СИСТЕМА И ПРОЦЕСС МНОГОУРОВНЕВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ И ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
SYSTEM AND PROCESS OF MULTILEVEL COOLING OF DEEP WELL AND GEOTHERMAL USE

Область техники
Настоящее изобретение относится к технической области разработки ресурсов на больших глубинах в угольных шахтах, в частности к системе и процессу многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования.
Уровень техники
В связи с истощением ресурсов в неглубоких угольных шахтах в Китае крайне важной становится разработка ресурсов глубоких угольных шахт. Однако при увеличении глубины добычи угля температура земли повышается. В случае, когда глубина ствола шахты превышает 1000 м, температура земли обычно составляет более 50°С. Проблема теплового повреждения, вызываемая высокой температурой земли, оказывает сильное влияние на физическое и психическое здоровье шахтеров и ограничивает безопасную и эффективную работу угольных шахт.
В настоящее время существует два способа охлаждения глубокой части ствола шахты: один из способов заключается в установке крупномасштабной системы охлаждения на поверхности земли, доставке блоков льда или холодной воды по специальному трубопроводу в подземную часть и ее последующую доставку обратно на поверхность земли после выполнения теплового обмена в забое, для повторного охлаждения, чтобы снизить температуру в забое. Однако данный способ требует больших капиталовложений в систему и дорогостоящего оборудования, глубина ствола шахты является большой, подъем и транспортировку выполнять сложно, эксплуатационные затраты являются очень высокими и эффективность теплового обмена является низкой, поскольку в качестве среды для теплового обмена используется вода, поэтому требования к стволу шахты большого размера не могут быть удовлетворены; другой способ заключается в использовании локальных средств охлаждения и обеспечении охлаждения путем оптимизации плана забоя и схемы вентиляции и размещения локального охладительного оборудования и т.д., однако данный способ имеет низкую эффективность и плохой охлаждающий эффект и применим только в случае небольших объемов забоя.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения: для преодоления недостатков предшествующего уровня техники настоящее изобретение обеспечивает систему и процесс многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования. Система представляет собой систему, которая использует множество горизонтов глубокой скважины для охлаждения шахты и использования геотермального тепла и обладает преимуществами, включая низкие стоимость оборудования и эксплуатационные расходы, широкий диапазон охлаждения, превосходный охлаждающий эффект, высокий коэффициент использования геотермального тепла, низкое энергопотребление, высокую безопасность и надежность и т.д.
Техническое решение: для решения задачи, описанной выше, настоящее изобретение использует следующее техническое решение:
систему многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования, включающую систему регенерации тепла глубокой скважины, систему поверхностного теплообмена и систему подъема высокотемпературной воды, которые размещены в глубокой скважине последовательно снизу вверх;
система регенерации тепла глубокой скважины расположена на глубоком горизонте ствола шахты, выполнена с возможностью аккумулирования тепла в глубокой скважине и содержит трубопровод для поглощения тепла, трубопровод для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, соединенный с впускным концом трубопровода для поглощения тепла, и трубопровод для подъема жидкого теплоносителя, соединенный с выпускным концом трубопровода для поглощения тепла; на трубопроводе для подъема жидкого теплоносителя предусмотрен водяной насос;
система поверхностного теплообмена расположена на неглубоком горизонте ствола шахты, выполнена с возможностью использования тепла, аккумулированного системой регенерации тепла глубокой скважины, для нагрева воды, и содержит бассейн для накапливания тепла и трубопровод для рассеяния тепла, размещенный внутри бассейна для накапливания тепла, для нагрева бассейна для накапливания тепла, причем впускной конец трубопровода для рассеяния тепла соединен с трубопроводом для подъема жидкого теплоносителя, а выпускной конец трубопровода для рассеяния тепла соединен с трубопроводом для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении; бассейн для накапливания тепла находится в замкнутом пространстве и снаружи конца для впуска воды бассейна для накапливания тепла предусмотрены насос для впуска воды и клапан для впуска воды;
верхняя и нижняя части системы подъема высокотемпературной воды соединены с поверхностью земли и системой поверхностного теплообмена, соответственно, причем система подъема высокотемпературной воды выполнена с возможностью подъема горячей воды, нагретой в системе поверхностного теплообмена, на поверхность земли и содержит клапан для выпуска воды и снаружи бассейна для накапливания тепла предусмотрен трубопровод для подъема высокотемпературной воды, причем клапан для выпуска воды соединен с насосом для выпуска воды, расположенным снаружи бассейна для накапливания тепла; поверхность земли соединена с системой использования горячей воды.
Кроме того, глубокий горизонт ствола шахты находится на 2 000 м ниже поверхности земли или глубже, а неглубокий горизонт ствола шахты находится на 800 - 1 000 м ниже поверхности земли.
Кроме того, трубопровод для поглощения тепла является замкнутым трубопроводом, в котором жидкий теплоноситель использует воду в качестве распределяющей среды и использует микрочастицы материала с фазовым переходом в качестве теплопоглощающего материала, причем материал с фазовым переходом определяется в соответствии с температурными условиями земли на глубоком горизонте, температура фазового перехода ниже температуры земли на глубоком горизонте на 5-10°С, диаметр микрочастиц материала с фазовым переходом распределен в середине диапазона от 1 до 5 мкм и их концентрация в жидком теплоносителе составляет от 50 до 60%.
Кроме того, на трубопроводе для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении расположен расходомер.
Кроме того, на трубопроводе для поглощения тепла расположены датчики температуры.
Кроме того, в бассейне для накапливания тепла предусмотрены датчик температуры и измеритель уровня жидкости.
Кроме того, клапан для выпуска воды соединен с расходомером, размещенным внутри бассейна для накапливания тепла.
Кроме того, система регенерации тепла глубокой скважины применяется к рабочему забою выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, трубопровод для поглощения тепла состоит из линейного участка, закрепленного по центру свода горной выработки, возвратного участка, расположенного по центру свода соединяющей выработки в рабочем забое выработки с цементированным заполнением, и соединяющего участка, который находится вблизи угольного забоя и соединяет трубопровод в двух соединяющих выработках рабочего забоя; интервал между трубопроводами в двух соединяющих выработках рабочего забоя зависит от процесса цементирующего заполнения выработки, и обычно составляет от 20 до 40 метров.
Кроме того, трубопровод для рассеяния тепла расположен в нижней части бассейна для накапливания тепла на расстоянии 0,5 м от дна бассейна, причем трубопровод расположен по S-образной кольцевой схеме с интервалом в 10 метров. Конкретные размеры трубопровода для рассеяния тепла связаны с размерами бассейна для накапливания тепла и могут определяться на основе требуемого количества тепла в соответствии с фактическими обстоятельствами.
Технологический процесс системы многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования, описанной выше, включает следующие этапы:
1) применение системы регенерации тепла глубокой скважины к рабочему забою выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, установку трубопровода для поглощения тепла по центру свода выработки, соединяющей рабочие забои, одновременно с крепежными работами после проходки в соединяющей выработке рабочего забоя выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, и соединение трубопровода для поглощения тепла между двумя смежными соединяющими выработками рабочего забоя после того, как проходка в соединяющих выработках рабочего забоя завершена;
2) соединение впускного конца трубопровода (5) для поглощения тепла с трубопроводом для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, соединение выпускного конца трубопровода для поглощения тепла с трубопроводом для подъема жидкого теплоносителя и соединение верхнего конца трубопровода для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении и верхнего конца трубопровода для подъема жидкого теплоносителя с трубопроводом для рассеяния тепла в бассейне для накапливания тепла системы поверхностного теплообмена, для образования замкнутой кольцевой системы после выполнения проходки в первой циркуляционной соединяющей выработке в рабочем забое в соответствии с процессом цементирующего заполнения выработки;
3) выбор материала с фазовым переходом с соответствующей температурой фазового перехода в соответствии с фактическими температурными условиями земли на глубоком горизонте, подготовку материала с фазовым переходом в жидком теплоносителе с определенной концентрацией, добавление жидкого теплоносителя в весь трубопровод, поглощение тепла при помощи трубопровода для поглощения тепла на глубоком горизонте, использование датчиков температуры для контроля температуры жидкого теплоносителя в трубопроводе, запуск водяного насоса для выполнения прокачивания, когда температура поднимается до заданного значения после определенного периода поглощения тепла, прокачивание нагретого жидкого теплоносителя в трубопроводе для поглощения тепла к трубопроводу для рассеяния тепла в бассейне для накапливания тепла и прокачивание охлажденного жидкого теплоносителя в трубопроводе для рассеяния тепла к трубопроводу для поглощения тепла;
4) контроль температуры воды в бассейне для накапливания тепла при помощи датчика температуры, запуск насоса для выпуска воды после того, как трубопровод для рассеяния тепла нагреет воду в бассейне для накапливания тепла до определенной температуры, чтобы поднять горячую воду при помощи системы подъема высокотемпературной воды на поверхность земли для использования системой использования горячей воды на поверхности земли, управление уровнем воды в бассейне для накапливания тепла при помощи измерителя уровня жидкости, запуск насоса для впуска воды, когда уровень воды падает до нижнего предела для подачи холодной воды в бассейн для накапливания тепла;
5) повторение этапов 3) - 4) для преобразования геотермальной энергии в тепловую энергию воды для долгосрочного использования на множестве горизонтов ствола глубокой шахты.
Преимущества: по сравнению с предшествующим уровнем техники система и процесс многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования, предложенные в настоящем изобретении, имеют следующие преимущества:
(1) Множество горизонтов ствола шахты используются для преобразования геотермального тепла в тепловую энергию воды, чтобы уменьшить стоимость оборудования и трудности при подъеме и транспортировке, а также облегчить работу пользователя на поверхности земли;
(2) Сооружение теплообменного бассейна под землей, а не на поверхности земли, может обеспечить лучшее накапливание тепла и изолирующий эффект и уменьшить термические потери;
(3) Жидкий теплоноситель использует воду в качестве распределяющей среды, и использует микрочастицы материала с фазовым переходом в качестве теплопоглощающего материала, и по сравнению со случаем, когда используется только вода или лед, способность поглощения тепла выше, эффективность выше и геотермальное тепло в глубокой скважине может поглощаться полностью;
(4) Материал с фазовым переходом используется в подземном бассейне для рассеяния тепла без механического охлаждения; таким образом, стоимость охлаждения значительно снижается;
(5) Трубопровод для поглощения тепла монтируется одновременно с проходкой в рабочем забое выработки с цементированным заполнением, схема трубопровода является простой и покрытие широким, износ трубопровода является низким и систему можно использовать в течение длительного времени даже после того, как проходка в рабочем забое завершена.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена принципиальная схема всей структуры системы по настоящему изобретению;
На фиг.2 представлена принципиальная схема всей конструкции системы по настоящему изобретению;
На фиг.3 представлена принципиальная схема глубокой скважины системы регенерации тепла по настоящему изобретению;
На чертежах: 1 - система регенерации тепла глубокой скважины; 2 - система поверхностного теплообмена; 3 - система подъема высокотемпературной воды; 4 - поверхность земли; 5 - трубопровод для поглощения тепла; 6-1 - трубопровод для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении; 6-2 - трубопровод для подъема жидкого теплоносителя; 7-1 - датчик температуры; 7-2 - датчик температуры; 7-3 - датчик температуры; 8-1 - расходомер; 8-2 - расходомер; 9 - водяной насос; 10 - бассейн для накапливания тепла; 11 - трубопровод для рассеяния тепла; 12-1 - насос для впуска воды; 12-2 - насос для выпуска воды; 13-1 - клапан для впуска воды; 13-2 - клапан для выпуска воды; 14 - измеритель уровня жидкости; 15 - трубопровод для подъема высокотемпературной воды.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение раскрывает систему и процесс многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования. Данная система содержит систему регенерации тепла глубокой скважины, систему поверхностного теплообмена и систему подъема высокотемпературной воды. Система регенерации тепла глубокой скважины содержит трубопровод для поглощения тепла, трубопровод для подъема жидкого теплоносителя, трубопровод для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, водяной насос и датчик температуры; система поверхностного теплообмена содержит трубопровод для рассеяния тепла, бассейн для накапливания тепла, насос для впуска воды, клапан для впуска воды, датчик температуры и измеритель уровня жидкости; система подъема высокотемпературной воды содержит насос для выпуска воды, расходомер, клапан для выпуска воды и трубопровод для подъема высокотемпературной воды. Жидкий теплоноситель использует воду в качестве распределяющей среды и материал с фазовым переходом в качестве теплопоглощающего материала; таким образом, эффективность и объем регенерации тепла значительно улучшаются. Система, предлагаемая в настоящем изобретении, имеет простую конструкцию, может использоваться в течение длительного времени, использует ствол шахты для многоуровневого непрерывного охлаждения и обеспечивает значительный эффект, широкий диапазон охлаждения, высокую степень использования геотермальной энергии и низкое удельное энергопотребление, тем самым эффективно решая проблему чрезмерно высокой температуры в угольном рабочем забое в глубокой скважине и обеспечивая рабочим комфортные условия работы на глубине.
Далее настоящее изобретение будет дополнительно подробно описано в вариантах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Как показано на фиг.1, система многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования содержит систему 1 регенерации тепла глубокой скважины, систему 2 поверхностного теплообмена и систему 3 подъема высокотемпературной воды;
система 1 регенерации тепла глубокой скважины расположена на глубоком горизонте ствола шахты на 2 000 м или более под землей и содержит трубопровод 5 для поглощения тепла, трубопровод 6-1 для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, соединенный с впускным концом трубопровода 5 для поглощения тепла, и трубопровод 6-2 для подъема жидкого теплоносителя, соединенный с выпускным концом трубопровода 5 для поглощения тепла; на трубопроводе для поглощения тепла предусмотрены датчики 7-1 и 7-2 температуры, на трубопроводе 6-1 для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении предусмотрен расходомер 8-1 и на трубопроводе для подъема жидкого теплоносителя предусмотрен водяной насос 9;
система 2 поверхностного теплообмена расположена на неглубоком горизонте ствола шахты на глубине 800 - 1 000 м под землей и содержит бассейн 10 для накапливания тепла и трубопровод 11 для рассеяния тепла для нагрева бассейна 10 для накапливания тепла, причем бассейн 10 для накапливания тепла находится в замкнутом пространстве, на конце для впуска воды бассейна для накапливания тепла предусмотрен насос 12-1 для впуска воды и клапан для впуска воды 13-1 и в бассейне предусмотрены датчик 7-3 температуры и измеритель 14 уровня жидкости;
система 3 подъема высокотемпературной воды соединяет систему 2 поверхностного теплообмена с поверхностью 4 земли и содержит клапан 13-2 для выпуска воды и трубопровод 15 для подъема высокотемпературной воды, причем клапан 13-2 для выпуска воды соединен с расходомером 8-2 и насосом 12-2 для выпуска воды и система использования горячей воды присоединена на поверхности 4 земли.
трубопровод 5 для поглощения тепла является замкнутым трубопроводом, в котором жидкий теплоноситель использует воду в качестве распределяющей среды и использует микрочастицы материала с фазовым переходом в качестве теплопоглощающего материала, причем материал с фазовым переходом определяется в соответствии с температурными условиями земли на глубоком горизонте, температура фазового перехода ниже температуры земли на глубоком горизонте на 5-10°С, диаметр микрочастиц материала с фазовым переходом распределен в середине диапазона от 1 до 5 мкм и их концентрация в жидком теплоносителе составляет от 50 до 60%.
Система 1 регенерации тепла глубокой скважины применяется к рабочему забою выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, трубопровод 5 для поглощения тепла состоит из линейного участка, закрепленного по центру свода горной выработки, возвратного участка, расположенного по центру свода соединяющей выработки в рабочем забое выработки с цементированным заполнением, и соединяющего участка, который находится вблизи угольного забоя и соединяет трубопровод в двух соединяющих выработках рабочего забоя; интервал между трубопроводами в двух соединяющих выработках рабочего забоя зависит от процесса цементирующего заполнения выработки и обычно составляет от 20 до 40 метров.
Трубопровод 11 для рассеяния тепла расположен в нижней части бассейна для накапливания тепла на расстоянии 0,5 м от дна бассейна и трубопровод расположен по S-образной кольцевой схеме с интервалом 10 метров.
Трубопровод 6-1 для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, трубопровод 6-2 для подъема жидкого теплоносителя и трубопровод 15 для подъема высокотемпературной воды выполнены из теплоизоляционного материала для уменьшения тепловых потерь текучей среды в процессе транспортировки.
Технологический процесс системы многоуровневого охлаждения глубокой скважины и геотермального использования по настоящему изобретению включает следующие этапы:
1) применение системы 1 регенерации тепла глубокой скважины к рабочему забою выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, установку трубопровода 5 для поглощения тепла по центру свода выработки, соединяющей рабочие забои, одновременно с крепежными работами после проходки в соединяющей выработке рабочего забоя выработки с цементированным заполнением в глубокой скважине, и соединение трубопровода для поглощения тепла между двумя смежными соединяющими выработками рабочего забоя после того, как проходка в соединяющих выработках рабочего забоя завершена;
2) соединение впускного конца трубопровода (5) для поглощения тепла с трубопроводом 6-1 для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении, соединение выпускного конца трубопровода 5 для поглощения тепла с трубопроводом 6-2 для подъема жидкого теплоносителя и соединение верхнего конца трубопровода 6-1 для подачи жидкого теплоносителя в нижнем направлении и верхнего конца трубопровода 6-2 для подъема жидкого теплоносителя с трубопроводом 11 для рассеяния тепла в бассейне 10 для накапливания тепла системы 2 поверхностного теплообмена для образования замкнутой кольцевой системы после выполнения проходки в первой циркуляционной соединяющей выработке в рабочем забое в соответствии с процессом цементирующего заполнения выработки;
3) выбор материала с фазовым переходом с соответствующей температурой фазового перехода в соответствии с фактическими температурными условиями земли на глубоком горизонте, подготовку материала с фазовым переходом в жидком теплоносителе с определенной концентрацией, добавление жидкого теплоносителя в весь трубопровод, поглощение тепла при помощи трубопровода 5 для поглощения тепла на глубоком горизонте, использование датчиков 7-1 и 7-2 температуры для контроля температуры жидкого теплоносителя в трубопроводе, запуск водяного насоса 9 для выполнения прокачивания, когда температура поднимается до заданного значения после определенного периода поглощения тепла, прокачивание нагретого жидкого теплоносителя в трубопроводе 5 для поглощения тепла к трубопроводу 11 для рассеяния тепла в бассейне 10 для накапливания тепла и прокачивание охлажденного жидкого теплоносителя в трубопроводе 11 для рассеяния тепла к трубопроводу 5 для поглощения тепла;
4) контроль температуры воды в бассейне 10 для накапливания тепла при помощи датчика 7-3 температуры, запуск насоса 12-2 для выпуска воды после того, как трубопровод 11 для рассеяния тепла нагреет воду в бассейне 10 для накапливания тепла до определенной температуры, чтобы поднять горячую воду при помощи системы 3 подъема высокотемпературной воды на поверхность 4 земли для использования системой использования горячей воды на поверхности земли, управление уровнем воды в бассейне 10 для накапливания тепла при помощи измерителя 14 уровня жидкости, запуск насоса 12-1 для впуска воды, когда уровень воды падает до нижнего предела, для подачи холодной воды в бассейн 10 для накапливания тепла;
5) повторение этапов 3) - 4) для преобразования геотермальной энергии в тепловую энергию воды для долгосрочного использования на множестве горизонтов ствола глубокой шахты.
Хотя настоящее изобретение описано выше в некоторых предпочтительных вариантах осуществления, следует отметить, что специалисты в данной области техники могут вносить различные улучшения и модификации, не отступая от принципа настоящего изобретения, и эти улучшения и модификации следует рассматривать как попадающие в объем защиты настоящего изобретения.