CN103726999B - 太阳能地热能联合循环发电系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能地热能联合循环发电系统及其使用方法，解决现有技术的地热发电效率降低，以及容易造成环境污染的问题。本发明包括汽水分离器、汽轮机、发电机、主蒸汽阀、太阳能集热器、太阳能蒸发器、凝汽器、冷却塔；所述汽水分离器、主蒸汽阀、汽轮机、发电机依次相连，且汽水分离器还通过管道与地热井相连通；所述太阳能蒸发器设置于太阳能集热器上，且太阳能蒸发器还与汽水分离器相连并用于蒸发汽水分离器分离出的饱和水；所述凝汽器与汽轮机相连，而所述冷却塔与凝汽器相连。本发明是一个把地热能和太阳能有机组合在一起的热力发电系统，它与传统的地热能或太阳能发电系统都有本质区别，其功能和发电效率都有很大提高。

Description

太阳能地热能联合循环发电系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能地热能联合循环发电系统及其使用方法。

背景技术

太阳能发电分为太阳能光电转换和聚光太阳能发电。本技术用于聚光太阳能发电和地热发电有机构成的联合循环发电系统。

太阳能光电转换发电系统造价昂贵，达到每千瓦10万元左右。聚光太阳能发电系统是将太阳能转变为热能，再将热能采用传统热电转换的方法将热能转变为电能。

聚光太阳能发电（ConcentratingSolarPower）简称CSP。它是继风能、光电池之后，已经开始崭露头角，有望成为解决能源匮乏、应对气候变暖的有效技术手段。国际能源署（IEA）下属的SolarPACES、欧洲太阳能热能发电协会（ESTELA）和绿色和平组织最保守的估计认为CSP到2030年在全球能源供应份额中将占3%～3.6%，到2050年占8%～11.8%，这意味着到2050年CSP装机容量将达到830GW，每年新增41GW。在未来5～10年内累计年增长率将达到17%～27%。

如果单独建设聚光太阳能发电系统，不仅要建设太阳能聚光系统，而且要建设热能发电系统，并且需要将水从环境状态加热到过热蒸汽状态。不仅增加了造价，而且热效率不高。我国太阳能丰富的地区很多地方也是地热能丰富的地区。如西藏、四川、新疆等地。如果能够将太阳能与地热能有机结合，就能够将电站功率、效率大幅度提高，造价大幅度降低，使之形成高效率、低成本的新能源发电系统，为我国的新能源事业做出贡献。

地热一般分为低温地热（60～100℃）、中温地热（100～150℃）和高温地热（150℃以上）。由于地热的温度通常都小于250℃，因此它属于低品位能源。特别是在我国绝大部分都是中低温地热资源。对于低温地热一般都是未饱和水。中温地热通常都是汽水混合物，属于饱和水。由于热能发电通常都需要将饱和水转换成蒸汽。因此，对于低温地热发电必须将未饱和水加热并蒸发成蒸汽，或者采用制冷剂做工质，用热水将制冷剂蒸发和加热成蒸汽，再用制冷剂汽轮机发电。这种制冷剂汽轮机发电效率低，而且对环境造成污染，造价成本也很高，因此也很少采用。

对于中温地热，由于地热水已经处于饱和状态，可以通过降低自身的温度和压力，释放饱和水自身的物理热来提供汽化所需要的汽化潜热，从而产生蒸汽，再用蒸汽来发电。这种产生蒸汽的方法就叫做“扩容”法，或者叫做“闪蒸”法。通过扩容，或闪蒸产生蒸汽，再通过汽轮机发电机组发电就是目前世界上广泛采用的地热发电方法。但是通过扩容产生蒸汽来发电有两个主要缺陷：

1、扩容不能够完全将饱和水变成蒸汽，以200℃的饱和水为例，其饱和压力为1.5537MPa。使其扩容温度下降到180℃，它对应的饱和压力为1.0019MPa，它只能产生4.4%的蒸汽，其余的95.6%仍然是180℃的饱和水。即使通过扩容将温度下降到100℃，也只能产生19.2%的蒸汽，其余80.8%的仍然是100℃的饱和水。因此，扩容后还有大量热水排放，浪费能源以及污染环境。

2、扩容是通过降温、降压来产生蒸汽的。根据热力学第二定律，温度下降会导致地热能的发电热效率降低。比如，地热热水的温度为200℃，环境温度为25℃时，卡诺效率为37%；当扩容压力下降，温度同时降为180℃时，卡诺效率降为了34.2%。如果扩容降温降到100℃，卡诺效率降到了20.1%，比200℃时降低了45.68%。这就意味着扩容产生蒸汽是以牺牲地热资源的热效率为代价的。对于饱和水扩容产生蒸汽的比例和卡诺效率降低见表1：

表1扩容后产生蒸汽的比例及卡诺效率表

由此可见，地热发电采用闪蒸扩容方法导致地热发电效率大大降低，同时造成环境污染。要克服这一缺陷就必须解决地热饱和水产生蒸汽的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能地热能联合循环发电系统，解决现有技术的地热发电效率降低，以及容易造成环境污染的问题。同时解决单纯的聚光太阳能发电系统的热能发电系统和低效率的问题。也就是说，对聚光太阳能发电系统只需要建设太阳能集热器，而不需要建设太阳能热力发电系统，并且发电效率大幅度提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

太阳能地热能联合循环发电系统，包括汽水分离器、汽轮机、发电机、主蒸汽阀、太阳能集热器、太阳能蒸发器、凝汽器、冷却塔；所述汽水分离器、主蒸汽阀、汽轮机、发电机依次相连，且汽水分离器还通过管道与地热井相连通；所述太阳能蒸发器设置于太阳能集热器上，且太阳能蒸发器还与汽水分离器相连并用于蒸发汽水分离器分离出的饱和水；所述凝汽器与汽轮机相连，而所述冷却塔与凝汽器相连。

进一步地，所述地热井与汽水分离器之间的管道上还设有旁路阀；所述地热井与汽水分离器之间还设有依次相连的控制阀和增压泵；且旁路阀与控制阀和增压泵并联。

再进一步地，所述汽水分离器与主蒸汽阀之间还设有太阳能过热器，所述太阳能过热器设置于太阳能集热器上。

上述太阳能地热能联合循环发电系统的使用方法，包括以下步骤：

地热能直接蒸发循环发电：

（1）将控制阀关闭，开启旁路阀，使地热井排出的饱和水直接进入到汽水分离器进行汽水分离，得到饱和蒸汽和饱和水；

（2）饱和蒸汽经主蒸汽阀进入汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能带动发电机发电；饱和水则送入太阳能蒸发器进行蒸发得到汽水混合物，然后将汽水混合物再送入汽水分离器中进行分离；使从地热井排出的饱和水通过太阳能蒸发器和汽水分离器不断进行循环分离和蒸发，并将饱和蒸汽送入汽轮机发电；

（3）经汽轮机膨胀做功以后产生的汽水混合物进入凝汽器，通过冷却塔对其进行冷却，随后将冷凝后产生的凝结水排放进入地热回灌系统，回灌入地下；

太阳能增压循环发电：

为了进一步提高地热能发电效率，本发明设置了太阳能增压循环发电系统，其工艺流程如下：

（1）将旁路阀关闭，开启控制阀，使地热井排出的未饱和水通过增压泵进行加压，然后进入汽水分离器进行汽水分离，得到经过增压后的未饱和水；

（2）将增压后的未饱和水送入汽水分离器中，再将汽水分离器中的水送入太阳能蒸发器中继续加热和蒸发；从太阳能蒸发器中出来的水为汽水混合物，并将其返回到汽水分离器中，从汽水分离器到太阳能蒸发器进行循环分离和蒸发；将从蒸发器中分离出来饱和蒸汽经主蒸汽阀进入汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能，再由汽轮机带动发电机发电；

（3）经汽轮机膨胀做功以后产生的汽水混合物进入凝汽器，通过冷却塔对其进行冷却，随后排放进入地热回灌系统，回灌入地下。

过热蒸汽发电系统：

为了进一步提高地热能的发电效率，所述饱和蒸汽在主蒸汽阀之前先送入到太阳能过热器中进行加热生成过热蒸汽，再经主蒸汽阀进入汽轮机。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明是一个把地热能和太阳能有机组合在一起的热力循环发电系统，它与传统的地热能或太阳能发电系统都有本质区别，其功能、功率和发电效率都有很大提高。

（2）本发明采用太阳能蒸发地热水，可以将地热水100%转变为蒸汽，进入汽轮机发电，比原有地热发电系统提高效率80%以上。其原因在于传统的地热发电技术中，将中温饱和水扩容成为70～80℃的饱和蒸汽。扩容后仍有80～90%的饱和水无法使用而排放掉，造成浪费和环境污染。

（3）本发明设有增压泵，能够大幅度提高蒸汽温度和压力等级，从而更进一步地提高发电效率10%左右。

（4）本发明通过设置了太阳能过热器，一方面可以进一步提高蒸汽温度，使发电效率进一步提高，另一方面可以降低汽轮机末端的蒸汽湿度，提高发电效率和汽轮机的安全性。

（5）与独立的太阳能聚光发电系统相比，太阳能地热能联合循环发电系统减少热力发电系统的投资，造价降低一倍以上，发电功率增加一倍以上，热电转换效率至少提高20%以上。

附图说明

图1为本发明-实施例1的结构示意图。

图2为本发明-实施例2的结构示意图。

图3为本发明-实施例3的结构示意图。

其中，附图中标记对应的零部件名称为：1-地热井，2-旁路阀，3-增压泵，4-汽水分离器，5-太阳能集热器，6-太阳能蒸发器，7-太阳能过热器，8-主蒸汽阀，9-汽轮机，10-发电机，11-凝汽器，12-冷却塔，13-控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1所示，太阳能地热能联合循环发电系统，包括汽水分离器4、汽轮机9、发电机10、主蒸汽阀8、太阳能集热器5、太阳能蒸发器6、凝汽器11、冷却塔12；所述汽水分离器、主蒸汽阀、汽轮机、发电机依次相连，且汽水分离器还通过管道与地热井1相连通；所述太阳能蒸发器设置于太阳能集热器上，且太阳能蒸发器还与汽水分离器相连并用于蒸发汽水分离器分离出的饱和水；所述凝汽器与汽轮机相连，而所述冷却塔与凝汽器相连。

本实施例是针对地热井排出的饱和水（压力较高）进行利用，因压力较高的饱和水能够克服管路和太阳能集热器的各项损失，故而地热井内的地热水直接进入汽水分离器将汽水混合物进行分离，产生饱和蒸汽和饱和水两部分。其中，饱和蒸汽经主蒸汽阀进入汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能带动发电机进行发电（将机械能转变为电能），从而实现从热能到电能的转换。而饱和水则通过设置于太阳能集热器上的太阳能蒸发器进行蒸发，将饱和水变为汽水混合物，再送入汽水分离器中进行分离，分离出的饱和蒸汽与地热井出来并分离出来的蒸汽一起经过主蒸汽阀进入汽轮机膨胀做功，带动电动机发电。剩余的饱和水再次进入太阳能蒸发器中吸热，产生汽水混合物，再次送入汽水分离器中进行汽水分离，从而形成太阳能将饱和水反复加热和分离，形成太阳能蒸发循环。随着循环的不断进行，太阳能集热器就将地热水中的饱和水逐步的加热成饱和蒸汽发电。随后汽轮机膨胀做功后产生的低压汽水混合物，从汽轮机末端叶片排出，进入凝汽器，用从冷却塔出来的冷却水对汽轮机排出的汽水混合物进行冷却，将低压汽水混合物冷凝为低温、低压的饱和水，这种低温低压饱和水可以通过排放管道进入地热回灌系统，回灌入地下。如果环境条件允许，从冷凝器中排出的低温饱和水还可以进行再利用，比如供暖、洗浴和地热种植等。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于所述地热井与汽水分离器之间的管道上还设有旁路阀2；所述地热井与汽水分离器之间还设有依次相连的控制阀13和增压泵3；且旁路阀与控制阀和增压泵并联。通过上述设置，当地热井排出的饱和水压力较大，即可关闭控制阀，开启旁路阀，使地热水通过旁路阀直接进入汽水分离器，后续操作与实施例1相同。

当地热水是未饱和水，或者汽水混合物的压力较低，或者有足够的太阳能可以将地热能提高温度等级时，就关闭旁路阀，开启控制阀，使地热水进入增压泵增压，地热水经增压后进入汽水分离器，进入汽水分离器后的步骤与实施例1相同，故不再此叙述。

之所会对地热水进行增压处理，其原因在于：由于有增压泵的作用，可以对地热水进一步加压，再进入太阳能蒸发器中吸热蒸发，不仅能将地热井中排出的汽水混合物全部转变为蒸汽，而且可以形成比地热井排出的汽水混合物更高的温度和压力，使汽轮机的发电效率更高。因此，本实施例除了将地热水全部变为蒸汽发电以外，还提高了地热蒸汽温度和压力，使地热能增加了额外的发电能力。

除此之外，当地热井排出的是未饱和水时，采用普通的扩容法发电是不可能的，但是采用本实施例的发电方式就可实现未饱和水的地热发电，这为我国大面积的未饱和水地热能找到了可靠、高效的发电方式。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于所述汽水分离器与主蒸汽阀之间还设有太阳能过热器7，所述太阳能过热器设置于太阳能集热器上。在实际使用过程中的区别在于，经过汽水分离器分离出的饱和蒸汽不是直接通过主蒸汽阀进入汽轮机，而是先经过设置于太阳能集热器上的太阳能过热器，通过太阳能过热器对饱和蒸汽进一步加热产生过热蒸汽，然后再通过主蒸汽阀进入汽轮机中发电。本实施例设置太阳能过热器的作用在于：一方面它可以进一步提高蒸汽温度，使发电效率进一步提高，另一方面可以降低汽轮机末端的蒸汽湿度，提高发电效率和汽轮机的安全性。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.太阳能地热能联合循环发电系统，其特征在于，包括汽水分离器（4）、汽轮机（9）、发电机（10）、主蒸汽阀（8）、太阳能集热器（5）、太阳能蒸发器（6）、凝汽器（11）、冷却塔（12）；所述汽水分离器、主蒸汽阀、汽轮机、发电机依次相连，且汽水分离器还通过管道与地热井相连通；所述太阳能蒸发器设置于太阳能集热器上，且太阳能蒸发器还与汽水分离器相连并用于蒸发汽水分离器分离出的饱和水；所述凝汽器与汽轮机相连，而所述冷却塔与凝汽器相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能地热能联合循环发电系统，其特征在于，所述地热井与汽水分离器之间的管道上还设有旁路阀（2）；所述地热井与汽水分离器之间还设有依次相连的控制阀（13）和增压泵（3）；且旁路阀与控制阀和增压泵并联。

3.根据权利要求2所述的太阳能地热能联合循环发电系统，其特征在于，所述汽水分离器与主蒸汽阀之间还设有太阳能过热器（7），所述太阳能过热器设置于太阳能集热器上。

4.根据权利要求2～3任一项所述的太阳能地热能联合循环发电系统的使用方法，其特征在于：

太阳能直接蒸发循环发电：

（1）将控制阀关闭，开启旁路阀，使地热井排出的饱和水直接进入到汽水分离器进行汽水分离，得到饱和蒸汽和饱和水；

（2）饱和蒸汽经主蒸汽阀进入汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能带动发电机发电；饱和水则送入太阳能蒸发器进行蒸发得到汽水混合物，然后将汽水混合物再送入汽水分离器中进行分离；

（3）经汽轮机膨胀做功以后产生的汽水混合物进入凝汽器，通过冷却塔对其进行冷却，随后排放进入地热回灌系统，回灌入地下；

太阳能增压循环发电：

（1）将旁路阀关闭，开启控制阀，使地热井排出的未饱和水进入增压泵进行加压，然后通入汽水分离器进行汽水分离，得到经过增压后的未饱和水；

（2）将增压后的未饱和水送入汽水分离器中，再将汽水分离器中的水送入太阳能蒸发器中继续加热、蒸发，得到汽水混合物，再将汽水混合物返回到汽水分离器中，分离出的饱和蒸汽经主蒸汽阀进入汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能带动发电机发电；分离出的水则再送入太阳能蒸发器中进行加热、蒸发，随后再进入汽水分离器进行分离；

（3）经汽轮机膨胀做功以后产生的汽水混合物进入凝汽器，通过冷却塔对其进行冷却，随后排放进入地热回灌系统，回灌入地下。

5.根据权利要求4所述的太阳能地热能联合循环发电系统的使用方法，其特征在于，所述饱和蒸汽经主蒸汽阀之前先通入到太阳能过热器进行加热生成过热蒸汽，再经主蒸汽阀进入汽轮机。