CN104074691A - 一种低排放温度的地热能耦合发电循环***及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于它包括相互耦合的氨水动力发电循环单元和低沸点工质动力循环单元；其工作方法为地热水流入、回灌、做功、放热、混合吸收、冷凝、循环、热量回收；其优越性在于：***运行效率和稳定性高；有效地提高中低温地热水的利用率，降低热污染；成本合理，热效率提高；应用价值高。

Description

一种低排放温度的地热能耦合发电循环***及其工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种热能转换与利用技术，尤其是完全利用地热进行发电的低排放温度的地热能耦合发电循环***及其工作方法。

(二)背景技术：

目前，中低温发电技术是能源开发领域的研究热点和产业化推广方向，由于中低温地热能的能源品位较低，使得其利用方式较为单一且利用效率无法提高。目前中低温地热发电循环***越来越受到关注，充分利用低品位热能是地热发电循环***的主要优化目标。目前Kalina和ORC发电循环***的稳定性较好且受到的关注度较高。Kalina发电循环的主要优势在于运行效率较高，且工质环保性较好。但其利用的地热资源的温度范围有限，利用后的地热水的温度依然较高。同时稀溶液的温度较高，增大了高温回热器的负担。另一种关注度较高的ORC发电循环***应用范围较广，安全性和稳定性都得到了广泛的认可，尤为突出的是其可利用的热源温度较低，大大增加了可用资源的范围。但ORC发电循环的建设成本略高，且ORC发电循环工质恒温蒸发的特点，使得在特定工质条件下不可逆损失依然较大。因此提出一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，将两种循环的优势结合起来，可以有效地提高地热资源的利用率，并提高发电循环***的运行效率和稳定性。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种低排放温度的地热能耦合发电循环***及其工作方法，它可以解决上述问题，是一种结构简单、易实现的可以提高中低温地热发电循环的效率和稳定性的***。

本发明的技术方案：一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于它包括相互耦合的氨水动力发电循环单元和低沸点工质动力循环单元；其中，所述其中氨水动力循环单元由发生器、分离器、汽轮机I、高温回热器、减压阀、吸收器、冷凝器I、工质泵I组成；所述低沸点工质动力循环单元由汽轮机II、冷凝器II、工质泵II、预热器组成；其中，所述发生器与分离器呈串联连接；所述分离器的上部与汽轮机I连接，其下部与高温回热器及减压阀依次串联；所述减压阀与汽轮机I相互并联，且串接于吸收器的两端；所述吸收器与冷凝器I、工质泵I和发生器1依次呈串联相接；所述预热器与高温回热器、汽轮机II、冷凝器II和工质泵II呈串接连接；所述预热器与发生器连接。

所述发生器的热水侧入口流入高温热水；所述发生器的氨水工质侧与分离器的入口端呈串联连接；所述分离器的上部氨气出口与汽轮机I的入口连接，其下部的稀氨水出口与高温回热器的高温氨水侧入口及减压阀的入口依次串联；所述减压阀的出口与汽轮机I的出口相互并联，且串接于吸收器的入口两端；所述吸收器的出口端与冷凝器I的入口端、工质泵I的入口端和发生器的入口端依次呈串联相接；所述冷凝器I的入口流入冷却水，通过冷凝器I的出口排出；所述冷凝器II的入口也流入冷却水，通过冷凝器II的出口流出；所述预热器的热水侧与发生器的热水出口连接；所述预热器的出口端与高温回热器的低温侧入口串联；所述预热器的出口排放利用后的地热水；所述预热器的入口端与工质泵II连接；所述高温回热器低温侧出口与汽轮机II、冷凝器II和工质泵II呈串接连接。

所述氨水动力发电循环单元的循环工质为氨水混合物。

所述氨水动力发电循环单元中汽轮机I环路内循环物质为氨水混合工质；所述低沸点工质动力循环单元中汽轮机II环路内循环物质为低沸点物质。

所述低沸点物质是氟利昂。

所述高温回热器采用壳管式换热器，内部换热管路采用碳钢材料，管路采用高效螺旋换热管。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***的高温回热器、吸收器、冷凝器I、冷凝器II、预热器的外侧均包有严密的保温材料。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***，其地热水可采用中温地热水田中的地热水，其温度为90-150℃。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***的工质泵I8、工质泵II驱动所需电能由汽轮发电机组I和汽轮发电机组II提供。

一种低排放温度的地热能耦合发电循环***的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①中低温地热水流入发生器中加热氨水动力发电循环单元中工质泵中的氨水混合溶液，地热尾水从发生器排出后进入预热器加热低沸点工质后回灌；

②发生器工质侧与分离器串联相接，分离器的气体与汽轮机I串联，分离后的气体进入汽轮机I做功；

③分离器下部管路与高温回热器串联，稀氨水溶液进入高温回热器中放出热量，再次加热低沸点工质；

④高温回热器和汽轮机I并联接于吸收器和冷凝器I，来自高温回热器的稀氨水溶液与汽轮机I排出的乏气混合、吸收，随之进入冷凝器I中冷凝，吸收过程放出的热量由冷凝器I排放到环境中；

⑤冷凝器I、工质泵I与发生器串联相接，经冷凝器I冷却后的氨水混合工质由工质泵I加压后，再次送入发生器中完成下一次循环；

⑥高温回热器、汽轮机II、冷凝器II、工质泵II和预热器串联相接，与氨水混合工质循环并联；

⑦经过高温回热器加热后的低沸点工质进入汽轮机II中发电做功，做功后的低沸点工质进入冷凝器II冷凝为液体状态，随后进入工质泵II中加压；

⑧加压后的低沸点工质通过预热器吸收来自地热尾水的热量，充分利用中低温地热水，同时实现低温热能的回收。

本发明的工作原理：利用较低温度的地热尾水加热***内的低沸点工质，高温回热器中温度较高的稀溶液再次加热低沸点工质，提升工质的温度品位和做功能力；两个动力循环过程组成了低排放温度的地热能耦合发电循环***，分别采用各自循环工质共同组成中低温地热发电循环，将两种循环的优势集中起来，提高中低温地热发电循环的运行效率和应用的稳定性。

本发明的优越性在于：1、采用能量、质量守恒原理，在低成本投入的前提下，发明了低排放温度的地热能耦合发电循环***；2、结合了主流中低温地热发电循环***的优势和特点，保证了***运行效率和稳定性，可有效地提高中低温地热水的利用率，降低地热水的排放温度并减小对环境的热污染；3、耦合发电循环***采用的均为应用较为成熟的装置、部件，没有特殊制造的设备部件，且不会显著增加制造成本；4、充分利用氨水工质的变温蒸发的特性，提高***的热效率；5、采用此循环***对环境不会造成任何影响，且在中低温地热电站的推广具有一定应用价值。

(四)附图说明：

附图为本发明所涉一种低排放温度的地热能耦合发电循环***的结构框图。

其中，1为发生器；1-1为发生器的热水侧入口；1-2为发生器的热水出口；1-3为发生器的入口端；1-4为发生器的氨水工质侧；2为分离器；2-1为分离器的入口端；2-2为分离器的上部氨气出口；2-3为下部的稀氨水出口；3为汽轮机I3；4为高温回热器；4-1为高温氨水侧入口；4-2为减压阀的入口；4-3为高温回热器的低温侧入口；4-4为高温回热器的低温侧出口；5为减压阀；6为吸收器；6-1为减压阀的出口；6-2为汽轮机I的出口；6-3为吸收器的出口端；7为冷凝器I；7-1为冷凝器I的入口端；7-2为工质泵I的入口端；7-3为冷凝器I的入口；7-4为冷凝器I的出口；8为工质泵I；9为汽轮机II；10为冷凝器II；10-3为冷凝器II入口；10-4为冷凝器II出口；11为工质泵II；12为预热器12；12-1为预热器的热水侧；12-2为预热器的出口；12-3为预热器的入口端；12-4为预热器的出口端。

(五)具体实施方式：

实施例：一种低排放温度的地热能耦合发电循环***(见图1)，其特征在于它包括相互耦合的氨水动力发电循环单元和低沸点工质动力循环单元；其中，所述其中氨水动力循环单元由发生器1、分离器2、汽轮机I3、高温回热器4、减压阀5、吸收器6、冷凝器I7、工质泵I8组成；所述低沸点工质动力循环单元由汽轮机II9、冷凝器II10、工质泵II11、预热器12组成；其中，所述发生器1与分离器2呈串联连接；所述分离器2的上部与汽轮机I3连接，其下部与高温回热器4及减压阀5依次串联；所述减压阀5与汽轮机I3相互并联，且串接于吸收器6的两端；所述吸收器6与冷凝器I7、工质泵I8和发生器1依次呈串联相接；所述预热器12与高温回热器4、汽轮机II9、冷凝器II10和工质泵II11呈串接连接；所述预热器12与发生器1连接。

所述发生器1的热水侧入口1-1流入高温热水；所述发生器1的氨水工质侧1-4与分离器2的入口端2-1呈串联连接；所述分离器2的上部氨气出口2-2与汽轮机I3的入口连接，其下部的稀氨水出口2-3与高温回热器4的高温氨水侧入口4-1及减压阀5的入口4-2依次串联；所述减压阀5的出口6-1与汽轮机I3的出口6-2相互并联，且串接于吸收器6的入口两端；所述吸收器6的出口端6-3与冷凝器I7的入口端7-1、工质泵I8的入口端7-2和发生器1的入口端1-3依次呈串联相接；所述冷凝器I7的入口7-3流入冷却水，通过冷凝器I7的出口7-4排出；所述冷凝器II10的入口10-3也流入冷却水，通过冷凝器II10的出口10-4流出；所述预热器12的热水侧12-1与发生器1的热水出口1-2连接；所述预热器12的出口端12-4与高温回热器4的低温侧入口4-3串联；所述预热器12的出口12-2排放利用后的地热水；所述预热器12的入口端12-3与工质泵II11连接；所述高温回热器4低温侧出口4-4与汽轮机II9、冷凝器II10和工质泵II11呈串接连接(见图1)。

所述氨水动力发电循环单元的循环工质为氨水混合物。

所述氨水动力发电循环单元中汽轮机I1环路内循环物质为氨水混合工质；所述低沸点工质动力循环单元中汽轮机II9环路内循环物质为低沸点物质。

所述低沸点物质是氟利昂。

所述高温回热器4采用壳管式换热器，内部换热管路采用碳钢材料，管路采用高效螺旋换热管。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***的高温回热器4、吸收器6、冷凝器I7、冷凝器II10、预热器12的外侧均包有严密的保温材料。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***，其地热水可采用中温地热水田中的地热水，其温度为120℃。

所述低排放温度的地热能耦合发电循环***的工质泵I8、工质泵II11驱动所需电能由汽轮发电机组I3和汽轮发电机组II9提供(见图1)。

一种低排放温度的地热能耦合发电循环***的工作方法(见图1)，其特征在于它包括以下步骤：

①中低温地热水流入发生器1中加热氨水动力发电循环单元中工质泵中的氨水混合溶液，地热尾水从发生器1排出后进入预热器12加热低沸点工质后回灌；

②发生器1工质侧与分离器2串联相接，分离器2的气体与汽轮机I3串联，分离后的气体进入汽轮机I3做功；

③分离器2下部管路与高温回热器4串联，稀氨水溶液进入高温回热器4中放出热量，再次加热低沸点工质；

④高温回热器4和汽轮机I3并联接于吸收器6和冷凝器I7，来自高温回热器4的稀氨水溶液与汽轮机I3排出的乏气混合、吸收，随之进入冷凝器I7中冷凝，吸收过程放出的热量由冷凝器I7排放到环境中；

⑤冷凝器I7、工质泵I8与发生器1串联相接，经冷凝器I7冷却后的氨水混合工质由工质泵I8加压后，再次送入发生器1中完成下一次循环；

⑥高温回热器4、汽轮机II9、冷凝器II10、工质泵II11和预热器12串联相接，与氨水混合工质循环并联；

⑦经过高温回热器4加热后的低沸点工质进入汽轮机II9中发电做功，做功后的低沸点工质进入冷凝器II10冷凝为液体状态，随后进入工质泵II11中加压；

⑧加压后的低沸点工质通过预热器12吸收来自地热尾水的热量，充分利用中低温地热水，同时实现低温热能的回收。

Claims (10)

1.一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于它包括相互耦合的氨水动力发电循环单元和低沸点工质动力循环单元；其中，所述其中氨水动力循环单元由发生器、分离器、汽轮机I、高温回热器、减压阀、吸收器、冷凝器I、工质泵I组成；所述低沸点工质动力循环单元由汽轮机II、冷凝器II、工质泵II、预热器组成；其中，所述发生器与分离器呈串联连接；所述分离器的上部与汽轮机I连接，其下部与高温回热器及减压阀依次串联；所述减压阀与汽轮机I相互并联，且串接于吸收器的两端；所述吸收器与冷凝器I、工质泵I和发生器1依次呈串联相接；所述预热器与高温回热器、汽轮机II、冷凝器II和工质泵II呈串接连接；所述预热器与发生器连接。

2.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述发生器的热水侧入口流入高温热水；所述发生器的氨水工质侧与分离器的入口端呈串联连接；所述分离器的上部氨气出口与汽轮机I的入口连接，其下部的稀氨水出口与高温回热器的高温氨水侧入口及减压阀的入口依次串联；所述减压阀的出口与汽轮机I的出口相互并联，且串接于吸收器的入口两端；所述吸收器的出口端与冷凝器I的入口端、工质泵I的入口端和发生器的入口端依次呈串联相接；所述冷凝器I的入口流入冷却水，通过冷凝器I的出口排出；所述冷凝器II的入口也流入冷却水，通过冷凝器II的出口流出；所述预热器的热水侧与发生器的热水出口连接；所述预热器的出口端与高温回热器的低温侧入口串联；所述预热器的出口排放利用后的地热水；所述预热器的入口端与工质泵II连接；所述高温回热器低温侧出口与汽轮机II、冷凝器II和工质泵II呈串接连接。

3.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述氨水动力发电循环单元的循环工质为氨水混合物。

4.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述氨水动力发电循环单元中汽轮机I环路内循环物质为氨水混合工质；所述低沸点工质动力循环单元中汽轮机II环路内循环物质为低沸点物质。

5.根据权利要求4所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述低沸点物质是氟利昂。

6.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述高温回热器采用壳管式换热器，内部换热管路采用碳钢材料，管路采用高效螺旋换热管。

7.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述低排放温度的地热能耦合发电循环***的高温回热器、吸收器、冷凝器I、冷凝器II、预热器的外侧均包有严密的保温材料。

8.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述低排放温度的地热能耦合发电循环***，其地热水可采用中温地热水田中的地热水，其温度为90-150℃。

9.根据权利要求1所述一种低排放温度的地热能耦合发电循环***，其特征在于所述工质泵I8、工质泵II驱动所需电能由汽轮发电机组I和汽轮发电机组II提供。

10.一种低排放温度的地热能耦合发电循环***的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①中低温地热水流入发生器中加热氨水动力发电循环单元中工质泵中的氨水混合溶液，地热尾水从发生器排出后进入预热器加热低沸点工质后回灌；

②发生器工质侧与分离器串联相接，分离器的气体与汽轮机I串联，分离后的气体进入汽轮机I做功；

③分离器下部管路与高温回热器串联，稀氨水溶液进入高温回热器中放出热量，再次加热低沸点工质；

④高温回热器和汽轮机I并联接于吸收器和冷凝器I，来自高温回热器的稀氨水溶液与汽轮机I排出的乏气混合、吸收，随之进入冷凝器I中冷凝，吸收过程放出的热量由冷凝器I排放到环境中；

⑤冷凝器I、工质泵I与发生器串联相接，经冷凝器I冷却后的氨水混合工质由工质泵I加压后，再次送入发生器中完成下一次循环；

⑥高温回热器、汽轮机II、冷凝器II、工质泵II和预热器串联相接，与氨水混合工质循环并联；

⑦经过高温回热器加热后的低沸点工质进入汽轮机II中发电做功，做功后的低沸点工质进入冷凝器II冷凝为液体状态，随后进入工质泵II中加压；

⑧加压后的低沸点工质通过预热器吸收来自地热尾水的热量，充分利用中低温地热水，同时实现低温热能的回收。