CN103758593A - 基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置 - Google Patents

基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置 Download PDF

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CN103758593A CN201310647542.3A CN201310647542A CN103758593A CN 103758593 A CN103758593 A CN 103758593A CN 201310647542 A CN201310647542 A CN 201310647542A CN 103758593 A CN103758593 A CN 103758593A
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张建
李清方
陆诗建
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Abstract

一种基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置，包括蒸发器、动力机、发电机、冷凝器、循环工质储槽、工质循环泵、地热开采井和地热回灌井，从地热开采井采出的地热水经地热工质泵增压泵入蒸发器传递热量，传热量后的水进入供热用户，而后进入地热回灌井；地热水在蒸发器内把热量传给经工质循环泵泵入的低沸点有机介质换热，低沸点有机介质在蒸发器内受热汽化，从蒸发器内出来进入动力机，推动动力机并带动发电机进行发电；从动力机出来的汽体进入冷凝器，凝结成低沸点有机介质进入循环工质储槽，再经工质循环泵泵入蒸发器内受热汽化，使动动力机带动发电机连续发电。充分发挥发挥干热岩石热能潜在热能效益，为电能和热能开发增添了一条新的渠道。

Description

基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置
技术领域
本发明涉及干热岩系统发电领域，特别涉及基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置。 
背景技术
地热是一种来自地球内部的能量。据估算，储存于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7亿倍，每年从地球内部经地表散失的热量相当于1000亿桶石油的热量。地热能具有储量大、可再生、清洁环保等突出优势，能较好地补充和接替日益减少的化石能源。 
干热岩是指一般温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。干热岩地热能利用主要有两大方面: 直接利用和发电。发电方式包括直接蒸汽法、扩容法及有机朗肯循环发电。有机工质朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是以环境友好型的有机物为工质，以低温热能作为驱动能源的热力循环，由于其发电系统具有回收低温余热量大、设备紧凑、发电效率高等特点，被认为是回收低品位热能的有效技术途径之一。 
干热岩发电的潜力巨大。合理开发利用地热资源，对于缓解能源局势的紧张、改善能源结构以及实现低碳经济发展具有重要意义。 
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置。 利用该装解决利用干热岩热能发电的问题。 
本发明的技术方案是通过以下方式实现的： 
本发明包括蒸发器、动力机、发电机、冷凝器、循环工质储槽、工质循环泵、地热开采井和地热回灌井，其特征在于从地热开采井采出的地热热水经地热工质泵增压泵入蒸发器传递热量，传热量后的剩余水进入供热用户，供热后的水进入地热回灌井；地热水在蒸发器内把热量传给经工质循环泵泵入的低沸点有机介质换热，低沸点有机介质在蒸发器内受热汽化，从蒸发器内出来进入动力机，推动动力机并带动发电机进行发电；从动力机出来的汽体进入冷凝器，在冷凝器中凝结成低沸点有机介质进入循环工质储槽，循环工质储槽内的低沸点有机介质经工质循环泵泵入蒸发器内受热汽化，再进入动力机，使动动力机带动发电机连续发电。
蒸发器3设置有液位计，工质流量控制阀12与液位计联动控制工质流量。 
在冷凝器的冷却水进口与冷凝器有机朗肯循环低沸点工质出口之间设有冷却水控制阀，采用冷却水流量控制阀9与有机朗肯循环低沸点工质的出口温度联动控制冷凝器8中冷却水的流量。 
有机朗肯循环低沸点工质为R134a或R236fa或R114或R236ea或R245fa或R11或R245ca。 
干热岩热能开发工质可选用水或二氧化碳， 二氧化碳CO2膨胀性大，粘度较低，作为溶剂对岩石矿物的溶解有效性很低，可以加速能量抽取和有效消除结垢，且契合温室气体地质储存 。 
 本发明具有以下优点： 
1、可充分利用干热岩的热能，使之变成电能为国家建设所用，一本万利。
2、可以利用油田采出污水带出的干热岩热能经提温进行发电，而后回注油层驱油，一举两得，既降低了采油成本，又防止了环境污染   
3、可充分利用热煤电厂烟气捕集的二氧化碳作为干热岩热能开发工质，经提温进行发电，而后回注油层驱油形成良性循环，会产生巨大生产力，且二氧化碳膨胀性大，粘度较低，作为溶剂对岩石矿物的溶解有效性很低；选用二氧化碳作为热导工质不仅可以加速能量抽取和有效消除结垢，而且契合温室气体地质储存这一设想。   
附图说明
附图1为本发明的流程示意图。 
附图1标记说明：1－干热岩热能开采井、2－地热工质泵、3—蒸发器、4－供热用户、5－地热回灌井、6－发电机、7－动力机、8－冷凝器、9－冷却水流量控制阀、10—循环工质储槽、11－工质循环泵、12－工质流量控制阀。 
图2为案例1不同季节系统关键参数对比图，图中四个柱状的每个柱状每个柱状代表一个季节关键参数的变化，从左至右逐序每个柱状代表春季、夏季、秋季、冬季。 
图3为案例2不同季节系统关键参数对比图，图中四个柱状的每个柱状每个柱状代表一个季节关键参数的变化，从左至右逐序每个柱状代表春季、夏季、秋季、冬。 
图4为案例3不同季节系统关键参数对比图，图中四个柱状的每个柱状每个柱状代表一个季节关键参数的变化，从左至右逐序每个柱状代表春季、夏季、秋季、冬季。 
具体实施方式
为进一公开本发明的技术方案，结合说明书附图对本发明作详细说明： 
本发明包括蒸发器3、动力机7、发电机6、冷凝器8、循环工质储槽10、工质循环泵11、干热岩热能开采井1和地热回灌井5，其特征在于从干热岩热能开采井1采出的地热热水经地热工质泵2增压泵入蒸发器3传递热量，传热量后的剩余水进入供热用户，供热后的水进入地热回灌井；地热水在蒸发器内把热量传给经工质循环泵泵入的低沸点有机介质换热，低沸点有机介质在蒸发器内受热汽化，从蒸发器内出来进入动力机，推动动力机并带动发电机进行发电；从动力机出来的汽体进入冷凝器，在冷凝器中凝结成低沸点有机介质进入循环工质储槽10，循环工质储槽内的低沸点有机介质经工质循环泵泵入蒸发器内受热汽化，使动动力机带动发电机6连续发电。
来自干热岩热能开采井1的水或二氧化碳热传导流经过地热工质泵2进入蒸发器3，与蒸发器3内的低沸点介质R245ca进行换热。换热后的热传导流可送入供热用户等，进行低品位热量的继续利用，之后，导入回灌井。 
低沸点有机介质在蒸发器3内受热气化，推动动力机7并带动发电机6进行发电。从动力机7排出的气体，在冷凝器8中凝结成液态，储存于循环工质储槽10。用工质循环泵11将储槽内的低温低沸点工质送入蒸发器3，继续吸热蒸发变成气态，如此周而复始，地热传导流的热量不断地传递给低沸点介质进行连续发电。 
蒸发器3设置有液位计，工质流量控制阀12与液位计联动控制工质流量。采用冷却水流量控制阀9与有机工质的出口温度联动控制冷凝器8中冷却水的流量。 
案例一： 
系统设计工况：热源为120℃饱和水，发电量50KW，有机工质选择R245fa，冷却水温度为20℃。蒸发器内有机工质蒸发温度为105℃，冷凝器内有机工质冷凝温度为35℃，动力机的内效率取0.6，发电机效率取0.96。
（1）动力机设计方案 
动力机 温度（℃） 压力（MPa）
进口 105 1.41
出口 62.30 0.21
流量（kg/s） 有效焓降KJ/kg 效率
2.48 20.13 0.6
（2）热水型热源ORC系统蒸发器设计方案
蒸发器 地热传导流侧 有机工质侧
进口温度（℃） 120 40
出口温度（℃） 95 105
流量（kg/s） 5.38 2.48
（3）冷凝器设计方案
冷凝器 有机工质侧 冷却水侧
进口温度（℃） 62 20
出口温度（℃） 35 28
流量（kg/s） 2.48 15.7
方案假设冷却水温度为20℃，考虑到季节变化，该温度与春秋季节的情况较为接近。假定夏季冷却水温度为30℃，冬季冷却水温度为10℃，计算得到不同季节系统关键参数，见下表。见图2不同季节系统关键参数对比
案例二：
系统设计工况：热源为120℃饱和水蒸气，发电量50KW，有机工质选择R245fa，冷却水温度20℃。有蒸发器内有机工质蒸发温度为105℃，冷凝器内有机工质冷凝温度为35℃，动力机的内效率取0.6，发电机的效率取0.96。
（1）动力机设计方案 
动力机 温度（℃） 压力（MPa）
进口 105 1.41
出口 62.30 0.21
流量（kg/s） 有效焓降KJ/kg 效率
2.48 20.13 0.6
（2）蒸汽型热源ORC系统蒸发器设计方案
蒸发器 地热传导流侧 有机工质侧
进口温度（℃） 120℃饱和蒸汽 35
出口温度（℃） 120℃饱和水 105
流量（kg/s） 0.25 2.48
（3）冷凝器设计方案
冷凝器 有机工质侧 冷却水侧
进口温度（℃） 62 20
出口温度（℃） 35 28
流量（kg/s） 2.48 15.7
考虑冷却水温度随季节的变化，假定夏季冷却水温度为30℃，冬季冷却水温度为10℃，计算得到不同季节系统关键参数，见图3不同季节系统主要参数对比
案例三：
系统设计工况：热源为120℃超临界CO2热源，冷却水温度20℃，发电量50KW，有机工质选择R245fa。有机工质蒸发温度105℃，有机工质冷凝温度30℃，动力机的内效率取0.6，发电机的效率取0.96。
（1）动力机设计方案 
动力机 温度（℃） 压力（MPa）
进口 105 1.41
出口 62.30 0.21
流量（kg/s） 有效焓降KJ/kg 效率
2.48 20.13 0.6
（2）热水型热源ORC系统蒸发器设计方案
蒸发器 热水侧 工质侧
进口温度（℃） 120 35
出口温度（℃） 96 105
流量（kg/s） 17.78 2.48
（3）冷凝器设计方案
冷凝器 工质侧 冷却水侧
进口温度（℃） 62 20
出口温度（℃） 35 28
流量（kg/s） 2.48 15.7
考虑冷却水温度随季节的变化，假定夏季冷却水温度为30℃，冬季冷却水温度为10℃，计算得到不同季节系统关键参数。 
考虑冷却水温度随季节的变化，假定夏季冷却水温度为30℃，冬季冷却水温度为10℃，计算得到不同季节系统关键参数，见图4 不同季节系统中关键参数的对比 
将上述三个实施例进行技术参数对比，结果如下。
各方案对比 
Figure DEST_PATH_915365DEST_PATH_IMAGE001
三个蒸汽器主要参数对比
Figure DEST_PATH_867884DEST_PATH_IMAGE002

Claims (5)

1.一种基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置，包括蒸发器、动力机、发电机、冷凝器、循环工质储槽、工质循环泵、地热开采井和地热回灌井，其特征在于从地热开采井采出的地热热水经地热工质泵增压泵入蒸发器传递热量，传热量后的水进入供热用户，供热后的水进入地热回灌井；地热水在蒸发器内把热量传给经工质循环泵泵入的低沸点有机介质换热，低沸点有机介质在蒸发器内受热汽化，从蒸发器内出来进入动力机，推动动力机并带动发电机进行发电；从动力机出来的汽体进入冷凝器，在冷凝器中凝结成低沸点有机介质进入循环工质储槽，循环工质储槽内的低沸点有机介质经工质循环泵泵入蒸发器内受热汽化，再进入动力机，动动力机带动发电机连续发电。
2.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置，其特征在于蒸发器设置有液位计，工质流量控制阀与液位计联动控制工质流量。
3.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置，其特征在于在冷凝器的冷却水进口与冷凝器有机朗肯循环低沸点工质出口之间设有冷却水控制阀，采用冷却水流量控制阀与有机朗肯循环低沸点工质的出口温度联动控制冷凝器冷却水的流量。
4.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的干热岩热能回收发电装置，其特征在于有机朗肯循环低沸点工质为R134a或R236fa或R114或R236ea或R245fa或R11或R245ca。
5.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的有机朗肯循环的热岩热能回收发电装置，其特征在于干热岩热能开发工质可选用水或二氧化碳， 二氧化碳膨胀性大，粘度较低，作为溶剂对岩石矿物的溶解有效性很低，可以加速能量抽取和有效消除结垢，且契合温室气体地质储存 。
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