CN103147943B - 一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统 - Google Patents

一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，地热水进入扩容器中经减压闪蒸产生的水蒸气进入到第一汽轮机做功，扩容器中剩余地热水进入蒸汽发生器加热氨水基本溶液，随后回灌地下。氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸热后进入到第一分离器中分离出饱和富氨蒸汽，饱和富氨蒸汽在第二汽轮机Ⅱ中做功后产生的乏汽进入第二分离器，分离出浓度更高的富氨饱和蒸汽经过冷却降压后进入蒸发器中吸收潜热形成低压饱和富氨蒸汽，产生制冷量。经过蒸发器之后的低压饱和富氨蒸汽和两个分离器产生的不同浓度的富水溶液混合成氨水基本溶液，再经过冷凝和升压后，进入蒸汽发生器。

Description

一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统
【技术领域】
本发明属于中低温回收与动力工程领域，涉及一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统。
【背景技术】
随着人类对能源需求的不断增长，大规模地燃烧化石能源已对大气环境和生态环境造成了严重影响，人们越来越担心大量使用传统化石能源所带来的资源枯竭和环境污染问题。在这种情况下，地热能等可再生的清洁新能源越来越受到世界各国的重视。2012年7月，我国国家发展改革委发布的《可再生能源发展“十二五”规划》就将地热发电提上了日程。地热资源的开发利用对于节约化石能源和保护生态环境以及降低二氧化碳排放，起到至关重要的作用。目前我国地热资源主要用于地热发电、地热供暖、医疗保健、洗浴旅游、种植养殖、工业生产等方面，且都尚处于发展阶段。
利用地热能发电有两种方式，一是利用高温地热蒸汽发电，二是利用中低温地下热水发电。而目前地热发电技术主要包括干蒸汽发电，扩容式闪蒸发电，双工质循环发电，以及kalina循环发电等。其中，干蒸汽发电是高温地热田发电的主要形式，扩容式闪蒸发电广泛应用于中高温地热田，双工质循环发电适用于中低温地热资源，kalina循环在低温地热资源发电领域具有优越性。以下对地热发电技术进行原理性介绍：
（1）干蒸汽发电
干蒸汽是从地下喷出的具有一定过热度的蒸汽。干蒸汽发电技术就是将干蒸汽从地热井引出，在净化分离器A中除去固体杂质后直接送到到汽轮发电机组B进行发电，汽轮机排气经冷凝器冷却后回灌地下或者另作他用，如图1所示。
（2）扩容式闪蒸发电
对于温度为130℃～250℃的地热资源，所提供的大多是汽水混合物，其中蒸汽量较小，适宜采用扩容式闪蒸发电技术。地热井下带有一定压力的汽水混合物或热水被引到地面后，首先进入一级扩容器C，地热水中携带的蒸汽及少部分经一级扩容器减压闪蒸产生的蒸汽直接进入汽轮机B做功，驱动同轴连接的发电机发电，剩余的地热水进入二级扩容器D。在二级扩容器中，由于减压作用，部分地热水闪蒸汽化成蒸汽，再进入汽轮机B做功，剩余的热水回灌地下。汽轮机排气经冷凝器E冷却后回灌地下或者另作他用。图2为二级扩容式发电示意图。
（3）双工质循环发电
对于温度小于130℃地热资源，热水想通过扩容方式闪蒸形成蒸汽，需将压力降至大气压以下，整个系统形成负压，这给系统运行和设备带来很大困难，因此采用双工质循环发电技术。在双工质循环发电技术中，地热水不再与发电系统直接接触，而是作为热源在蒸发器F内加热某种低沸点的有机工质，这些有机工质蒸发后形成具有一定温度压力的蒸气，进入有机透平G膨胀做功，驱动同轴连接的发电机发电，透平排气经过冷凝器E冷凝后，再通过增压泵H送回到蒸发器中吸热，完成一个循环。经过蒸发器放热后的地热水回灌地下。图3给出了双工质循环发电技术示意图。
（4）Kalina循环发电
Kalian循环是区别于常规朗肯循环的一种新的热力循环，采用氨和水的混合物作为工质，具有变温蒸发的特性，使得热源的放热温度曲线和工质吸热温度曲线达到良好的匹配，减小了传热过程中的不可逆损失，提高了能量转换效率。当热源参数变化时，只需要调整氨与水的比例即可使得循环达到最佳的热力性能。图4给出了kalina循环发电示意图。地热水从地热井抽出经过蒸发器F放热后回灌地下。氨水基本溶液在蒸发器F中被加热后，产生的气液两相氨水混合物进入分离器20。分离器20将氨水混合物分离成富氨蒸汽和富水溶液，富氨蒸汽进入汽轮机B膨胀做功，驱动同轴连接的发电机发电，富水溶液进入高温回热器21进行换热降温后经过节流阀22降压，再与从汽轮机出来的乏汽在A处混合成为氨水基本溶液，氨水基本溶液通过低温回热器23降温后再进入冷凝器E完全冷凝为液态。氨水基本溶液经过泵24升压，然后依次流经低温回热器22和高温回热器21回收部分热量，随后进入蒸发器F进行下一次循环。
在利用地热水热能利用方面，现有发电技术均采用的是单一循环发电，导致循环效率低。
【发明内容】
为克服上述发电技术的缺点，本发明涉及一种用于地热能利用的基于氨水工质的冷电联供系统。整个系统分为两个循环，其中底循环中以氨水混合物为循环工质，减少了换热过程的不可逆损失，起到提高能源转换效率的作用；同时系统可以对外同时输出电能和制冷量，实现了冷电联供，满足用户对不同能源类型的需求，这样就实现了对能源的梯级利用，有效地提高了循环效率和能源利用率。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，包括扩容器、第一汽轮机、第二汽轮机、蒸汽发生器、第一分离器、第二分离器，以及蒸发器，地热水进入扩容器中经减压闪蒸产生的水蒸气进入到第一汽轮机做功，扩容器中剩余地热水进入蒸汽发生器加热氨水基本溶液，随后回灌地下；氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸热后进入到第一分离器中分离出饱和富氨蒸汽，饱和富氨蒸汽在第二汽轮机中做功后产生的乏汽进入第二分离器，第二分离器分离出浓度更高的富氨饱和蒸汽经过冷却降压后进入蒸发器中吸收潜热形成低压饱和富氨蒸汽，产生制冷量；经过蒸发器之后的低压饱和富氨蒸汽和两个分离器产生的不同浓度的富水溶液混合成氨水基本溶液，再经过冷凝和升压后，回到蒸汽发生器。
作为本发明的优选实施例，所述第一汽轮机做功后产生的排气经第一冷凝器冷凝后排放；
作为本发明的优选实施例，所述第二分离器和蒸发器之间依次连接有第二冷凝器和第一节流阀以对第二分离器分离出浓度更高的富氨饱和蒸汽进行冷却和降压。
作为本发明的优选实施例，所述第一分离器和第二分离器分离出来的富水溶液分别经第二节流阀和第三节流阀降压后再与蒸发器出来的低压饱和富氨蒸汽混合。
与现有技术相比，本发明用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统至少具有以下优点：本发明的底循环以氨水混合物为循环工质，减少了换热过程的不可逆损失，起到提高能源转换效率的作用；同时系统对外同时输出电能和制冷量，实现了冷电联供，满足用户对不同能源类型的需求，实现了对能源的梯级利用，有效地提高了循环效率和能源利用率。
【附图说明】
图1为现有技术中干蒸汽发电的结构示意图。
图2为现有技术中扩容式闪蒸发电的结构示意图。
图3为现有技术中双工质循环发电的结构示意图。
图4为Kalina循环发电的结构示意图。
图5为本发明用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统的流程图。
其中，图1至图4中，A为净化分离器，B为汽轮机，C为一级扩容器，D为二级扩容器，E为冷凝器，F为蒸发器，G为有机透平，H为增压泵，20为分离器，21为高温回热器，22为节流阀，23为低温回热器，24为泵。
图5中，1为泵，2为扩容器，3为第一汽轮机，4为第一发电机，5为第一泠凝器，6为蒸汽发生器，7为第一分离器，8为第二汽轮机，9为第二发电机，10为第二分离器，11为第二冷凝器，12为第一节流阀，13为蒸发器，14为第二节流阀，15为第三节流阀，16为第三冷凝器，17为增压泵。
【具体实施方式】
图5是一种用于地热能利用的基于氨水工质的冷电联供系统的示意图。该系统由泵1、扩容器2、第一汽轮机3、第一发电机4、第一冷凝器5、蒸汽发生器6、第一分离器7、第二汽轮机8、第二发电机9、第二分离器10、第二冷凝器11、第一节流阀12、蒸发器13、第二节流阀14、第三节流阀15、第三冷凝器16、增压泵17组成。
具体实施方案为：地热水经过泵1从地热井抽出后进入扩容器2，扩容器2减压闪蒸产生的水蒸汽直接进入第一汽轮机3做功，驱动同轴连接的第一发电机4发电，第一汽轮机3排气经第一冷凝器5冷凝成液体后排放。扩容器2中剩余的地热水进入到蒸汽发生器6中加热氨水基本溶液，随后回灌地下。氨水基本溶液在蒸汽发生器6中被加热后，由于氨气沸点较低，部分氨气挥发出来形成气液两相氨水混合物进入第一分离器7中分离成饱和富氨蒸汽和饱和富水溶液。第一分离器7分离的饱和富氨蒸汽进入第二汽轮机8膨胀做功，驱动同轴连接的第二发电机9发电，产生电能，做完功后的乏汽进入第二分离器10中进行二次分离。第二分离器10分离出浓度更高的富氨蒸汽进入第二冷凝器11冷凝成饱和液态，再经过第一节流阀12降压形成气液两相混合物，然后进入蒸发器13中进行蒸发吸热，产生制冷量。第二分离器10分离出来的富水溶液经过第二节流阀14降压后与从蒸发器13吸热蒸发的饱和富氨蒸汽在A点处混合。而第一分离器7分离出来时的富水溶液经过第三节流阀15降压后再与A点处的氨水溶液在B点处混合形成氨水基本溶液。随后氨水基本溶液经过第三冷凝器16冷凝成液态，然后再经过增压泵17升压后，进入蒸汽发生器6，完成整个循环过程。
与现有技术相比，本发明的优点：
1）本发明中底循环以氨水混合物作为循环工质，氨水混合物的相变过程为非等温过程，且在循环过程中其浓度会发生变化，这使得工质在循环整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系，这样就减少了换热过程的不可逆损失，提高了能源转换效率。
2）本发明既可以将地热能源转换成电能，同时可以输出制冷量，实现了冷电联供，可以满足用户对不同能源类型的需求。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，其特征在于：包括扩容器(2)、第一汽轮机(3)、第二汽轮机(8)、蒸汽发生器(6)、第一分离器(7)、第二分离器(10)，以及蒸发器(13)，地热水进入扩容器(2)中经减压闪蒸产生的水蒸气进入到第一汽轮机(3)做功，扩容器(2)中剩余地热水进入蒸汽发生器(6)加热氨水基本溶液，随后回灌地下；氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸热后进入到第一分离器(7)中分离出饱和富氨蒸汽，饱和富氨蒸汽在第二汽轮机(8)中做功后产生的乏汽进入第二分离器(10)，第二分离器分离出浓度更高的饱和富氨蒸汽经过冷却降压后进入蒸发器(13)中吸收潜热形成低压饱和富氨蒸汽，产生制冷量；经过蒸发器(13)之后的低压饱和富氨蒸汽和第一分离器及第二分离器产生的不同浓度的富水溶液混合成氨水基本溶液，再经过冷凝和升压后，回到蒸汽发生器(6)。
2.如权利要求1所述的一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，其特征在于：所述第一汽轮机做功后产生的排气经第一泠凝器(5)冷凝后排放。
3.如权利要求2所述的一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，其特征在于：所述第二分离器(10)和蒸发器(13)之间依次连接有第二冷凝器(11)和第一节流阀(12)以对第二分离器分离出浓度更高的富氨饱和蒸汽进行冷却和降压。
4.如权利要求1所述的一种用于地热能利用的基于氨水混合工质的冷电联供系统，其特征在于：所述第一分离器和第二分离器分离出来的富水溶液分别经第二节流阀(14)和第三节流阀(15)降压后再与蒸发器(13)出来的低压饱和富氨蒸汽混合。
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