CN103216401A - 一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统 - Google Patents

一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统 Download PDF

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Abstract

一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，属于发电装置技术领域。该发电系统包括干热岩采热系统和应用卡琳娜循环技术的动力循环系统。所述干热岩采热系统通过注水井将高压冷水打入地下人工储热库，经过干热岩（干热岩温度为200℃左右）的加热使冷水吸收热量成为高温热水或蒸汽，提取出来作为支持动力循环的热源；所述应用卡琳娜循环技术的动力循环系统代替传统动力循环系统。第一分离器入口端与第一换热器的吸热端出口连接，第一分离器的出口端蒸汽进入透平，膨胀做功，透平后连接发电机。本发明巧妙的结合了干热岩采热所得热水温度在200℃左右和卡琳娜循环更适用于中低温热源发电的两个特点，缓解资源危机，提高发电效率，降低环境污染。

Description

一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统
技术领域
本发明涉及一种结合干热岩采热和卡琳娜循环的发电系统，属于发电装置技术领域。
背景技术
随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源与环境问题越来越成为人类关注的主题，干热岩作为一种深埋于地下的清洁能源，其蕴藏的热量十分丰富，但一直未得到大规模的开发利用。现在对其的利用还只停留在采热供暖阶段，由于干热岩所能达到的温度并不是很高，为200℃左右，属于中低温热源，若将传统动力循环（兰金循环）应用于干热岩发电，则会造成发电效率不高热损失较大的情况，本发明考虑到这点，认为在干热岩发电方面应用卡琳娜循环技术将会改善上述问题，卡琳娜循环由Alexander Kalina于1983年提出，该循环以氨-水混合物作为工质，由于工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得循环在整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系。自卡琳娜循环公布以来，围绕卡琳娜循环以及在卡琳娜循环的基础上发展的以氨-水混合物为工质的动力循环，国内外动力工程学界展开了广泛的研究和探讨，由于氨-水溶液临界温度较低，使得卡琳娜循环可以应用于低温热源，目前卡琳娜应用于地热能、工业废热、作为直燃式汽油发电机组和压燃式柴油发电机组底部循环，也应用于电冷联产的循环系统中。其中前面所提的地热能主要指蒸汽型地热和热水型地热，而关于将卡琳娜技术应用于干热岩型地热发电系统中的探讨几乎没有，本发明设想将卡琳娜技术应用于干热岩型地热发电，将两者结合起来，不仅可缓解资源危机，减少环境污染，还可以提高干热岩发电效率，可大力促进电力发展。
发明内容
本发明的目的在于充分利用干热岩采热所得热量，通过采用适用于中低温热源发电的卡琳娜动力循环，充分利用干热岩采热所得热量发电，并得到相对较高的发电效率。
一种干热岩发电系统，包括干热岩采热系统和卡琳娜动力循环系统，连接这两个系统的关键设备主要有换热器和补水箱。
干热岩采热系统主要用于以水为介质提取并获得干热岩的热量，即通过注入井注入高压冷水进入地下热储水库，经过干热岩的加热变成高温水或蒸汽，再通过生产井提取。而卡琳娜循环系统则应用前者所得的热量进行发电，两者之间通过换热器进行热量交换，即通过换热器将干热岩采热系统内高温热水或蒸汽的热量传递给卡琳娜循环系统内的工作介质（氨水混合物）。氨水混合物在换热器内吸热蒸发，经过汽液分离器后进入透平做功发电，做功后的乏汽经过冷凝系统再回到起始换热器重新吸热蒸发做功。
此外，卡琳娜循环系统内用于高压冷凝器的冷却水回收至采热系统的补水箱内，用作采热系统的补水,以此节约用水,节约能量。
本发明包括干热岩采热系统和应用卡琳娜循环技术的动力循环系统。所述干热岩采热系统通过将经过干热岩（干热岩温度为200℃左右）的加热使冷水吸收热量成为高温热水或蒸汽，提取出来作为支持动力循环的热源；所述应用卡琳娜循环技术的动力循环系统代替传统动力循环系统，该系统可以更好的匹配热源温度变化，并且提高发电效率。利用干热岩采热所得到的热量加热卡琳娜循环的工作流体氨水混合物（换热介质为水），此外，动力循环中高压冷凝器所用的冷却水从冷凝器排出后引至补水箱作为采热系统的补水，该措施回收了冷却水，节约了用水量。
本发明的有益效果是：本发明方案巧妙的结合了干热岩采热所得热水温度在200℃左右和卡琳娜循环更适用于中低温热源发电的两个特点，由此提高发电效率，并可以缓解资源危机，降低环境污染。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。其中，1为注水井，2为人工热储水库，3为生产井，4为过滤器，5为第一换热器，6为第一分离器，7为透平，8为发电机，9为第二换热器，10为第一混合器，11为低压冷凝器，12为第一升压泵，13为第二分离器，14为第二混合器，15为高压冷凝器，16为第二升压泵，17为蒸馏器，18为节流阀，19为补水箱，20为高压泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，首先从注水井井口通过高压水管灌入高压低温水，迫使高压水进入地下干热岩，在人工热储水库内，冷水被高温岩体加热变成热水或水蒸汽，再通过生产井以压力热水的形式排到地面，经过过滤器过滤后变成热流体进入第一换热器，用于加热卡琳娜循环的工作流体，放热后的流体再经过高压泵流入注水井，完成干热岩采热系统的循环。
卡琳娜循环的工作流体在第一换热器内被加热后，得到汽液混合物进入第一分离器分离成高温蒸汽和液态流体，高温蒸汽进入透平做工，透平排出的乏汽经过第二换热器放热进入第一混合器与从蒸馏器来的富水溶液混合，形成浓度较的的溶液，经过低压冷凝器冷凝，通过泵加压得到饱和低浓度流体，进入第二分离器分离成两股溶液，其中一股溶液经过第二换热器加热与第一分离器分离出来的液态流体混合进入蒸馏器分离成富水溶液和富氨溶液，其中富氨溶液与饱和第二分离器分离的另一股溶液在第二混合器内混合，再经过高压冷凝器冷凝成饱和溶液，经过泵加压得到工作溶液，工作溶液再进入第一换热器内，由此完成一个循环。
在卡琳娜动力循环系统内，高压冷凝器所用冷却水回收至干热岩采热系统的补水箱，将用过的冷却水用作补水，以免浪费。
如图1所示，图1为本发明系统结构示意图。图中1为注水井，2为人工热储水库，3为生产井，4为过滤器，5为第一换热器，6为第一分离器，7为透平，8为发电机，9为第二换热器，10为第一混合器，11为低压冷凝器，12为第一升压泵，13为第二分离器，14为第二混合器，15为高压冷凝器，16为第二升压泵，17为蒸馏器，18为节流阀，19为补水箱，20为高压泵。
所述干热岩采热系统包括注水井（1）、人工热储水库（2）、生产井（3）、补水箱（19）。过滤器（4），以及高压泵（20）和管道；所述注水井（1）与生产井（3）由人工热储水库（2）相连；所述过滤器（4）通过管道分别与生产井（3）和卡琳娜循环系统内的第一换热器相连接，对进入第一换热器内的热流体进行过滤；所述高压泵（20）通过管道与注水井（1）和卡琳娜循环系统内的第一换热器与补水箱（19）的输出汇流管道相连接，将卡琳娜循环系统内的第一换热器内经过换热的热流体与补水箱内的补水加压使之进入注水井（1）；所述补水箱（19）通过管道与卡琳娜循环系统内的高压冷凝器的冷端的出口相连接，回收部分循环冷却水。
所述人工热储水库（2）是通过水压法或爆破碎裂法形成的。
所述卡琳娜循环系统内的工作介质为氨水混合物。
所述卡琳娜动力循环系统中高压冷凝器所用的冷却水排出后引至采热系统内的补水箱，用作采热系统的补水。
所述卡琳娜循环系统包括第一换热器（5）、第二换热器（9）、低压冷凝器（11）、高压冷凝器（15）、第一混合器（10）、第二混合器（14）、第一分离器（6）、第二分离器（13）、透平（7）、发电机（8）、蒸馏器（17）、节流阀（18）、第一升压泵（12）、第二升压泵（16）和管道；所述第一分离器（6）的入口端与第一换热器（5）的吸热端出口连接，第一分离器（6）的两个出口端分别与透平（7）和蒸馏器（17）连接，将第一换热器（5）输出的汽液混合物分离成液体与蒸汽，液态流体进入蒸馏器（17），蒸汽进入透平（7）；蒸汽进入透平膨胀做功，透平（7）后边连接发电机（8）；所述第二换热器（9）放热端的进口与透平（7）出口相连，第二换热器（9）放热端的出口与第一混合器（10）进口相连，第二换热器（9）放热端另外的进出口分别与第二分离器（13）和蒸馏器（17）相连，回收利用乏汽余热；所述第一混合器（10）的进口分别与第二换热器（9）和蒸馏器（17）的一个带有节流阀（18）的出口管道相连，出口与低压冷凝器（11）的热端进口相连；所述低压冷凝器（11）热端进口与第一混合器（10）的出口相连，热端出口管道经过升压泵（16）后与第二分离器（13）相连；所述第二分离器（13）的进口端与低压冷凝器（11）的经过第一升压泵（12）的出口管道相连，一个出口端与第二混合器（14）的进口端相连，另一个出口端与第二换热器（9）的吸热端进口相连；所述第二混合器（14）混合器进口端与第二分离器（13）的出口端相连，另一个进口端与蒸馏器（17）的富氨溶液的出口端相连，第二混合器（14）出口端与高压冷凝器（15）热端的进口相连；高压冷凝器（15）热端进口与第二混合器（14）的出口端相连，热端出口管道经过第二升压泵（16）与第一换热器（5）的吸热端进口相连，冷端出口通过管道与补水箱（19）进口相连；所述第一换热器（5）吸热端进口与连接第二升压泵（16）的高压冷凝器（15）出口端管道相连，吸热端出口端与第一分离器（6）进口端相连，放热端进口与干热岩采热系统内的过滤器（4）相连，放热端出口与干热岩采热系统内的带有高压泵（20）的注水管道相连；所述蒸馏器（17）进口端和第一分离器（6）出口管道与第二换热器（9）吸热端出口管道的汇流管道经过节流阀（18）与第一混合器（10）的一个进口端相连。
所述卡琳娜动力循环系统中含有两个换热器，一个用作采热系统内高温水或蒸汽与动力循环系统内的工作流体进行换热，另一个用作回收透平乏汽的余热，将其用于分馏过程所需能量。
工程具体实施本方案时：
第一步：建立干热岩采热系统，首先开凿一眼钻井（注水井），进入温度高、渗透性低的热岩层中，利用液压和爆破碎裂法使注水井底部的干热岩形成许多孔洞或裂缝隙，然后从井口通过高压水管灌入低温水，迫使高压水进入地下热岩中，在适当部位加压，使周围产生宽几毫米长数百米的裂缝，形成人工热储水库；再另外开凿一眼钻井（生产井）钻至裂缝带，与注水井在底部密封相连。此外，建立补水箱与注入井的高压水管相连；过滤器与生产井的管道相连。
第二步：建立动力循环系统，利用管道将图1中调整后的卡琳娜循环系统的各个部件连接起来，形成一个循环系统，高压冷凝器的冷却水排放至补水箱，用于补充干热岩采热系统的注入水。
第三步：将干热岩采热系统中由生产井提取出来的高压热水和蒸汽通过过滤器后导入第一换热器，用于加热卡琳娜循环的氨水混合物。
本发明方案巧妙的结合了干热岩采热所得热水温度在200℃左右和卡琳娜循环更适用于中低温热源发电的两个特点，由此提高发电效率，并可以缓解资源危机，降低环境污染。

Claims (7)

1.一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，该发电系统包括干热岩采热系统和卡琳娜循环系统；所述干热岩采热系统用于以水为介质提取并获得干热岩的热量，而卡琳娜循环系统则应用前者所得的热量进行发电，两者之间通过换热器进行热量交换，即通过换热器将干热岩采热系统内高温热水或蒸汽的热量传递给卡琳娜循环系统内的工作介质。
2.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述干热岩采热系统包括注水井（1）、人工热储水库（2）、生产井（3）、补水箱（19）、过滤器（4），以及高压泵（20）和管道；
所述注水井（1）与生产井（3）由人工热储水库（2）相连；
所述过滤器（4）通过管道分别与生产井（3）和卡琳娜循环系统内的第一换热器相连接，对进入第一换热器内的热流体进行过滤；
所述高压泵（20）通过管道与注水井（1）和卡琳娜循环系统内的第一换热器与补水箱（19）的输出汇流管道相连接，将卡琳娜循环系统内的第一换热器内经过换热的热流体与补水箱内的补水加压使之进入注水井（1）；
所述补水箱（19）通过管道与卡琳娜循环系统内的高压冷凝器的冷端的出口相连接，回收部分循环冷却水。
3.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述人工热储水库（2）是通过水压法或爆破碎裂法形成的。
4.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统内的工作介质为氨水混合物。
5.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述卡琳娜动力循环系统中高压冷凝器所用的冷却水排出后引至采热系统内的补水箱，用作采热系统的补水。
6.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统包括第一换热器（5）、第二换热器（9）、低压冷凝器（11）、高压冷凝器（15）、第一混合器（10）、第二混合器（14）、第一分离器（6）、第二分离器（13）、透平（7）、发电机（8）、蒸馏器（17）、节流阀（18）、第一升压泵（12）、第二升压泵（16）和管道；
所述第一分离器（6）的入口端与第一换热器（5）的吸热端出口连接，第一分离器（6）的两个出口端分别与透平（7）和蒸馏器（17）连接，将第一换热器（5）输出的汽液混合物分离成液体与蒸汽，液态流体进入蒸馏器（17），蒸汽进入透平（7）；
蒸汽进入透平膨胀做功，透平（7）后边连接发电机（8）；
所述第二换热器（9）放热端的进口与透平（7）出口相连，第二换热器（9）放热端的出口与第一混合器（10）进口相连，第二换热器（9）放热端另外的进出口分别与第二分离器（13）和蒸馏器（17）相连，回收利用乏汽余热；
所述第一混合器（10）的进口分别与第二换热器（9）和蒸馏器（17）的一个带有节流阀（18）的出口管道相连，出口与低压冷凝器（11）的热端进口相连；
所述低压冷凝器（11）热端进口与第一混合器（10）的出口相连，热端出口管道经过升压泵（16）后与第二分离器（13）相连；
所述第二分离器（13）的进口端与低压冷凝器（11）的经过第一升压泵（12）的出口管道相连，一个出口端与第二混合器（14）的进口端相连，另一个出口端与第二换热器（9）的吸热端进口相连；
所述第二混合器（14）混合器进口端与第二分离器（13）的出口端相连，另一个进口端与蒸馏器（17）的富氨溶液的出口端相连，第二混合器（14）出口端与高压冷凝器（15）热端的进口相连；
高压冷凝器（15）热端进口与第二混合器（14）的出口端相连，热端出口管道经过第二升压泵（16）与第一换热器（5）的吸热端进口相连，冷端出口通过管道与补水箱（19）进口相连；
所述第一换热器（5）吸热端进口与连接第二升压泵（16）的高压冷凝器（15）出口端管道相连，吸热端出口端与第一分离器（6）进口端相连，放热端进口与干热岩采热系统内的过滤器（4）相连，放热端出口与干热岩采热系统内的带有高压泵（20）的注水管道相连；
所述蒸馏器（17）进口端和第一分离器（6）出口管道与第二换热器（9）吸热端出口管道的汇流管道经过节流阀（18）与第一混合器（10）的一个进口端相连。
7.如权利要求1中所述的一种应用卡琳娜循环技术的干热岩发电系统，其特征在于，所述卡琳娜动力循环系统中含有两个换热器，一个用作采热系统内高温水或蒸汽与动力循环系统内的工作流体进行换热，另一个用作回收透平乏汽的余热，将其用于分馏过程所需能量。
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