一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法与流程

本发明涉及地热能开发，特别是涉及一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法。

背景技术：

1、地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源，在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。

2、早期的地热开发方案为地源热泵技术，其是一种利用浅层地热进行开采的技术方案，然而浅层地热温度低，热泵机组的开采效率低，目前主要开发深层地热能，但是在实际提取地热的运行过程中，热泵机组不能稳定运行，需要不间断的派人员对热泵机组进行值守，而且超长重力热管气态和液态工质传输的过程中存在气液工质逆向流动的热质交换，导致在地热采集过程中装置的冷凝端蒸汽温度和热流量损耗大，热管传热效率降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，从而使自动控制阀与热泵机组形成连锁控制，保证热泵机组的稳定运行，实现热泵机组的无人值守，提高管理效率。

2、一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，包括超长重力热管、气态工质管道、液态工质管道、热管冷凝器、中间换热管道和热泵机组，地热井中安装有超长重力热管，超长重力热管内的工质吸收井下热量后蒸发，工质由液态变成气态，气态工质经过气态工质管道进入热管冷凝器中冷凝，工质由气态变回成液态，并释放出热量，液态工质经过液态工质管道回流至超长重力热管中，超长重力热管内的工质往复形成热循环，中间换热管道中的换热介质将热管冷凝器中的热量输送给热泵机组，经过热泵机组提热后产出高温热水，经过循环泵输送至热用户。

3、进一步，气态工质管道上设置有自动控制阀，自动控制阀根据热泵机组的温度调节气态工质的循环流量，自动控制阀与热泵机组形成连锁控制，当中间换热介质的温度超过热泵机组的运行范围则自动控制阀减小气态工质的循环流量，当中间换热介质的温度低于热泵机组的运行范围则自动控制阀增加气态工质的循环流量。

4、进一步，热管冷凝器设置有循环水温度控制器，循环水温度控制器的温度阈值为30℃，当热管冷凝器的循环水温度高于30℃时会降低热管工质与热管冷凝器之间的换热量，气态工质管道上的自动控制阀减小气态工质的循环流量。

5、进一步，超长重力热管部分段埋设在地面以下，热管冷凝器通过工质管道与超长重力热管构成第一换热循环回路，第一换热循环回路内流动有热管工质，热管冷凝器通过中间换热管道与热泵机组构成第二换热循环回路。

6、进一步，热泵机组设置有用户侧的入口侧管道和用户侧的出口侧管道，热泵机组的用户侧的入口侧管道设有热泵压缩机，用户侧的出口侧管道设有节流阀，第二换热循环回路内流动有热泵工质，热管工质通过超长重力热管从地下热储中吸收热量形成饱和蒸气，然后在热管冷凝器中将热量传递给热泵工质并冷凝为液态，提高热泵压缩机压缩升温后进入用户侧冷凝放热。

7、进一步，第二换热循环回路设置有缓冲罐，缓冲罐设置在热泵压缩机的上游，缓冲罐的外表面覆盖有保温材料，第一换热循环回路设有液流增压泵，液流增压泵设置在热管冷凝器的液态工质管道上。

8、进一步，超长重力热管位于地下，热管冷凝器位于地面，超长重力热管包含外管与内管，外管与内管的间隙采用阶梯式分隔结构，外管与内管的间隙中设置有多个分隔板和多个液位控制管，多个分隔板在垂直方向上依次布置于超长重力热管与高温岩体接触的区域，外管与内管的间隙分隔成多个区段，两个相邻的区段通过液位控制管进行连通。

9、进一步，液位控制管为固定在分隔板上的中空管道，当分隔区段中的液位高于该管道时，液态工质通过该管道流入下一级分隔区段，使得每级分隔区段的液位维持在一定高度，液态工质通过回液管依次流入外管与内管间隙中的各级分隔区段，并透过外管的管壁从高温岩体中吸收热量，然后汽化为气态工质进入内管并上升至热管冷凝器。

10、进一步，外管内壁在分隔板下部区域设置有吸液芯，吸液芯底部浸没于液态工质中，以确保外管内壁在液位以上的区域充分润湿，内管在液位控制管顶部与上部分隔板之间的壁面上设置有若干气孔，液态工质在分隔区段中吸热汽化之后，通过气孔进入到内管并上升至热管冷凝器。

11、进一步，内管底部设有开孔，外管与内管间隙中最底部分隔区段的液态工质通过开孔流入到内管中，内管底部在管壁内侧设有上液位检测计和下液位检测计，上液位检测计位于最底部分隔区段的气孔下方，下液位检测计位于内管底部开孔上方，回液管的连接管道中设置有节流阀，通过控制节流阀的开度调节液态工质的回流量。

12、本发明的优点在于：自动控制阀与热泵机组形成连锁控制，当温度过高时气态工质管道上的自动控制阀会减小气态工质的循环流量，保证热泵机组的稳定运行，实现热泵机组的无人值守，提高管理效率；热管冷凝器通过工质管道与超长重力热管构成第一换热循环回路，热管冷凝器通过中间换热管道与热泵机组构成第二换热循环回路，超长重力热管和热泵机组的有机结合，降低超长重力热管的冷凝温度，提高采热性能降低运行成本；管道传热工质为封闭式循环，不与岩石接触，避免工质损失、管道结垢以及环境污染的问题，热管吸热段设计为阶梯式分隔结构，通过液位控制管将每个分隔区段的液位限制在一定高度，从而保证吸热段充分润湿，避免液位过高导致工质难以蒸发的问题，提高超长重力热管开采地热能时的传热效率。

技术特征：

1.一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于，包括：超长重力热管、气态工质管道、液态工质管道、热管冷凝器、中间换热管道和热泵机组，地热井中安装有超长重力热管，超长重力热管内的工质吸收井下热量后蒸发，工质由液态变成气态，气态工质经过气态工质管道进入热管冷凝器中冷凝，工质由气态变回成液态，并释放出热量，液态工质经过液态工质管道回流至超长重力热管中，超长重力热管内的工质往复形成热循环，中间换热管道中的换热介质将热管冷凝器中的热量输送给热泵机组，经过热泵机组提热后产出高温热水，经过循环泵输送至热用户。

2.根据权利要求1所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的气态工质管道上设置有自动控制阀，自动控制阀根据热泵机组的温度调节气态工质的循环流量，自动控制阀与热泵机组形成连锁控制，当中间换热介质的温度超过热泵机组的运行范围则自动控制阀减小气态工质的循环流量，当中间换热介质的温度低于热泵机组的运行范围则自动控制阀增加气态工质的循环流量。

3.根据权利要求1所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的热管冷凝器设置有循环水温度控制器，循环水温度控制器的温度阈值为30℃，当热管冷凝器的循环水温度高于30℃时会降低热管工质与热管冷凝器之间的换热量，气态工质管道上的自动控制阀减小气态工质的循环流量。

4.根据权利要求1所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的超长重力热管部分段埋设在地面以下，热管冷凝器通过工质管道与超长重力热管构成第一换热循环回路，第一换热循环回路内流动有热管工质，热管冷凝器通过中间换热管道与热泵机组构成第二换热循环回路。

5.根据权利要求1所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的热泵机组设置有用户侧的入口侧管道和用户侧的出口侧管道，热泵机组的用户侧的入口侧管道设有热泵压缩机，用户侧的出口侧管道设有节流阀，第二换热循环回路内流动有热泵工质，热管工质通过超长重力热管从地下热储中吸收热量形成饱和蒸气，然后在热管冷凝器中将热量传递给热泵工质并冷凝为液态，提高热泵压缩机压缩升温后进入用户侧冷凝放热。

6.根据权利要求4所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的第二换热循环回路设置有缓冲罐，缓冲罐设置在热泵压缩机的上游，缓冲罐的外表面覆盖有保温材料，第一换热循环回路设有液流增压泵，液流增压泵设置在热管冷凝器的液态工质管道上。

7.根据权利要求1所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的超长重力热管位于地下，热管冷凝器位于地面，超长重力热管包含外管与内管，外管与内管的间隙采用阶梯式分隔结构，外管与内管的间隙中设置有多个分隔板和多个液位控制管，多个分隔板在垂直方向上依次布置于超长重力热管与高温岩体接触的区域，外管与内管的间隙分隔成多个区段，两个相邻的区段通过液位控制管进行连通。

8.根据权利要求7所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的液位控制管为固定在分隔板上的中空管道，当分隔区段中的液位高于该管道时，液态工质通过该管道流入下一级分隔区段，使得每级分隔区段的液位维持在一定高度，液态工质通过回液管依次流入外管与内管间隙中的各级分隔区段，并透过外管的管壁从高温岩体中吸收热量，然后汽化为气态工质进入内管并上升至热管冷凝器。

9.根据权利要求7所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的外管内壁在分隔板下部区域设置有吸液芯，吸液芯底部浸没于液态工质中，以确保外管内壁在液位以上的区域充分润湿，内管在液位控制管顶部与上部分隔板之间的壁面上设置有若干气孔，液态工质在分隔区段中吸热汽化之后，通过气孔进入到内管并上升至热管冷凝器。

10.根据权利要求7所述的一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，其特征在于：所述的内管底部设有开孔，外管与内管间隙中最底部分隔区段的液态工质通过开孔流入到内管中，内管底部在管壁内侧设有上液位检测计和下液位检测计，上液位检测计位于最底部分隔区段的气孔下方，下液位检测计位于内管底部开孔上方，回液管的连接管道中设置有节流阀，通过控制节流阀的开度调节液态工质的回流量。

技术总结本发明公开了一种超长重力热管循环工质与热泵机组联动耦合控制方法，超长重力热管内的工质吸收井下热量后蒸发，工质由液态变成气态，气态工质经过气态工质管道进入热管冷凝器中冷凝，液态工质经过液态工质管道回流至超长重力热管中，超长重力热管内的工质往复形成热循环，中间换热管道中的换热介质将热管冷凝器中的热量输送给热泵机组，经过热泵机组提热后产出高温热水，经过循环泵输送至热用户。使自动控制阀与热泵机组形成连锁控制，保证热泵机组的稳定运行，实现热泵机组的无人值守，提高管理效率，降低超长重力热管的冷凝温度，避免液位过高导致工质难以蒸发的问题，提高超长重力热管开采地热能时的传热效率。技术研发人员：岳东,霍小泉,雷铁山,陈孜虎,魏路,王一凡,李展受保护的技术使用者：陕西陕煤铜川矿业有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18