深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，包括控制器、底层胶结充填体温度传感器、U型换热盘管入口温度传感器、电磁流量调节阀、U型换热盘管出口温度传感器、电磁温度调节阀、供水管三通阀、回水管三通阀、供水管截止阀和回水管截止阀；本发明专利技术还公开了一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化方法。本发明专利技术通过采用将效能与温度误差作为出口流体混合标准的方法，优化了出口流体温度，使各层U型换热盘管的流体温度近似相等，提高了地下换热系统的

Optimization system and method of exit temperature for underground heat exchange system of cemented backfill in deep well

【技术实现步骤摘要】
深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统及方法
本专利技术属于深部矿井地热开采
，具体涉及一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统及方法。
技术介绍
使用清洁能源是能源发展的必然趋势，核电能源并非理想安全能源，光风能源又难以满足人类需求，而深层地热能源是取之不尽的安全环保能源，具有巨大的开发潜力，有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。对比风能、太阳能等可再生能源，地热资源具有稳定、不受季节和昼夜变化影响等独特优势。有研究表明，随着矿井开采深度的增加，由深层地温所诱发的高温热害愈加严重，已成为制约深层矿床资源安全高效开采的重要因素。对我国而言，已有140多对矿井出现不同程度的热害问题，其中有45％的矿井采掘工作面温度超过30℃，是世界上热害矿井最多的国家。研究指出，30℃～40℃高温的采掘工作面，其事故率是温度低于30℃时的3.6倍，矿山井下作业地点气温每超过标准(此标准选用26℃)1℃，劳动生产率就会下降6％～8％。矿井热害已成为继瓦斯、火、水、矿压、粉尘之后的第六大灾害。因此，解决深井热害问题，改善深井作业热环境已成为世界矿床安全高效开采领域中极为重要，也是亟待解决的环节。深井高温围岩是诱发井下热害的根本原因，但其内部所蕴含的丰富热量却为地热能的开发利用提供了有利条件。在深井开采过程中合理利用地热，可为矿区提供清洁、廉价的热能，降低矿区运营成本，提高矿业可持续性，实现资源高效开采及绿色开采，降低深部矿井与深地热开发的综合成本，实现双赢。另一方面，及时高效地提取出深井地热，可有效降低围岩或充填体温度，在一定程度上为深井降温产生积极的促进作用。在实际应用中，U型管道常被用做冷热水循环系统，其能够有效降低进、出水循环能耗，避免地下有害矿物质通过水循环腐蚀管道系统。通过在U型管道循环系统中注入低温水后，不断地吸收深井胶结充填体的高温热量，使得管道内水温上升得到高温水，最后通过水泵输送给热用户。数据表明，在地下每下降100m，温度会增加4℃，这说明地层内存在一个明显的温度梯度。因此，埋管深度越深的管段输出的热水温度越高，然而在回水过程中，不同深度埋管中不同温度的热水一同汇入总回水管后必然会导致出水温度的整体降低。从分析的角度来讲，系统温度相对于环境温度越高，越大，能量品质也就越高，能转换成所需能量效率也高；越低，虽然会得到能量，但能级太低，可利用价值有限。因此，不能直接将深层充填体换热得到的高温水与浅层充填体换热得到的低温水进行混合，否则会造成热品质降低。因此，必须要合理控制各分层埋管的出水温度，使其以较高温度汇入回水总管来供给热用户，从而有效避免高低温混合过程中能量浪费。而然，现有技术中还缺乏这样的技术方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，其采用了模块化的设计，结构简单，实现方便且成本低，操作简单。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，所述深井胶结充填体地下换热系统包括通过设置在天井和竖井内的供回水系统与设置在地面上的地埋管分集水器系统连接的多层换热盘管系统，多层所述换热盘管系统分别埋设于进行各分层充填时形成的多层采热充填体内，每层所述换热盘管系统均包括垂直铺设在采热充填体内的U型换热盘管；所述地埋管分集水器系统包括地埋管分水器和地埋管集水器，所述地埋管分水器上连接有多条分水支路，每条分水支路上均设置有分水器蝶阀和循环水泵，所述地埋管集水器上连接有多条集水支路，每条集水支路上均设置有集水器蝶阀和集水器温度传感器；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条供水管和多条回水管，所述供水管与分水支路连接，所述回水管与集水支路连接；所述深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统包括控制器，设置在底层的胶结充填体内且用于对底层的胶结充填体的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器，设置在各层U型换热盘管入口处且用于对U型换热盘管入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器和用于对U型换热盘管内的流量进行调节的电磁流量调节阀，以及设置在各层U型换热盘管出口处的且用于对U型换热盘管出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器和用于对U型换热盘管内的温度进行调节的电磁温度调节阀；每层所述U型换热盘管的入口均通过供水管三通阀与供水管连接，每层所述U型换热盘管的出口均通过回水管三通阀与回水管连接；位于底层的U型换热盘管的入口处设置有供水管截止阀，位于底层的U型换热盘管的出口处设置有回水管截止阀；所述集水器温度传感器、底层胶结充填体温度传感器、U型换热盘管入口温度传感器和U型换热盘管出口温度传感器均与控制器的输入端连接，所述分水器蝶阀、集水器蝶阀、循环水泵、电磁流量调节阀、电磁温度调节阀、供水管三通阀、回水管三通阀、供水管截止阀和回水管截止阀均与控制器的输出端连接。上述的深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，每条分水支路上均设置有流量传感器和压力表，所述流量传感器和压力表的输出端均与控制器的输入端连接。上述的深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，垂直铺设在采热充填体内的U型换热盘管在竖直方向上呈蛇形布设。本专利技术还公开了一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化的方法，其从根本上提高了地下换热系统的值，提高了热能品质，且提高了热能转换效率；该方法包括以下步骤：步骤一、计算底层U型换热盘管的效能，具体过程为：步骤101、控制器控制分水器蝶阀、集水器蝶阀和循环水泵打开，控制底层的供水管截止阀、回水管截止阀、电磁温度调节阀和电磁流量调节阀打开，并控制回水管三通阀的支路侧和主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀的主路侧和回水管三通阀的主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀的支路侧和回水管三通阀的支路侧关闭，通过地埋管分水器和分水支路向供水管通入低温水，低温水只流入底层的U型换热盘管内，与不断吸收深井围岩热量的胶结充填体进行换热；步骤102、定义底层的U型换热盘管为第0层，底层的U型换热盘管入口温度传感器对流体在底层的U型换热盘管入口处的温度tin-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器，底层的U型换热盘管出口温度传感器对流体在底层的U型换热盘管出口处的温度tout-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器，底层胶结充填体温度传感器对底层的胶结充填体的温度tbackfill-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器，控制器根据公式计算得到底层U型换热盘管的效能ε0；步骤二、控制器控制底层向上第k层的供水管三通阀支路侧、回水管三通阀支路侧、电磁温度调节阀和电磁流量调节阀打开，低温水进入底层向上第k层的U型换热盘管内，与不断吸收深井围岩热量的胶结充填体进行换热；其中，k的取值为非0自然数；控制器将底层的胶结充填体的温度定义为(tbackfill)max，单位为℃，并根据公式tbackfill-k＝(tbackfill)max-0.04xk计算得到底层向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，所述深井胶结充填体地下换热系统包括通过设置在天井和竖井内的供回水系统与设置在地面上的地埋管分集水器系统连接的多层换热盘管系统，多层所述换热盘管系统分别埋设于进行各分层充填时形成的多层采热充填体(24)内，每层所述换热盘管系统均包括垂直铺设在采热充填体(24)内的U型换热盘管(21)；所述地埋管分集水器系统包括地埋管分水器(1)和地埋管集水器(2)，所述地埋管分水器(1)上连接有多条分水支路(5)，每条分水支路(5)上均设置有分水器蝶阀(4-2)和循环水泵(10)，所述地埋管集水器(2)上连接有多条集水支路(3)，每条集水支路(3)上均设置有集水器蝶阀(4-1)和集水器温度传感器(15)；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条供水管(12)和多条回水管(14)，所述供水管(12)与分水支路(5)连接，所述回水管(14)与集水支路(3)连接；其特征在于：所述深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统包括控制器(7)，设置在底层的胶结充填体(24)内且用于对底层的胶结充填体(24)的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器(6)，设置在各层U型换热盘管(21)入口处且用于对U型换热盘管(21)入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器(8)和用于对U型换热盘管(21)内的流量进行调节的电磁流量调节阀(20)，以及设置在各层U型换热盘管(21)出口处的且用于对U型换热盘管(21)出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器(19)和用于对U型换热盘管(21)内的温度进行调节的电磁温度调节阀(22)；每层所述U型换热盘管(21)的入口均通过供水管三通阀(16-2)与供水管(12)连接，每层所述U型换热盘管(21)的出口均通过回水管三通阀(16-1)与回水管(14)连接；位于底层的U型换热盘管(21)的入口处设置有供水管截止阀(18-1)，位于底层的U型换热盘管(21)的出口处设置有回水管截止阀(18-2)；所述集水器温度传感器(15)、底层胶结充填体温度传感器(6)、U型换热盘管入口温度传感器(8)和U型换热盘管出口温度传感器(19)均与控制器(7)的输入端连接，所述分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)、循环水泵(10)、电磁流量调节阀(20)、电磁温度调节阀(22)、供水管三通阀(16-2)、回水管三通阀(16-1)、供水管截止阀(18-1)和回水管截止阀(18-2)均与控制器(7)的输出端连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，所述深井胶结充填体地下换热系统包括通过设置在天井和竖井内的供回水系统与设置在地面上的地埋管分集水器系统连接的多层换热盘管系统，多层所述换热盘管系统分别埋设于进行各分层充填时形成的多层采热充填体(24)内，每层所述换热盘管系统均包括垂直铺设在采热充填体(24)内的U型换热盘管(21)；所述地埋管分集水器系统包括地埋管分水器(1)和地埋管集水器(2)，所述地埋管分水器(1)上连接有多条分水支路(5)，每条分水支路(5)上均设置有分水器蝶阀(4-2)和循环水泵(10)，所述地埋管集水器(2)上连接有多条集水支路(3)，每条集水支路(3)上均设置有集水器蝶阀(4-1)和集水器温度传感器(15)；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条供水管(12)和多条回水管(14)，所述供水管(12)与分水支路(5)连接，所述回水管(14)与集水支路(3)连接；其特征在于：所述深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统包括控制器(7)，设置在底层的胶结充填体(24)内且用于对底层的胶结充填体(24)的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器(6)，设置在各层U型换热盘管(21)入口处且用于对U型换热盘管(21)入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器(8)和用于对U型换热盘管(21)内的流量进行调节的电磁流量调节阀(20)，以及设置在各层U型换热盘管(21)出口处的且用于对U型换热盘管(21)出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器(19)和用于对U型换热盘管(21)内的温度进行调节的电磁温度调节阀(22)；每层所述U型换热盘管(21)的入口均通过供水管三通阀(16-2)与供水管(12)连接，每层所述U型换热盘管(21)的出口均通过回水管三通阀(16-1)与回水管(14)连接；位于底层的U型换热盘管(21)的入口处设置有供水管截止阀(18-1)，位于底层的U型换热盘管(21)的出口处设置有回水管截止阀(18-2)；所述集水器温度传感器(15)、底层胶结充填体温度传感器(6)、U型换热盘管入口温度传感器(8)和U型换热盘管出口温度传感器(19)均与控制器(7)的输入端连接，所述分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)、循环水泵(10)、电磁流量调节阀(20)、电磁温度调节阀(22)、供水管三通阀(16-2)、回水管三通阀(16-1)、供水管截止阀(18-1)和回水管截止阀(18-2)均与控制器(7)的输出端连接。


2.按照权利要求1所述的深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，其特征在于：每条分水支路(5)上均设置有流量传感器(11)和压力表(13)，所述流量传感器(11)和压力表(13)的输出端均与控制器(7)的输入端连接。


3.按照权利要求1所述的深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统，其特征在于：垂直铺设在采热充填体(24)内的U型换热盘管(21)在竖直方向上呈蛇形布设。


4.一种采用如权利要求1所述优化系统进行深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、计算底层U型换热盘管(21)的效能，具体过程为：
步骤101、控制器(7)控制分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)和循环水泵(10)打开，控制底层的供水管截止阀(18-1)、回水管截止阀(18-2)、电磁温度调节阀(22)和电磁流量调节阀(20)打开，并控制回水管三通阀(16-1)的支路侧和主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀(16-2)的主路侧和回水管三通阀(16-1)的主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀(16-2)的支路侧和回水管三通阀(16-1)的支路侧关闭，通过地埋管分水器(1)和分水支路(5)向供水管(12)通入低温水，低温水只流入底层的U型换热盘管(21)内，与不断吸收深井围岩(23)热量的胶结充填体(24)进行换热；
步骤102、定义底层的U型换热盘管(21)为第0层，底层的U型换热盘管入口温度传感器(8)对流体在底层的U型换热盘管(21)入口处的温度tin-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，底层的U型换热盘管出口温度传感器(19)对流体在底层的U型换热盘管(21)出口处的温度tout-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，底层胶结充填体温度传感器(6)对底层的胶结充填体(24)的温度tbackfill-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，控制器(7)根据公式计算得到底层U型换热盘管(21)的效能ε0；
步骤二、控制器(7)控制底层向上第k层的供水...

【专利技术属性】
技术研发人员：郇超，刘浪，李圣腾，张波，周文武，李涛，赵玉娇，王美，张小艳，侯东壮，于群，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61