CN103062000B - 一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统 - Google Patents

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一种对地热能和太阳能进行梯级利用的发电系统，包括5个回路：地热水回路、太阳能集热工质回路、蓄热介质回路、水/水蒸汽回路以及冷却水回路。首先利用地热能将蒸汽轮机的工质水加热到饱和状态，然后利用太阳能将水加热到过热状态，并对蒸汽轮机高压缸的排气进行再热，实现了地热能和太阳能的梯级利用，可以大大提高发电系统热效率；同时又实现了地热水的封闭运行，不会造成对环境的污染；地热水回路保持正压运行，避免了设备的结垢和腐蚀等问题，降低了运行成本。此外，通过采用蓄能系统，实现了太阳能的储存和释放，保证了发电系统在没有太阳光的时候也能高效运行。

Description

一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统
技术领域
本发明涉及发电领域，尤其涉及一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统。
背景技术
地热资源遍布世界各地，目前对于地热的利用主要限于蒸汽田和热水田，两者统称为地热田。90℃以下地热可供取暖、医疗和生产过程加热之用。90℃以上的水蒸汽或者热水可用于发电，其中160℃以上的高温蒸汽田可以将产出的蒸汽直接引入汽轮机发电，而对于温度较低的热水田需要经过扩容将热水蒸发成蒸汽再引入汽轮机发电。地热电站既没有燃料运输设备，也没有庞大的锅炉设备，所以也就没有灰渣和烟气对环境的污染，是一种清洁的能源。但是目前世界上，特别是在我国，建成的地热电站还很少，具有商业运行价值的就更少。造成这种状况的一个主要原因是地热水或水蒸汽的温度和压力都比较低，因此系统的热效率低，同时厂用电率高(40～60％)，经济效益较差。设备的结垢和腐蚀进一步增加了运行成本。特别是对于中温地热田(90～160℃)，情况更加严重。即便是对于160℃以上的高温地热田，与目前的火力发电系统相比，蒸汽的参数仍然比较低，因而系统的热效率也低。
为了提高地热发电系统的效率，章学来等人提出了一种将太阳能和地热能相结合的装置(专利名称：一种利用太阳能和地热发电装置和该装置使用方法，专利申请号201010120318.5)，但是该专利是利用地下水对工质进行冷却，而不是加热工质。周登荣等人提出的实用新型专利(申请号：201220230984.9和201220230941.0)利用太阳能集热器直接加热地热水或者通过太阳能电池板发电后通过加热器加热地热水，被加热后的地热水再通过换热器加热低沸点工质来推动蒸汽轮机发电。这种系统的缺点是地热水不能被加热到过热状态，否则会导致设备和管路严重结垢；被加热后的地热水品质仍然比较低，只能通过换热器再加热低沸点液体作为蒸汽轮机的工质。因此，整个系统的热效率比较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统，以提高发电系统的热效率。
为实现上述目的，本发明提供的对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统，包括：地热水回路、太阳能集热工质回路、蓄热介质回路、水/水蒸汽回路以及冷却水回路；其中：
1)地热水回路由第一换热器组和连接该第一换热器的水泵组成，在该地热水回路中，地热水被第一水泵(3)从地热井(1)中抽出后经过第一换热器(4)将工质水加热到饱和状态，然后进入回灌井(2)；
2)太阳能集热工质回路的组成是：第二换热器(9)的两端分别各连接有第一三向阀(7)和第二三向阀(8)，第一三向阀(7)分别连接集热器(6)的一端和过热器(11)，第二三向阀(8)分别连接集热器(6)的另一端和再热器(12)；过热器(11)和再热器(12)之间为串联连接；太阳能集热工质回路将饱和状态的工质水加热到过热状态并对蒸汽轮机高压缸的排气进行再热，同时与蓄热介质进行换热，实现太阳能的储存和释放；太阳能集热工质回路有两种运行状态：
(1)阳光充足时，太阳能集热器(6)加热工质后分为两路，一路进入第二换热器(9)加热蓄热介质，另一路依次通过过热器(11)和再热器(12)，然后两路汇合后进入集热器(6)被再次加热，开始循环；
(2)无太阳光时，通过切换第一三向阀(7)和第二三向阀(8)，集热工质由第二换热器(9)、过热器(11)和再热器(12)构成一个回路。集热工质流过第二换热器(9)时被蓄热介质加热后通过过热器(11)和再热器(12)加热工质水/水蒸汽；
3)蓄热介质回路：高温蓄热介质储存罐(14)和低温蓄热介质储存罐(15)之间连接第二热换器(9)；阳光充足时，蓄热介质从低温蓄热介质储存罐(15)抽出经过第二换热器(9)被蓄热介质加热后打入高温蓄热介质储存罐(14)，实现太阳能储存；无太阳光时则蓄热介质被从高温蓄热介质储存罐(14)抽出经过第二换热器(9)加热蓄热介质后打入低温蓄热介质储存罐(15)，释放出储存的太阳能；
4)水/水蒸汽回路：蒸汽轮机低压缸(19)排出的水蒸汽经过凝汽器(20)凝结成水后，加入补给水(16)，再经过换热器(4)被地热水加热到饱和状态，进入过热器(11)被太阳能集热工质加热为过热蒸汽，过热蒸汽经过蒸汽轮机高压缸(18)做功后进入再热器(12)再次被加热后进入蒸汽轮机低压缸(19)，排入凝汽器(20)；蒸汽轮机高压缸(18)内的转子和蒸汽轮机低压缸(19)内的转子共同带动发电机(21)转动发电；
5)冷却水回路：冷却水经过凝汽器(20)后将蒸汽轮机低压缸(19)排气冷却后进入冷却塔(22)降温，再回到凝汽器(20)。
所述的发电系统，其中地热水回路是完全封闭的回路，始终保持正压状态。
所述的发电系统，其中太阳能集热工质回路中的集热工质采用导热油。
所述的发电系统，其中第一三向阀(7)和过热器(11)之间设有第二水泵(10)；第二三向阀(8)和集热器(6)之间设有第三水泵(5)；高温蓄热介质储存罐(14)和第二换热器(9)之间设有第四水泵(13)；凝汽器(20和第一换热器(4)之间设有第五水泵(17)。
本发明具有的效果是：
一)先通过地热水将蒸汽轮机的工质加热到饱和状态，然后利用太阳能加热到过热状态，这样也就允许采用更高的蒸汽压力，进一步提高了工质的品质，同时实现了能量的梯级利用，提高了发电系统的热效率；
二)地热水完全在封闭的系统内循环，不会造成对环境的污染；
三)地热水回路保持正压运行，地热水不会蒸发成水蒸汽，避免了管道和设备的严重结垢；
四)通过采用蓄能系统，实现了太阳能的储存和释放，保证了系统在没有太阳光的时候也能高效运行。
附图说明
图1是根据本发明提出的一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统图。
具体实施方式
本发明通过将太阳能热发电系统与地热发电系统相结合，实现能量的梯级利用，提高系统的整体热效率。该系统首先是利用地热水通过换热器将经过除垢加压后的水预热到饱和状态，然后利用太阳能将水加热到过热状态，过热蒸汽经过高压透平后再经过再热器利用太阳能进行再热，然后进入低压透平。高压透平和低压透平共同带动发电机进行发电。从低压透平出来的水蒸气经过冷凝后并加入一部分补给水后再经过水泵加压后开始新的循环。太阳能可以将水从饱和状态加热到350～400℃的过热状态，大大提高了能量的品质，从而提高整个发电系统的热效率。
本发明主要包括5个回路：
第一回路是地热水回路。地热水被水泵从地热井中抽出后经过一个换热器将经过除垢和加压后的工质水加热到饱和状态，然后进入回灌井。该回路是封闭回路，地热水的热能被利用后又回灌入地下，避免了地热水中的有害物质造成对环境的污染；同时回灌还可以改善或恢复热储的产热能力，保持热储的流体压力，维持地热田的开采条件。另外，该回路始终保持正压状态，地热水不会蒸发成气态，避免了管道和设备的严重结垢。
第二回路是太阳能集热工质回路。该回路可以运行在两种状态：在阳光充足时，利用太阳能集热器加热工质到400℃以上后分为两路，一路进入一个换热器加热蓄热介质(实现太阳能的储存)，另一路依次通过过热器和再热器(实现对水/水蒸汽的过热和再热)，然后两路汇合后进入集热器被再次加热，开始新的循环；在没有太阳光时，通过切换三向阀，使得集热工质不再流过集热器，而是由换热器、过热器和再热器构成一个回路，这时集热工质流过换热器时被蓄热介质加热后仍然通过过热器和再热器加热水/水蒸汽。
第三回路是蓄热介质回路，主要包括两个蓄热介质储存罐和一个泵。一个储存罐存放高温蓄热介质，另一个存放低温蓄热介质。该回路在有太阳光时蓄热介质被从低温罐抽出经过换热器被导热油加热后打入高温罐；无太阳光时则蓄热介质被从高温罐抽出经过换热器加热导热油。通过该回路实现太阳能的储存和释放。
第四回路是水/水蒸汽回路。从蒸汽轮机低压缸排出的水蒸汽经过凝汽器凝结成水后，加入补给水后经过水泵加压，再经过换热器被地热水加热到饱和水状态，然后进入过热器被太阳能集热工质加热为过热蒸汽，接下来过热蒸汽经过蒸汽轮机高压缸做功后进入再热器再次被加热后进入蒸汽轮机低压缸，最后排入凝汽器。蒸汽轮机高压缸和低压缸内的转子共同带动发电机转动发电。
第五个回路是冷却水回路。冷却水经过凝汽器后将蒸汽轮机排气冷却后进入冷却塔降温后，再回到凝汽器。
下面结合附图详细说明本发明的实施方案。
如图1所示，本发明主要包括5个回路：地热水回路、太阳能集热工质回路、蓄热介质回路、水/水蒸汽回路以及冷却水回路。
1)地热水回路主要作用是将加压后的工质水加热到饱和状态，主要设备包括第一水泵3和第一换热器4。地热水被第一水泵3从地热井1中抽出后经过第一换热器4将经过除垢和加压后的工质水加热到饱和状态，然后进入回灌井2。该回路是封闭回路，地热水的热能被利用后又回灌入地下，避免了地热水中的有害物质造成对环境的污染；同时回灌还可以改善或恢复热储的产热能力，保持热储的流体压力，维持地热田的开采条件。另外，该回路始终保持正压状态，地热水不会蒸发成气态，避免了管道和设备的严重结垢。
2)太阳能集热工质回路主要作用是将高压饱和水加热到过热状态并对蒸汽轮机高压缸的排气进行再热，同时与蓄热介质进行换热，实现太阳能的储存和释放。主要设备包括第三水泵5、集热器6、第一三向阀7和第二三向阀8、第二换热器9、第二水泵10、过热器11和再热器12。该回路工质要求导热系数大，沸点高，优选的采用导热油。该回路有两种运行状态：在阳光充足时，利用太阳能集热器6加热工质到400℃以上后分为两路，一路进入第二换热器9加热蓄热介质，另一路依次通过过热器11和再热器12，然后两路汇合后进入集热器6被再次加热，开始新的循环；在没有太阳光时，通过切换第一三向阀7和第二三向阀8，使得集热工质不再流过集热器6，而是由第二换热器9、第二水泵10、过热器11和再热器12构成一个回路。集热工质流过第二换热器9时被蓄热介质加热后仍然通过过热器11和再热器12加热工质水/水蒸汽。
(3)蓄热介质回路，包括一个高温蓄热介质储存罐14、一个低温蓄热介质储存罐15、第四水泵13以及第二换热器9。在有太阳光时蓄热介质被从低温蓄热介质储存罐15抽出经过第二换热器9被导热油加热后打入高温蓄热介质储存罐14，实现太阳能储存；无太阳光时则蓄热介质被从高温蓄热介质储存罐14抽出经过第二换热器9加热导热油后打入低温蓄热介质储存罐15，释放出储存的太阳能。
(4)水/水蒸汽回路，也就是蒸汽轮机做功工质的循环回路，包括第五水泵17、第一换热器4、过热器11、蒸汽轮机高压缸18、再热器12、蒸汽轮机低压缸19和冷凝器20等设备。从蒸汽轮机低压缸19排出的水蒸汽经过凝汽器20凝结成水后，加入补给水16，然后经过第五水泵17加压后，再经过第一换热器4被地热水加热到饱和水状态，然后进入过热器11被太阳能集热工质加热为过热蒸汽，过热蒸汽经过蒸汽轮机高压缸18做功后进入再热器12再次被加热后进入蒸汽轮机低压缸19，最后排入凝汽器20。蒸汽轮机高压缸18和蒸汽轮机低压缸19内的转子共同带动发电机21转动发电。
(5)冷却水回路主要是对蒸汽轮机低压缸排气进行冷却使之凝结为液态水。冷却水经过凝汽器20后将蒸汽轮机低压缸排气冷却后进入冷却塔22降温后，再回到凝汽器20。
本发明通过采用太阳能提高地热水的品质，既达到了提高系统热效率的目的，又实现了地热水的封闭和正压运行，避免了地热水利用面临的环境污染和结垢、腐蚀等问题，降低了运行成本。此外，通过采用蓄能系统，保证了系统全天候高效运行。

Claims (4)

1.一种对地热和太阳能进行能量梯级利用的发电系统，包括：地热水回路、太阳能集热工质回路、蓄热介质回路、水/水蒸汽回路以及冷却水回路；其中：
1)地热水回路由第一换热器和连接该第一换热器的水泵组成，在该地热水回路中，地热水被第一水泵(3)从地热井(1)中抽出后经过第一换热器(4)将工质水加热到饱和状态，然后进入回灌井(2)；
2)太阳能集热工质回路的组成是：第二换热器(9)的两端分别各连接有第一三向阀(7)和第二三向阀(8)，第一三向阀(7)分别连接集热器(6)的一端和过热器(11)，第二三向阀(8)分别连接集热器(6)的另一端和再热器(12)；过热器(11)和再热器(12)之间为串联连接；太阳能集热工质回路将饱和状态的工质水加热到过热状态并对蒸汽轮机高压缸的排气进行再热，同时与蓄热介质进行换热，实现太阳能的储存和释放；太阳能集热工质回路有两种运行状态：
(1)阳光充足时，太阳能集热器(6)加热工质后分为两路，一路进入第二换热器(9)加热蓄热介质，另一路依次通过过热器(11)和再热器(12)，然后两路汇合后进入集热器(6)被再次加热，开始循环；
(2)无太阳光时，通过切换第一三向阀(7)和第二三向阀(8)，集热工质由第二换热器(9)、过热器(11)和再热器(12)构成一个回路；集热工质流过第二换热器(9)时被蓄热介质加热后通过过热器(11)和再热器(12)加热工质水/水蒸汽；
3)蓄热介质回路：高温蓄热介质储存罐(14)和低温蓄热介质储存罐(15)之间连接第二热换器(9)；阳光充足时，蓄热介质从低温蓄热介质储存罐(15)抽出经过第二换热器(9)被蓄热介质加热后打入高温蓄热介质储存罐(14)，实现太阳能储存；无太阳光时则蓄热介质被从高温蓄热介质储存罐(14)抽出经过第二换热器(9)加热蓄热介质后打入低温蓄热介质储存罐(15)，释放出储存的太阳能；
4)水/水蒸汽回路：蒸汽轮机低压缸(19)排出的水蒸汽经过凝汽器(20)凝结成水后，加入补给水(16)，再经过第一换热器(4)被地热水加热到饱和状态，进入过热器(11)被太阳能集热工质加热为过热蒸汽，过热蒸汽经过蒸汽轮机高压缸(18)做功后进入再热器(12)再次被加热后进入蒸汽轮机低压缸(19)，排入凝汽器(20)；蒸汽轮机高压缸(18)内的转子和蒸汽轮机低压缸(19)内的转子共同带动发电机(21)转动发电；
5)冷却水回路：冷却水经过凝汽器(20)后将蒸汽轮机低压缸(19)排气冷却后进入冷却塔(22)降温，再回到凝汽器(20)。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，地热水回路是完全封闭的回路，始终保持正压状态。
3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，太阳能集热工质回路中的集热工质采用导热油。
4.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，第一三向阀(7)和过热器(11)之间设有第二水泵(10)；第二三向阀(8)和集热器(6)之间设有第三水泵(5)；高温蓄热介质储存罐(14)和第二换热器(9)之间设有第四水泵(13)；凝汽器(20和第一换热器(4)之间设有第五水泵(17)。
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