CN102644565B - 海洋温差能和地热能联合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋温差能和地热能联合发电系统，它主要由蓄水池、海洋温差发电子系统、水处理子系统、注水操作台和地热发电子系统组成。冷海水管连通蓄水池，温海水管穿过低于海平面的海洋温差发电子系统后与地热发电子系统的注水井相连通。海洋温差发电子系统依靠海水的压差作用和采用高效冷凝管等技术实现全流程无泵运行，地热发电子系统采用冷海水作为冷却水源以维持更低的冷凝温度。因此本发明不仅实现了提高海洋温差净发电效率的目的，而且同时提高了地热发电效率，联合发电系统的能量利用率得到大幅度提高。

Description

海洋温差能和地热能联合发电系统

技术领域

本发明属于新能源联合发电技术领域，特别是涉及一种海洋温差能和地热能联合发电系统。

背景技术

能源是人类生存及经济发展所不可缺少的。地球表面积的70%是海洋，而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量大约2/3用于加热海面表层海水, 其与深水的温差超过20℃以上。理论上热水温差在16.6℃即可用于发电，因此南北纬度在20度以内的热带海洋都适合温差发电。据计算南北纬20度之间的海洋洋面, 要将其中一半用来发电,水温仅平均下降1℃ , 能获得600亿kW 的电能, 相当于目前全世界所产生的全部电能。同时利用海洋温差能发电不消耗燃料, 不排放污染物, 而且储藏丰富, 取之不竭，还可得到许多副产品。当今海洋温差发电的主要方式有闭式循环系统和开式循环系统，其中闭式循环系统最为成熟,已经基本上达到商业化水准，而开式循环系统的主要困难是低压汽轮机的效率太低。闭式循环系统的主要组件包括蒸发器、冷凝器、汽轮机、工作流体泵以及温海水泵与冷海水泵。此系统中所有泵的动力消耗占了相当大的一部分发电功率，据计算当海洋温差发电设备电功率为1MW时，厂用电约占50%，当电功率为100MW时，厂用电仍需占20%，因此减少泵的耗功对于提高海洋温差发电系统的净发电效率具有极其重大的意义。

另外，地球的内部储藏巨大的热量。据估计全球99％的物质处于1000℃以上的高温状态，只有不到1％处于100℃以下，尽管其中可利用部分很小，但仅利用现有技术可以开发利用的地热能就大于目前所有化石能源储量30倍以上。同时地热能蕴藏于地层内，不易受外部自然环境因素的影响，易于实现可控制的持续开采，提供持续稳定的能源供应，这是大规模能源供应网络运行所必须具备的条件。常规地热能发电需要大量自然资源, 包括天然蒸汽和热水等, 这些自然资源通常只能在火山区才能找到, 因此在世界大部分地区无法利用地热能发电。而被称为“干热岩石”的非常规地热能是一种地下普遍存在的地热能源。提取干热岩中的热量，只要打两口以上的深井, 在其中一口井中注入冷水并使其穿过热岩石, 然后将其取回地表,即可获得发电所需热能, 而且这种做法可反复进行。此方法技术含量高，对地热地质条件要求低，取得的地热能利用价值大，可直接产生稳定的电能供应，是今后开发利用地热能的方向。目前地热电站效率很低，只有10%~15%，由于地热电站通常以地表水作为冷却水源对汽轮机排汽进行冷凝，冷却水温度较高，不仅制约了地热电站效率的提高，同时要求地热电站必须修建出力比火电厂大得多的冷却系统。因此采用温度更低的水作为冷却水源对于提高地热电站的经济效益具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时有效地利用海洋温差能和地热能的联合发电系统，该系统不仅实现提高海洋温差净发电效率的目的，而且同时可以提高地热发电效率。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案是： 

本发明是一种海洋温差能和地热能联合发电系统。它包括蓄水池、海洋温差发电子系统、水处理子系统、注水操作台和地热发电子系统；所述的蓄水池设有连通至海水深处的冷海水管；所述的海洋温差发电子系统设有连通至海水表层的温海水管，该温海水管依次穿过海洋温差发电子系统、水处理子系统、注水操作台后与地热发电子系统的注水井输送管连接。

所述的蓄水池底面低于海平面15-25米，蓄水池盖面安装保温隔热板；冷海水管穿过海堤内部连通到蓄水池底部，并在冷海水管的出口设置阀门；所述的地热发电子系统的冷却水管道进口布置在蓄水池的空间内。

所述的海洋温差发电子系统布置在蓄水池旁并且低于蓄水池底面60~80米的平整场地中；该海洋温差发电子系统采用低沸点工质闭式循环系统，它包括蒸发器、汽轮机、高效冷凝管及其贮液箱；蒸发器布置在场地0米水平面上，汽轮机布置在场地上方60~80米的水平面上，高效冷凝管曲折或盘旋地布置在蓄水池中央的空间内；温海水管穿过海堤内部进入场地空间，并以曲折或盘旋的方式穿过蒸发器，然后依次连接水处理子系统的管路和注水操作台的管路，最后与地热发电子系统的注水井输送管道相连接；整条温海水管水平放置，并在进入场地空间的温海水管前端管道上设置阀门；蒸发器出口的蒸汽管道与汽轮机的进汽管道连接，汽轮机的排汽管道与蓄水池内的高效冷凝管上部连接，高效冷凝管下部连通贮液箱，贮液箱的出口通过管道与蒸发器的进口连接且在该管道上设置调节阀门。

所述的水处理子系统由给水主管路和旁路组成；所述的给水主管路上设置阀门，给水旁路上设置水处理设备，并在水处理设备前后管路上各设置一个阀门。

所述的注水操作台由注水主管路及其旁路组成；在注水主管路上设置阀门，注水旁路上设置启动水泵，并在启动水泵前后管路上各设置一个阀门。

所述的地热发电子系统采用干热岩技术的低沸点工质闭式循环系统，它包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、工质流体泵和冷却水泵；地热发电子系统的取水井输送管道曲折或盘旋穿过蒸发器后连通大海；地热发电子系统的冷却水管道的进口布置在蓄水池空间内，冷却水管曲折或盘旋穿过冷凝器后连通大海，冷却水管上设置冷却水泵。

采用上述方案后，本发明的海水温差发电子系统在考虑如何减少泵的耗功这个问题上，注重依靠海水的重力做功和压差做功替代泵的耗功。具体技术主要体现在3个方面：

一、由于海洋温差发电子系统布置在海平面以下，温海水依靠重力作用可以自流到蒸发器进行放热过程，故新系统不使用温海水泵。

二、蓄水池底面低于海平面，冷海水依靠压差作用可以自流到蓄水池。海洋温差发电子系统的汽轮机排汽通过布置在蓄水池内的高效冷凝管进行冷却过程，故新系统采用高效冷凝管取代独立系统的冷凝器，并且不使用冷海水泵。

三、海洋温差发电子系统的高效冷凝管及其贮液箱布置在蒸发器的上方，贮液箱内的凝结液依靠重力作用可以自流到蒸发器进行吸热过程，故新系统不使用工质流体泵。

因此，本发明的海洋温差发电子系统与独立的海洋温差发电系统的不同之处在于：新系统采用高效冷凝管取代独立系统的冷凝器，并取消独立系统的工质流体泵以及温海水泵和冷海水泵。本发明的海洋温差发电子系统可以实现全流程无泵运行，净发电效率得到大幅度的提高。

本发明的地热发电子系统在考虑如何降低冷却水的温度这个问题上，采用温度很低的冷海水替代地表水作为冷却水源。由于两种水源温度相差大约在10℃~15℃之间，因此新系统可以维持较低的冷凝温度，从而有效提高地热发电系统的能量转换效率。从另一方面来考虑，地热电站的冷凝器真空度根据实际运行情况不可能太高，很低的冷却水温度可以使凝汽器采用较高的温升来降低所需的冷却水量，因此地热电站冷却系统的建设费用也将大为减少。

综上所述，本发明的优点是：结合海洋温差能和地热能的特点进行了联合发电的新模式。海洋温差发电子系统可以实现全流程无泵运行，地热发电子系统可以维持更低的冷凝温度。该联合发电系统不仅实现提高海洋温差净发电效率的目的，而且同时进一步提高了地热发电效率。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的工作原理图。

具体实施方式

如图1所示。本发明是一种海洋温差能和地热能联合发电系统，它主要由蓄水池1、海洋温差发电子系统2、水处理子系统3、注水操作台4和地热发电子系统5组成。

所述的蓄水池1布置在海堤10附近，蓄水池底面11低于海平面15-25米，蓄水池盖面安装保温隔热板12。冷海水管13的进口敷设到海水深处600米以下，冷海水管13穿过海堤内部连通到蓄水池1底部，并在冷海水管13的出口设置阀门14。

所述的海洋温差发电子系统2布置在蓄水池1旁边并且低于蓄水池底面11大约 60~80米的平整场地中。海洋温差发电子系统2采用低沸点工质闭式循环系统，其设备主要由蒸发器21、汽轮机22、高效冷凝管23及其贮水箱24组成。蒸发器21布置在场地0米水平面上，汽轮机22布置在场地上方60~80米的水平面上，高效冷凝管23及其贮液箱24曲折或盘旋地布置在蓄水池1中央的空间内，并且高效冷凝管23及其贮液箱24的位置根据蒸发器21的压力要求来确定。首先，温海水管26穿过海堤内部进入场地空间并以曲折或盘旋的方式穿过蒸发器21，然后依次连接水处理子系统3的管路和注水操作台4的管路，最后与地热发电子系统5的注水井输送管道51相连接。整条温海水管26水平放置，并在进入场地空间的温海水管前端管道上设置阀门27。蒸发器21出口的蒸汽管道与汽轮机22的进汽管道连接，汽轮机22的排汽管道与蓄水池1内的高效冷凝管23上部连接，高效冷凝管23下部连通贮液箱24，贮液箱24的出口通过管道与蒸发器21的进口连接，且在该管道上设置调节阀门25。

所述的水处理子系统3由给水主管及其旁路组成。给水主管上设置阀门31，给水旁路上设置水处理设备32，并在水处理设备32前后管路上各设置阀门33和阀门34。

所述的注水操作台4由注水主管及其旁路组成。注水主管上设置阀门41，注水旁路上设置启动水泵42，并在启动水泵42前后管路上各设置阀门43和阀门44。

所述的地热发电子系统5布置在高于海平面的场地中。地热发电子系统5是采用干热岩技术的低沸点工质闭式循环系统，其设备主要由蒸发器53、汽轮机54、冷凝器55、工质流体泵56和冷却水泵57组成。地热发电子系统的取水井输送管道52曲折或盘旋穿过蒸发器53后连通大海。冷却水管道58的进口布置在蓄水池1空间内，地热发电子系统5的冷却水管道58曲折或盘旋穿过冷凝器55后连通大海，冷却水管道58上设置冷却水泵57。

本发明的工作原理：

如图2所示，海洋温差发电子系统2的低沸点工质在蒸发器中21进行吸热过程产生高压蒸汽，高压蒸汽驱动汽轮机22做功，汽轮机的排汽进入蓄水池1内的高效冷凝管23中进行放热过程形成冷凝液流入贮液箱24，贮液箱24的液体依靠重力作用自流到蒸发器21完成一次工质循环，并通过调节阀门25控制其流量和压力。地热发电子系统5则采用常规的低沸点工质闭式循环系统。

正常运行时，给水主管的阀门31和注水主管的阀门41开启，旁路关闭。温海水H1依靠重力作用流过海洋温差发电子系统2的蒸发器21进行放热过程，从蒸发器21排出的海水依次通过水处理子系统3的给水主管31和注水操作台4的注水主管41后进入地热发电子系统5的注水井输送管道51。注入的海水在干热岩层中进行吸热过程变成高温热水，高温热水依靠冷热水密度不同而形成自然循环的原理通过地热发电子系统5的取水井输送管道52自流到地面上。自流到地面的热水流过地热发电子系统5的蒸发器53进行放热过程，从蒸发器53排出的海水直接排向大海。冷海水H2依靠压差作用流入蓄水池1并维持一定的水位。蓄水池1内的冷海水H3通过冷却水管道58由冷却水泵57送入地热发电子系统5的冷凝器55进行吸热过程，从冷凝器55排出的冷水直接排向大海。

启动时，注水主管的阀门41关闭，旁路阀门43和阀门44开启。启动水泵42开始工作，驱动温海水完成整个系统的供水循环，启动结束后切换到正常运行状态。

当发生干热岩层积垢的情况时，给水主管的阀门31关闭，旁路阀门33和阀门34开启。水处理设备32开始工作，利用化学水对干热岩层的积垢进行清洗，清洗完毕后切换到正常运行状态。

本发明的重点在于：

温海水依靠重力作用自流到海洋温差发电子系统的蒸发器进行放热过程，然后流入干热岩层中吸收热量变成高温热水，高温热水依靠冷热水密度不同而形成自然循环的原理自流到地面并流经地热发电子系统的蒸发器进行放热过程后排向大海。冷海水依靠压差作用自流到蓄水池，蓄水池内的冷海水通过冷却水泵送入地热发电子系统的冷凝器进行吸热过程后排向大海。

海洋温差发电子系统的高效冷凝管及其贮液箱布置在蓄水池中央的空间内，同时位置处于蒸发器的上方。汽轮机的排汽进入高效冷凝管中进行放热过程并形成冷凝液流入贮液箱，贮液箱的液体依靠重力作用自流到蒸发器完成工质循环，并通过调节阀门控制其流量和压力。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各水管管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (2)

1.一种海洋温差能和地热能联合发电系统，其特征在于：它包括蓄水池、海洋温差发电子系统、水处理子系统、注水操作台和地热发电子系统；所述的蓄水池设有连通至海水深处的冷海水管；所述的海洋温差发电子系统设有连通至海水表层的温海水管，该温海水管依次穿过海洋温差发电子系统、水处理子系统、注水操作台后与地热发电子系统的注水井输送管连接；所述的蓄水池底面低于海平面15-25米，蓄水池盖面安装保温隔热板；冷海水管穿过海堤内部连通到蓄水池底部，并在冷海水管的出口设置阀门；所述的地热发电子系统的冷却水管道进口布置在蓄水池的空间内。

2.根据权利要求1所述的海洋温差能和地热能联合发电系统，其特征在于：所述的海洋温差发电子系统布置在蓄水池旁并且低于蓄水池底面60~80米的平整场地中；该海洋温差发电子系统采用低沸点工质闭式循环系统，它包括蒸发器、汽轮机、高效冷凝管及其贮液箱；蒸发器布置在场地0米水平面上，汽轮机布置在场地上方60~80米的水平面上，高效冷凝管曲折或盘旋地布置在蓄水池中央的空间内；温海水管穿过海堤内部进入场地空间，并以曲折或盘旋的方式穿过蒸发器，然后依次连接水处理子系统的管路和注水操作台的管路，最后与地热发电子系统的注水井输送管道相连接；整条温海水管水平放置，并在进入场地空间的温海水管前端管道上设置阀门；蒸发器出口的蒸汽管道与汽轮机的进汽管道连接，汽轮机的排汽管道与蓄水池内的高效冷凝管上部连接，高效冷凝管下部连通贮液箱，贮液箱的出口通过管道与蒸发器的进口连接且在该管道上设置调节阀门。

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