是不需要进行大规模压裂，既不产生大众敏感的地震问题，又节省了大量的压裂成本。地道建成后，由倾斜地道注入冷水、在深部高温热储换热后由同一倾斜地道或者直井产出热水，高温时为蒸汽。发电站（常规汽轮机、双工质、半导体温差发电或者其它技术）可以建设在地下（半导体温差发电或者其它技术）或者地面（常规汽轮机、双工质或者其它技术），发电后的余热可以再利用。发电站建在地面时，其位置尽量靠近倾斜地道的出口。倾斜地道的温度可以控制在20-30℃，开挖的倾斜地道所展现的地层特征以及地层构造，可以建成旅游长廊，变成一个世界领先、唯一的地热景点（地热地质公园）。在恒温层附近（温度为25℃左右））还可以建设各种商场、停车站、温室大棚等城市地下空间系统，由于该区域温度比较适宜，所建的上述城市地下空间系统可以节约大量的供暖制冷能源，也可以节约大量的宝贵的地面空间。在有需要的情况下，可以再采用反井法开挖一个或者多个直井（可以是小直径）。在有直井且发电站建在地面时，其位置可以靠近直井的地面出口也可以靠近倾斜地道的出口，发电站的具体位置与布局可以根据井场的实际情况确定。这是一个集地热发电、旅游、科研、地下空间开发等设施、设备于一体的巨系统。本专利技术一种地道式地热发电与综合开发利用系统的有益效果是：采用常规地道挖掘技术挖掘有一定倾斜角度的地道，可节约施工成本；且通过综合利用地道和恒温层空间，极大提高了地道式地热发电系统的综合利用价值，经济效益十分巨大。附图说明图1为现有技术一种地热开发系统结构示意图。图2为现有技术一种地热开发系统导热管在热储层的结构示意图。图3为本专利技术地热发电站在地面系统结构示意图。图4为本专利技术地热发电站在地下系统结构示意图。图5为本专利技术截面为圆形的地道内冷、热水管道分布示意图。图6为本专利技术截面为拱门形的地道内冷、热水管道分布实施例一示意图。图7为本专利技术截面为拱门形的地道内冷、热水管道分布实施例二示意图。图8为本专利技术热储层内冷、热水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地道式地热发电与综合开发利用系统，包括由地道(2)构成的地道网、循环联通的冷水管网(11)和热水管网(10)、热交换装置(8)和地热发电站(7)，冷水管网(11)和热水管网(10)布设在地道(2)中，通过冷水管网(11)将冷水从地面注入，进入热交换装置(8)变热后，进入热水管网(10)提供给地热发电站(7)发电；其特征在于：采用常规的地道挖掘技术开挖一个倾斜的地道(2)，地道(2)到达热储层(15)后，再向不同方向开挖分枝状，如水平、竖直或者倾斜地道，并将热交换装置(8)置于热储层(15)中。

【技术特征摘要】
1.一种地道式地热发电与综合开发利用系统，包括由地道(2)构成的地道网、循环联通的冷水管网(11)和热水管网(10)、热交换装置(8)和地热发电站(7)，冷水管网(11)和热水管网(10)布设在地道(2)中，通过冷水管网(11)将冷水从地面注入，进入热交换装置(8)变热后，进入热水管网(10)提供给地热发电站(7)发电；其特征在于：采用常规的地道挖掘技术开挖一个倾斜的地道(2)，地道(2)到达热储层(15)后，再向不同方向开挖分枝状，如水平、竖直或者倾斜地道，并将热交换装置(8)置于热储层(15)中。2.根据权利要求1所述的地道式地热发电与综合开发利用系统，其特征在于：在地道(2)内设置地质旅游景点(5)，地质旅游景点(5)主要位于温度在10-100°C的地下空间，主要分布在倾斜地道(2)外侧，包括地道(2)开挖显示出的岩石类型、地层地貌、地质和地热特征等作为旅游景观，采用抗压玻璃材料作地道(2)和地质旅游景点(5)隔离墙。3.根据权利要求1所述的地道式地热发电与综合开发利用系统，其特征在于：在地道(2)内设置不同用途的城市地下空间(6)，城市地下空间(6)主要分布在地下10-40°C的恒温层，在该恒温层的地道(2)内开挖出地下空间，地下空间中建设有商业街、停车场、铁道、温室大棚、写字楼、商业娱乐、旅游景点、地质地热博物馆和文化建筑。4.根据权利要求1所述的地道式地热发电与综合开发利用系统，其特征在于：地道(2)的直径大于1米，可根据需要加大其直径，其倾斜角度为0°到80°，最优为45°到60°，采用盾构、旋钻或爆破技术挖掘。5.根据权利要求1所述的地道式地热发电与综合开发利用系统，其特征在于：热储层(15)是温度在100°C以上的热岩地层，最优是温度在180...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克文，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11