CN1065593C - 用于将地热液体和地热蒸汽的热量转化为电能的方法和装置 - Google Patents

用于将地热液体和地热蒸汽的热量转化为电能的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于实现热力学循环的方法和装置，包括：(1)使气态作流膨胀、将其能量转换为可用形式并形成废工作流；(2)用部分冷凝废工作流来加热多组份对向流动的液体工作流；(c)利用由冷却地热液和冷凝地热蒸汽的联会作用产生的热量来汽化被加热的工作流。

Description

用于将地热液体和地热蒸汽的热量转化为电能的方法和装置
本发明涉及一种将地热源热能转化为电能的方法和装置。本发明还涉及在包括地热液体和地热蒸汽的混合物“地热流体”的整个系统中利用地热液体和地热蒸汽两者的潜能。
地热热源一般可分为两类。第一类为“以液体为主”的热源，它主要产生热地热液体(卤水)。第二类为“以蒸汽为主”的热源，它主要产生带一些地热液体的地热蒸汽。
由地热源释放的热能转换为电能的方法在能量生产中占有一个显著的和不断增强的地位。地热发电站一般属于两类中的一类，即蒸汽发电站或卤水发电站。
在蒸汽发电站中，直接利用地热源来生产蒸汽(如通过节流和自蒸发地热液体)。然后蒸汽在透平内膨胀，产生动力。在卤水发电站中，从地热液体中提取的热量被用来汽化在动力循环中循环的工作液体。该工作液体然后在透平中膨胀，产生动力。
蒸汽发电站通常用于以蒸汽为主的地热源，而卤水电站通常用于以液体为主的地热源。美国专利US4，982，568叙述了一种将地热液体的热能在卤水电站中转化为电能的方法和装置。该方法由于采用了带多组份工作流体的热学循环和内部换热而提高了效率。
本发明的第一个方面，是以实现热力学循环的方法为特点的，它包括如下步骤：
使气态工作流膨胀，将其能量转变为可用的形式，并产生一股废工作流；
通过部分冷凝该废工作流来加热对向流动的多组份液体工作流；
利用由冷却地热液体和冷凝地热蒸汽的综合作用产生的热来汽化该被加热的工作流，以形成气态工作流。
在优先的实施例中，利用由冷却地热流体产生的热量来过热液体工作流，随即汽化，以形成气态工作流。最好通过部分冷凝废工作流来预热对向流动的多组份液体工作流，此后，它被分成第一和第二子流。第一子流然后利用由部分冷凝废工作流产生的热量被部分汽化，而第二子流利用由冷却地热液体产生的热量被部分汽化。该部分汽化的第一和第二子流然后混合，并利用由冷却地热液体和冷凝地热蒸汽的联合作用产生的热量被汽化，以形成气态工作流。第二子流的沸腾温度和地热液体温度之间的温差最好大于第一子流的沸腾温度和被冷凝的废工作流温度之间的温差。
地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用的形式，并产生一股废地热流。该废地热流然后被冷凝，以加热和部分汽化该液体工体流，此后，它与该地热液体混合，并被用于进一步汽化该液体工作流。在地热流体的地热蒸汽成份较高的场合，最好实行地热蒸汽的多级膨胀。这样，在一个优选的实施例中，由地热蒸汽第一次膨胀产生的废地热流被分成第一和第二地热子流。第一地热子流被冷凝来加热并部分汽化该液体工作流，然后与该地热液体混合。第二地热子流膨胀，将其能量转换成可用形式，并产生一股废地热子流，它然后被冷凝，以加热和部分汽化该液体工作流。该废地热子流然后跟地热液体混合。
本发明的第二个方面，是以用于实施热力学循环的装置为特点的，它包括：
用于使气态工作流膨胀，将其能量转换为可用形式并产生一废流的装置；
用于部分冷凝该废流并将该废流的热量传输给对向流动的多组份液体工作流的热交换器；
一个用于将地热流体分离为地热液体和地热蒸汽的分离器；
用于冷却地热液体和冷凝地热蒸汽，并传输地热液体和地热蒸汽的热量以汽化该液体工作流、从而形成气态工作流的多级热交换器。
在优选的实施例中，该装置包括一个用于冷却地热液体并传输其热量来过热液体工作流、从而形成气态工作流的热交换器。该装置最好还包括一个用于将被加热的液体工作流分成第一和第二子流的液体工作流分离器；一个用于部分冷凝该废工作流并传输其热量来部分汽化第一子流的热交换器；一个用于冷却地热液体并传输该被冷却的地热液体的热量来部分汽化第二子流的热交换器；一个用于混合部分汽化的第一和第二子流的流体混合器。
该装置最好还包括用于使地热蒸汽膨胀、将其能量转换成可用形式并形成废地热流的装置；
一个用于冷凝废地热流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；一个用于混合废地热流和地热液体的混合器。为了对地热流体提供较高的地热蒸汽成份，该装置还包括一个用于将在第一次膨胀中产生的废地热流分成第一和第二地热流的地热流分离器；一个用于冷凝第一地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；一个用于混合第一地热子流和地热液体的混合器；用于使第二地热子流膨胀、将其能量转换成可用形式并产生一股废地热子流的装置；一个用于冷凝废地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；一个用于混合废地热子流和地热液体的混合器。
本发明提供了一种利用地热蒸汽及地热液体(卤水)两者潜能的整体系统该系统实际上能处理在蒸汽和液体之间几乎成任何比例的所有地热源。可被利用具有不同温度和不同的蒸汽与液体比的不同井的地热流体。相对于地热液体和地热蒸汽被分别利用的系统，可获得较高的输出和效率。此外，相对于现时被用来利用这种地热源的蒸汽电力系统，其效率和输出较高。
由于该热力学循环的热源包含了冷却地热液体和冷凝地热蒸汽的综合作用，因此仅仅需要工作流体的一级膨胀(跟采用中间再加热的二级膨胀相反)。此外，由于将液体工作流体分成二子流，其中之一用由冷却地热液体转换的热量来部分汽化，而另一子流用由部分冷凝废工作流体转换的热量来部分汽化，因此具有高度矿化作用的地热流体(它只能被冷却到较高温度)也能被利用。
本发明的其它特点和优点由于下列优选实施例的叙述及权利要求书而会变得明显。
图1简略表示是本发明方法和装置的一个实施例；
图2简略表示是本发明方法和装置的第二实施例。
图1中所示的简图表示一个可用于上述循环中的优选装置的实施例。具体说来，图1表示一个系统100，它包括一重力分离器101，一个取热交换器形式的预热器109，一个取热交换器形式的过热器104，和取热交换器形式的汽化器103、106、107和108。此外，该系统100包括透平102和114，泵105和111及冷凝器110。该系统100还包括流体分离器112和流体混合器113。
冷凝器110可以是任何一种公知的排热装置。例如，冷凝器110可取热交换器的形式，诸如一种水冷系统，或其它型式的冷凝装置。
如从图1中所示，由离开地热井的地热液体(卤水)和地热蒸汽组成的地热流体被送入重力分离器101，地热液体和地热蒸汽在那里被分离。蒸汽以点41的参数离开分离器101，而液体以点51上的参数离开分离器101。此后，该蒸汽被送入蒸汽透平102，在那里，它膨胀，产生被转换成电能的动力，并以点43上的参数离开透平102。该蒸汽然后被送入热交换器103，它在那里冷凝，释放出其凝固热，并被完全冷凝。该冷凝液以点44的参数离开热交换器103。由蒸汽冷凝释放的热量在热交换器中被传输给动力循环中的工作流体。
带有点51上参数的地热液在热交换器104中被冷却，它以点52上的参数离开，并将热量传输给动力循环中的工作流体。在点44上的蒸汽冷凝液的温度大体上与点52上的地热液体的温度相等。具有点44上参数的蒸汽冷凝液由泵105泵至与点52上的地热液体的温度相等。具有点44上参数的蒸汽冷凝液由泵105泵至与点52上的地热液体压力相等，得到点45上的参数。此后，带有相应于点45上参数的蒸汽冷凝液与带有相应于点52上参数的地热液体混合，得到点53上的参数。
具有点53上参数的混合液流经热交换器106，它在那里被进一步冷却，释放出热量，该热量被传输到动力循环中的工作流体，并得点56上的参数。最后，带有点56上参数的液体流经热交换器107，它在那里被进一步冷却，释放热量，该热量被传输给动力循环中的工作流体，并得到点57上的参数，发后，地热液体从该系统中被排走，并重新被喷入地热层。
从以上讨论中可以看出，本发明的热力学动力循环采用了二种热源的地热热量，即在地热蒸汽冷凝过程中释放的热量及由液体与蒸汽冷凝液(地热流体)冷却释放的热量。动力循环运行如下。
带点21上参数的动力循环的完全冷凝的工作流体流经换热预热器109，它在那里被预热到沸腾温度，并以点40的参数流出预热器109。此后，该工作流体在流体分离器112处被分成二子流，它们相应地具有点61和点62上的参数。具有点61上参数的第一子流流经热交换器107，它在那里被液体地热流体流所加热，并部分汽化。它以点63上的参数离开热交换器107。
具有点62上参数的第二子流流经热交换器108，它在那里也被加热并部分汽化。它以点64上的参数离开热交换器108。此后，两股子流在流体混合器113处混合。该混合的子流然后被送入热交换器106，在那里利用由液体地热流体传递的热量产生进一步的汽化。
具有点62上参数的工作流体的沸点跟点38上的冷凝工作流体流的温度之间的温差被减至最小。然而，最初沸腾温度和被用于热交换器107中汽化的地热液体的最终温度之间的温差可显著超过热交换器108内的点62和38之间的最小温差。因此，有可能使点60上的温度和相应的压力最佳化，即使那里地热液体由于高度的矿化作用只能被冷却到较高的温度。
具有点69上参数的工作流体离开热交换器106，并进入热交换器103，在那里利用由地热蒸汽冷凝而产生的热量完成汽化。该工作流体带着点68的上的参数离开热交换器103，并进入热交换器104，它在那里被地热液体流过热。此后，带着点30上参数离开热交换器104的工作流体进入透平114，它在那里膨胀，产生动力。
在点36上的膨胀工作流体通常处于干或湿的饱和蒸汽状态。它然后流经热交换器108，在该处它被部分冷凝。在冷凝期间释放的热量被用于液态工作流体的最初沸腾。此后，膨胀工作流体带有点38上的参数离开热交换器108，并流经热交换器109，它在那里被进一步冷凝。该凝固热被用于预热对向流动的工作流体。被部分冷凝的工作流体带着点29上的参数离开热交换器109，并进入热交换器110，它在那里被充分冷凝，获得点14上的参数。冷凝可由冷却水、冷却空气或任何其它冷却介质来提供。被冷凝的工作流体然后由泵111泵至较高的压力，得到点21上的参数。然后重复其循环。
地热蒸汽膨胀至点43上的压力是被选定的，以期由蒸汽透平102和工作流体透平114两者获得最大的总功率输出。该多组份工作流体的组成(它包括低沸点流体和高沸点流体)同样是选定的，以期使总功率输出最大。具体地说，该组成是这样选下的，以使具有点36参数的膨胀工作流体的凝结温度高于具点60参数的同一工作流体的沸腾温度。合适的多组份工作流体的例子包括一份氨-水混合物，二份或二份以上的碳氢化合物，二份或二份以上的氟氯烷，碳氢化合物和氟氯烷的混合物，或其它类似物。在一个特殊的优选实施例中，采用了水和氨的混合物。该多组份工作蒸汽最好包括大约55％至95％的低沸点组份。
对于具有水-氨工作流体流的系统相应于图1中设定的点的各点的优选参数列于表1中。从这些数据可以看到，所建议的系统跟传统的蒸汽系统相比，其功率输出增加了1．55倍，而跟分别利用囟水和蒸汽热量的系统相比，增加了1．077倍。
在离开地热井的最初地热流体包含较大量蒸汽的场合，地热蒸汽以二级或二级以上，而不是如图1中所示的一级膨胀，而后冷凝是更可取的。在此情况下，工作流体的加热和汽化用冷却地热液体和冷凝地热蒸汽交替进行。
在图2中表示了一个包括二级地热蒸汽膨胀的系统。它和图1中所示系统的不同在于，在第一级膨胀后，带有点43参数的部分膨胀蒸汽被送入热交换器103。部分膨胀蒸汽一部分在第二蒸汽透平204中进一步膨胀，而后在被示为热交换器203的第二蒸汽冷凝器内冷凝，由泵201将其加压，然而与地热液体重新混合。在热交换器204中地热液体被用以加热处在这二个蒸汽冷凝器之间的动力循环工作流体。
虽然就一些优选实施例叙述了本发明，本领域内技术熟练的人将会知道这些实施例的一些更变和修改。例如，可增、减一些热交换器。此外，地热蒸汽取决于地热流的蒸汽成份可进行二次以上的膨胀。因此，企望所附权利要求书复盖符合本发明实际精神和范围的所有这些变更和修改。
表I
    # 绝对压强磅/吋        X     T°F 英热单位/磅     G/G30 流量磅/小时       相
    14     112.71     .7854      78.00     -12.37     1.0000     2,682,6 56      飽和液体
    21     408.10     .7854      78.00     -11.12     1.0000     2,682,656      液体90°
    23        ·     水      70.00     38.00     14.8173     39,749,694
    24        ·      水      94.70     62.70     14.8173     39,749,694
    29     113.01     .7854     133.62     353.56     1.0000     2,682,656      湿.4037
    30     385.10     .7854     386.80     811.71     1.0000     2,682.656      蒸汽67°
    36     113.61     .7854     240.46     724.15     1.0000     2,682,656      湿.0321
    38     113.31     .7854     170.00     450.61     1.0000     2,682,656      湿.2998
    40     113.61     .7854     244.90     755.37     1.0000     2,682,656     飽和蒸汽
    41     224.94     蒸汽     391.80     1200.54     .1912     513.000     飽和蒸汽
    43      84.77     蒸汽     316.09     1132.63     .1912     513.000      蒸汽0°
    44      84.77     蒸汽     316.09     286.24     .1912     513.000     飽和液体
    45     224.94     蒸汽     316.09     286.42     .1912     513,000     蒸汽0°
    51        ·     囱水     391.80     305.83     1.4143     3,794,000
    52        ·     卤水     316.09     241.48     1.4143     3,794,000
    53        ·     囱水     316.09     241.48     1.6055     4,307,000
    56        ·     囱水     240.46     177.19     1.6055     4,307,000
    57     卤水     170．00     117．30     1．6055     4，307，000
    60     393．10     ．7854     165．00     85．93     1．0000     2，682，656     饱和液体
    61     391．10     ．7854     235．46     455．64     ．2601     697，740     湿．3412
    62     391．10     ．7854     235．46     455．64     ．7399     1，984，916     湿．3412
    66     391．10     ．7854     235．46     455．64     1．0000     2，682，656     湿．3412
    69     389．10     ．7854     269．56     558．84     1．0000     2，682，656     湿．2248
    70     387．10     ．7854     311．08     720．70     1．0000     2，682，656     湿．05

Claims (18)

1．一种利用地热热量实现热力学循环的方法，包括以下步骤：
使气态工作流膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废工作流；
用部分冷凝废工作流来加热多组分对向流动液态工作流；
利用由冷却地热液体和冷凝地热蒸汽的联合作用产生的热量来汽化被加热的工作流，以形成气态工作流。
2．按权利要求1所示的方法，其特征在于包括利用由冷却地热液体产生的热量来过热液态工作流，以形成气态工作流。
3．按权利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
用部分冷凝废工作流来预热多组份对向流动液态工作流；
将被预热的液态工作流分为第一和第二子流；
用部分冷凝废工作流产生的热量来部分汽化第一子流；
用冷却地热液流体产生的热量来部分汽化第二子流；
使部分汽化的第一和第二子流混合；
利用由冷却地热液体和冷凝地热蒸汽的联合作用产生的热量来汽化该部分汽化的第一和第二子流，以形成气态工作流。
4．按权利要求3所述的方法，其特征在于第二子流和地热液体之间的温差大于第一子流和被冷凝的废工作流之间的温差。
5．按权利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
使地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废地热流；
冷凝废地热流来加热和部分汽化液体工作流；
使废地热流和地热液体混合。
6．按权利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
使地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废地热流；
将废地热流分为第一和第二地热子流；
冷凝第一地热子流来加热并部分汽化液体工作流；
使第一地热子流和地热液体混合；
使第二地热子流膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废地热子流；
冷凝废地热子流来加热和部分汽化液体工体流，
使废地热子流和地热液体混合。
7．按权利要求3所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
利用由冷却地热液体产生的热量来过热被汽化的液体工作流，以形成气态工作流。
8．按权利要求7所述的方法，其特征在于第二子流的沸腾温度和地热液体温度之间的温差大于第一子流的沸腾温度和被冷凝的废工作流温度之间的温差。
9．按权利要求7所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
使地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废地热流，
通过冷凝废地热流来加热并部分汽化液态工作流；
使废地热流和地热液体混合。
10．按权利要求7所述的方法，其特征在于包括如下步骤：
使地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用的形式，并形成废地热流；
将废地热流分为第一和第二地热子流；
通过冷凝第一地热子流来加热并部分汽化液态工作流；
使第一地热子流和地热液体混合；
使第二地热子流膨胀，将其能量转换为可用形式，并形成废地热子流；
通过冷凝废地热子流来加热并部分汽化液态工作流；
使废地热子流和地热液体混合。
11．一种利用地热热量实现热力学循环的装置，其特征在于包括：
用于使气态工作流膨胀将其能量转换为可用形式并形成废流的装置；
一个用于部分冷凝该废流并用于将该废流的热量传递给对向流动的多组份液态工作流的热交换器；
一个用于将地热流体分为地热液体和地热蒸汽的分离器；
用于冷却地热液体和冷凝地热蒸汽、并用于传输地热液体与地热蒸汽的热量来汽化液态工作流从而形成气态工作流的多级热交换器。
12．按权利要求11所述的装置，其特征在于包括一个用于冷却地热液体并传输地热液体的热量来过热液态工作流从而形成气态工作流的热交换器。
13．按权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
一个用于将被加热的液体工作流分为第一和第二子流的流体分离器；
一个用于部分冷凝废工作流并传输该废工作流的热量来部分汽化第一子流的热交换器；
一个用于冷却地热液体并传输被冷却的地热液体的热量来部分汽化第二子流的热交换器；
一个用于混合部分汽化的第一与第二子流的混合器。
14．按权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
用于使地热蒸汽膨胀，将其能量转换为可用形式并形成废地热流的装置；
一个用于冷凝该废地热流并传输该废地热流的热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合废地热流和地热液体的流体混合器。
15．按权利要求11所述的装置，其特征在于包括：
用于使地热蒸汽膨胀，将其能量传换为可用的形式并形成废地热流的装置；
一个用于将废地热流分为第一和第二地热流的蒸汽分离器；
一个用于冷凝第一地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合第一地热子流和地热液体的流体混合器，
用于使第二地热子流膨胀、将其能量转换为可用形式并形成废地热子流的装置；
一个用于冷凝废地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合废地热子流和地热液体的流体混合器。
16．按权利要求13所述的装置，其特征在于包括：
一个用于冷却地热液体、传输其热量来过热液体工作流从而形成气态工作流的热交换器。
17．按权利要求16所述的装置，其特征在于包括：
用于使地热蒸汽膨胀、将其能量转换为可用形式并形成废地热流的装置；
一个用于冷凝废地热流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合废地热流与地热液体的流动混合器。
18．按权利要求16所述的装置，其特征在于包括：
用于使地热流膨胀、将其能量转换为可用形式并形成废地热流的装置；
一个用于将废气地热流分为第一和第二地热流的流体分离器；
一个用于冷凝第一地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合第一地热子流与地热液体的流体混合器；
用于使第二地热子流膨胀、将其能量转换为可用形式并形成废地热子流的装置；
一个用于冷凝废地热子流并传输其热量来部分汽化液体工作流的热交换器；
一个用于混合废地热子流和地热液体的流体混合器。
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