CN106870043B

CN106870043B - 利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法

Info

Publication number: CN106870043B
Application number: CN201710253260.3A
Authority: CN
Inventors: 尹小林
Original assignee: Changsha Zichen Technology Development Co Ltd
Current assignee: Changsha Zichen Technology Development Co Ltd
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN106870043A

Abstract

本发明提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法，公开的系统包括液态CO₂储罐、高压泵/压缩机、地热能CO₂蓄能装置、地热生产井、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却器和CO₂压缩机；还公开以低压液态CO₂流体为工质，采用地热水与低温CO₂流体热交换形成不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体后，经稳流调节器调节成等压超临界CO₂流体后实现发电的方法。该装备系统及方法采用地热生产井中70～300℃的地热水中的热能对液态CO₂进行蓄能，调质后实现二氧化碳循环发电，能够高效回收热能量，具有较高的热效率，有效存储并利用地热中的能量，实现能量的灵活调节利用。

Description

利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法

技术领域

本发明涉及低碳与能源利用设备的技术领域，具体涉及一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法。

背景技术

气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而工业排放的二氧化碳被认为是导致气候变暖的主要原因。我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源作为能源结构。随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO₂排放具有增长快、总量大的特点，为应对气候变化发展低碳能源尤其是可再生能源和新能源已成为人们的共识，地热资源利用发电及超临界二氧化碳发电等已受到广泛关注。

地热主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。离地球表面5000米深，15℃以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.5×10²¹KJ，约相当于4948万亿吨标准煤的热量。按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。我国将地热资源按温度划分为高温地热(高于150℃)和中低温地热(低于150℃)，高温地热主要用于发电，中低温地热通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。我国地热资源分布广泛，资源丰富。全国地热可开采资源量为每年68亿立方米，所含地热量为973万亿千焦耳。据河北省地矿局计算，仅河北平原可采地热资源量达4.93×10²⁰KJ，相当于168147亿吨标准煤。该区域地热资源主要赋存于上第三系砂岩和古生界及中上元古界的古潜山碳酸盐岩储水层，主要分布在华北断坳构造沉降区，热储层埋藏深度较浅，埋深3000m以浅地热资源分布广泛，出水口热水温度最高达96℃。虽说有各种梯级开发应用方案，但目前地热资源开发利用类型单一，废弃的地热水温度高，地热资源远未得到充分利用，浪费严重。迫切需要新的技术方案实现地热资源的可持续利用，发挥地热资源在发展低碳经济产业和节能减排中的作用。

为此，国内外科技工作者进行了大量的研究，其中由中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司申请的中国专利CN204672103U提供的“一种利用地热的二氧化碳捕集、发电与封存装置”代表了先进技术水平，其将经冷却器冷却的CO₂压缩液化压入地热层，一部分二氧化碳永久封存在地下，一部分二氧化碳在地热层中加热增压后通过管道输送至地面，在二氧化碳膨胀机中转化为机械能带动二氧化碳发电机产生电力。但该方案存在如下主要问题：其一，将液化CO₂压入地热层再从另一处钻井用管道引出，投资大、耗能大；其二，液化CO₂压入地热层，除风险大、且客观上不可控、易发生安全事故外，压入的CO₂还将酸化地质并置换出地质层大量的烃类如甲烷等进入大气生态圈，造成不可预期的环境危害。

而随CCS技术应用发展起来的超临界二氧化碳发电系统较传统的热能发电系统的系统热效率、总重及占地面积、污染物排放等方面表现出显著的优势，但在应用上尚存在诸多的瓶颈，其一，现有的超临界二氧化碳发电系统其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础，客观上要求用高效换热器等压加热二氧化碳工质，因此，现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器(PCHE)，它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，能满足用换热器等压加热二氧化碳工质的要求，但其机构复杂，投资大；其二，现行的超临界二氧化碳发电系统包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，其循环过程为超临界二氧化碳经压缩机升压——用换热器等压加热二氧化碳工质——工质进入涡轮机推动涡轮做功带动电机发电——工质进入冷却器——再进入压缩机形成闭式循环，系统投资大；其三，现行的超临界二氧化碳布雷顿循环要求压缩机参数处于近临界点，降低换热端差，其压缩机压缩过程中压缩功仍占涡轮输出功的30％以上，实际运用的压缩过程中压缩功仍占到涡轮输出功的40％到50％，即系统的压缩机自耗能仍偏高；再者，其系统循环的高效率需建立在冷凝器出口即压气机吸入口(循环起点)的二氧化碳仍处于32℃、7.4MPa超临界状态的临界点上，超临界二氧化碳发电系统运行状态控制难度大，仍需要开展控制研究。现有的超临界CO₂循环发电技术装备并不太适合我国国情。

CN103743580B公开一种增强型地热系统开发试验装置，包括二氧化碳钢瓶、二氧化碳超临界输送装置、模拟干热岩反应器、二氧化碳透平机、高压变频柱塞泵、PLC数据采集系统，二氧化碳钢瓶的二氧化碳经过二氧化碳流量调节阀和压力调节阀进入二氧化碳超临界输送装置增至高压进入模拟干热岩反应器进行升温，升温后的高温高压二氧化碳CO2流进入二氧化碳透平机，二氧化碳透平机带动发电机或动力机器进行能量转化；二氧化碳透平机出来的较低品位的二氧化碳进入换热器，经过热交换之后的二氧化碳被高压变频柱塞泵送回模拟干热岩反应器进行循环利用。该装置以二氧化碳作为干热岩热传导流，采用模拟干热岩反应器进行热交换，作为一个地热能开发模拟系统，对于实际地热的利用具有一定的意义，但在实际运用过程中仍存在不足。

鉴于此，迫切需要开发一种适应于我国广阔地域基本环境和经济状况，能有效利用地热资源尤其是易得的不同温度的地热能为能源的CO₂循环发电的装备系统及方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明有必要提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统及方法，以捕集的二氧化碳为工质，利用不同温度的地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，以及利用不同温度的地热能实现二氧化碳循环发电的方法，自耗能低、投资低、安全度高、环境友好、运行成本低。

一方面，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，包括液态CO₂储罐、高压泵/压缩机、地热能CO₂蓄能装置、地热生产井、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却器和CO₂压缩机；

所述液态CO₂储罐的出口与高压泵/压缩机的进口相连通，所述高压泵/压缩机的出口与地热能CO₂蓄能装置的进口相连通，所述地热能CO₂蓄能装置的出口与稳流调节器的进口相连通，所述稳流调节器的出口与涡轮机/活塞式膨胀机的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机与发电机轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机的出口与冷却器的进口相连通，所述冷却器的出口与CO₂压缩机的进口相连通，所述CO₂压缩机的出口分别与地热能CO₂蓄能装置的进口、液态CO₂储罐的进口相连通；

所述地热能CO₂蓄能装置，用于将低温CO₂流体直接与不同温度的地热水进行热交换转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体；

所述稳流调节器，用于将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体转化为等压超临界CO₂流体；

所述不同温度的地热水来自地热生产井中70～300℃的地热水，所述地热能即为70～300℃的地热水中的热能；

所述稳流调节器包括稳流调节器本体、导流混合机构、进口管路和出口管路；所述导流混合机构设置在稳流调节器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流调节器本体外侧上；所述进口管路与地热能CO₂蓄能装置的出口连接；所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述地热能CO₂蓄能装置包括并联设置的两台以上台式地热能CO₂蓄能装置、并联设置的两台以上井式地热能CO₂蓄能装置、并联设置的一台以上台式地热能CO₂蓄能装置和一台以上井式地热能CO₂蓄能装置。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述井式地热能CO₂蓄能装置包括第一CO₂流体蓄能机构、支架三、第一逆止阀、第一调节阀，所述第一CO₂流体蓄能机构通过支架三悬挂设置在地热生产井内，所述第一逆止阀与第一CO₂流体蓄能机构的进口相连接；所述第一调节阀与第一CO₂流体蓄能机构的出口相连接；所述第一逆止阀、第一调节阀分别设置在地热生产井外侧，所述第一CO₂流体蓄能机构为第一热交换器，第一热交换器内的工作介质为CO₂流体。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述台式地热能CO₂蓄能装置包括装置本体、第二CO₂流体蓄能机构、地热水进口管道、地热水进口管道阀、地热水出口管道、地热水出口管道阀、第二逆止阀、第二调节阀，所述第二CO₂流体蓄能机构设置在装置本体内，所述第二逆止阀与第二CO₂流体蓄能机构的进口管道相连接；所述第二调节阀与第二CO₂流体蓄能机构的出口管道相连接；所述第二逆止阀、第二调节阀、地热水进口管道阀、地热水出口管道阀分别设置在装置本体外侧，所述地热水进口管道阀设置在装置本体外的地热水进口管道上；所述地热水出水口管道阀设置在装置本体外的地热水出口管道上；所述第二逆止阀与地热水出口管道阀设置在装置本体同一侧；所述第二调节阀与地热水进口管道阀设置在装置本体同一侧；所述第二CO₂流体蓄能机构为第二热交换器，第二热交换器内的工作介质为CO₂流体；所述地热水进口管道与地热泵的出口连接；所述地热泵的入口与地热生产井连通；所述地热水出口管道与地热回流井连通。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述第一热交换器或第二热交换器可以是耐热的箱式热交换器、板式热交换器、螺旋绕管式空心管热交换器、盘式空心管热交换器或列管式热交换器。

所述装置本体外设置有支架一，用于固定台式地热能CO₂蓄能装置。

所述稳流调节器本体外设置有支架二，用于固定稳流调节器。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述进口管路上设置有第一温压感应器、流量计、分配器、第三逆止阀；所述出口管道设置有调压阀、第二温压感应器；所述导流混合机构包括螺旋叶片、折流板或多孔板中的至少一种。所述第一温压感应器、流量计、分配器、调压阀、第二温压感应器均与控制器连接。所述装置本体、调节阀、安全阀均与控制器电连接。所述高压泵/压缩机、台式地热能CO₂蓄能装置、井式地热能CO₂蓄能装置、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机和压缩机均与控制器电连接。本发明的控制器用于对整个装备系统的控制、数据分析、数据处理存储等等。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述CO₂压缩机的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口与地热能CO₂蓄能装置的进口相连通；

所述回热器的低压流体进口与涡轮机/活塞式膨胀机的出口相连通，所述回热器的低压流体出口与冷却器的进口相连通。

更进一步地，本发明的目的在于提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其中，所述装备系统还包括回热器；所述CO₂压缩机的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口分别与地热能CO₂蓄能装置、井式地热能CO₂蓄能装置等装置中的至少一种的进口相连通；

本发明的地热能CO₂蓄能装置简单高效、应用安全，可有效地将二氧化碳进行热交换，吸收地热水带来的高温热能。

另一方面，本发明的目的在于提供一种利用本发明所述的装备系统实现二氧化碳循环发电的方法，具体过程如下：

1)液态CO₂泵送：液态CO₂储罐中的低压液态CO₂流体经高压泵/压缩机连续压入地热能CO₂蓄能装置；

2)CO₂蓄能：CO₂流体在地热能CO₂蓄能装置中与不同温度的地热水进行热交换后，转换为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体；

3)稳流与发电：波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体通过稳流调节器进口管路上的分配器分配进入导流混合机构内的不同波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体的量，在导流混合机构的导流和混合作用下，使得稳流器出口管路输出等压超临界CO₂流体，等压超临界CO₂流体稳定供给涡轮机/活塞式膨胀机作功驱动发电机发电；

4)循环：经涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO₂流体，低压CO₂流体经冷却器、压缩机作用，流出的高压CO₂流体进入地热能CO₂蓄能装置，实现二氧化碳循环发电。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，步骤2)所述热交换是指通过地热泵将地热生产井中的地热水泵入地热能CO₂蓄能装置与低温CO₂流体进行热交换。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，步骤2)所述热交换是指通过井式地热能CO₂蓄能装置中的低温CO₂流体直接与地热生产井中的地热水进行热交换。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，步骤2)所述热交换是指通过地热泵将地热生产井中的地热水泵入地热能CO₂蓄能装置与低温CO₂流体进行热交换和通过井式地热能CO₂蓄能装置中的低温CO₂流体直接与地热生产井中的地热水进行热交换两种方式的联合使用。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，所述步骤4)中低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入地热能CO₂蓄能装置中循环蓄能使用。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，所述步骤4)中低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐后，经高压泵/压缩机泵出再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，所述步骤4)中还包括回热利用，即低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩，压缩的高压流体经回热器吸收余热进入地热能CO₂蓄能装置中循环使用。

进一步地，本发明的目的在于提供一种利用水泥厂余热实现二氧化碳循环发电的方法，其中，所述步骤4)中还包括回热利用，即低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐，经高压泵/压缩机压缩再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用。

本发明以液态CO₂储罐中的低压液态CO₂流体为工质，通过高压泵/压缩机将液态CO₂储罐中的液态CO₂连续压入地热能CO₂蓄能装置；地热能CO₂蓄能装置以高压CO₂流体为工质吸收不同温度的地热水的热能进行热交换，转化为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体后；不同温度的地热水的热能与低压CO₂流体进行热交换有如下来源方式：A)通过地热泵将地热生产井中的地热水泵入地热能CO₂蓄能装置进行热交换；B)通过井式地热能CO₂蓄能装置中的低温CO₂流体直接吸收地热生产井中的地热水的热能进行热交换；C)方式A)和方式B)的联合使用；高压热态超临界CO₂流体经稳流调节器调节为等温等压CO₂热流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机作功驱动发电机发电，经涡轮机或活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO₂流体；排出低压CO₂流体送入地热能CO₂蓄能装置循环有如下处理方式：I)低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入地热能CO₂蓄能装置中循环使用；II)低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐后，经高压泵/压缩机再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用；III)低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩，压缩的高压流体经回热器吸收余热进入地热能CO₂蓄能装置中循环使用；IV)低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐，经高压泵/压缩机再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用；从而实现二氧化碳循环发电供应生产之用或供电网。

相比现有技术，具有如下有益效果：

1)本发明提供的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，采用地热生产井中70～300℃的地热水中的热能对液态CO₂进行蓄能，通过稳流变成等压等温的超临界流体，实现二氧化碳循环发电，保证发电的稳定和能量利用的广泛，能够高效回收热能量，具有较高的热效率，有效存储并利用地热中的能量，实现能量的灵活调节利用，减少地热水的能量损失，充分利用地热资源，实现地热资源的可持续利用，发挥地热资源的优势，实现低碳和节能减排。本清洁发电技术的推广应用，可有效减少燃煤应用，还可有效降减日益增长的煤电生产对环境的巨大污染。

2)设置稳流调节器实现将不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体调整为等温等压的超临界CO₂流体，满足发电系统对稳压CO₂流体的需求，稳定发电系统运行工况和稳定输出电能，过程可控，安全系数高。

3)本发明系统中的地热能CO₂蓄能装置结构简单，部分装置可直接设置在地热生产井内与地热水进行热交换，部分装置通过地热泵将地热水抽入装置内部进行热交换，通过CO₂流体直接吸收热能和强辐射热能实现对地热能的回收和利用，可以适当减少装置的设置，减少装备的运行电耗；相比现有技术的地热发电技术，本发明的地热能CO₂蓄能装置能利用的地热范围更广，热能利用率更高，产能更高。

4)本发明提供的装备系统及方法，选用我国广阔地域易得的地热能，因地制宜地设置台式地热能CO₂蓄能装置和/或井式地热能CO₂蓄能装置，有效获取清洁能源，发挥地热能资源的作用，实现节能减排循环发电。

5)本发明提供的装备系统中经涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO₂流体还需经过回热器回收热能，进一步降低冷却器冷却的功耗，通过将经过压缩机压缩的流体在回热器中吸收热能，进一步回收热能，实现节能和低能耗。

6)本发明针对我国丰富的地热资源条件，开发的利用地热能为能源的CO₂循环发电装备系统，其方法技术新颖，流程简单，实施的设备系统占地小，投资小，系统自耗能低，产能高，运行费用低，系统设备操控简单而可靠，易于实现自动化控制，具有良好的实用性和经济性。且二氧化碳无毒，不易燃，密度高且热容高，可以回收循环重复利用，无污染且节约能源，工作稳定性高，使用寿命长，实用性强，环境友好。本发明有益于CCS技术的推广应用和全球应对气候变化的碳减排行动，可避免CO₂的深层地质封存和深海封存对地球环境造成的不可预期的影响，如液化CO₂将地质层甲烷和深海水合物甲烷大规模置换进入地球大气圈可能造成的灾难性风险。

附图说明

图1为实施例1所述的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。

图2为本发明所述的台式地热能CO₂蓄能装置的结构示意图。

图3为本发明所述的稳流调节器的结构示意图。

图4为本发明所述的井式地热能CO₂蓄能装置的结构示意图。

图5为实施例2所述的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。

图6为实施例3所述的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统的结构示意图。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不受下述实施例的限定。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

实施例1

如图1～4所示，本发明提供一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，主要包括液态CO₂储罐1、高压泵/压缩机2、地热能CO₂蓄能装置、稳流调节器4、涡轮机/活塞式膨胀机5、发电机6、冷却器8、压缩机9，所述液态CO₂储罐1的出口与高压泵/压缩机2的进口相连通，所述高压泵/压缩机2的出口与地热能CO₂蓄能装置的进口相连通，所述地热能CO₂蓄能装置的出口与稳流调节器4的进口相连通，所述稳流调节器4的出口与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口相连通，所述涡轮机/活塞式膨胀机5与发电机6轴连接，所述涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与冷却器8的进口相连通，所述冷却器8的出口与CO₂压缩机9的进口相连通，所述CO₂压缩机9的出口分别与地热能CO₂蓄能装置的进口、液态CO₂储罐1的进口相连通；所述发电机6产生的电力送往电网；实现二氧化碳循环发电供应水泥生产之用或供电网。

具体表现为以液态CO₂储罐1中的低压液态CO₂流体为工质，通过高压泵/压缩机2将液态CO₂储罐1中的液态CO₂连续压入地热能CO₂蓄能装置；地热能CO₂蓄能装置以低压CO₂流体为工质吸收不同温度的地热水的热能进行热交换，转化为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体后；高压热态超临界CO₂流体经稳流调节器4调节为等压CO₂热流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO₂流体；低压CO₂流体经冷却器8冷却、CO₂压缩机9压缩，流出的高压CO₂流体进入地热能CO₂蓄能装置；或低压CO₂流体经冷却器8冷却、CO₂压缩机9压缩送入液态CO₂储罐1后，经高压泵/压缩机2泵出再次送入地热能CO₂蓄能装置；从而实现二氧化碳循环发电供应生产之用或供电网。

在本实施例中，地热能CO₂蓄能装置包括台式地热能CO₂蓄能装置3A、井式地热能CO₂蓄能装置3B，台式地热能CO₂蓄能装置3A、井式地热能CO₂蓄能装置3B是并列设置的，所述高压泵/压缩机2的出口分别与台式地热能CO₂蓄能装置3A、井式地热能CO₂蓄能装置3B的进口相连通，所述台式地热能CO₂蓄能装置3A、井式地热能CO₂蓄能装置3B的出口与稳流调节器4的进口相连通。通过台式地热能CO₂蓄能装置3A、井式地热能CO₂蓄能装置3B以低压CO₂流体为工质吸收不同温度的地热水的热能实现热交换，由于地热能CO₂蓄能装置工作环境不同，地热能的温度也有区别，地热水用于转化的余热和辐射热也有区别，因此转化为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体后；高压热态超临界CO₂流体进入稳流调节器4进行调节。

如图2所示，所述台式地热能CO₂蓄能装置3A包括装置本体3A31、第二CO₂流体蓄能机构3A3、地热水进口管道、地热水进口管道阀3A32、地热水出口管道、地热水出口管道阀3A33、第二逆止阀3A35、第二调节阀3A36，所述第二CO₂流体蓄能机构3A3设置在装置本体3A31内，所述第二逆止阀3A35与第二CO₂流体蓄能机构3A3的进口管道相连接；所述第二调节阀3A36与第二CO₂流体蓄能机构3A3的出口管道相连接；所述第二逆止阀3A35、第二调节阀3A36、地热水进口管道阀3A32、地热水出口管道阀3A33分别设置在装置本体3A31外侧，所述地热水进口管道阀3A32设置在装置本体3A31外的地热水进口管道上；所述地热水出水口管道阀3A33设置在装置本体3A31外的地热水出口管道上；所述逆止阀3A35与地热水出口管道阀3A33设置在装置本体3A31同一侧；所述第二调节阀3A36与地热水进口管道阀3A32设置在装置本体3A31同一侧；所述第二CO₂流体蓄能机构3A3为第二热交换器3A34，第二热交换器3A34内的工作介质为CO₂流体；所述地热泵的出口与地热水进口管道连接；所述地热泵的入口与地热生产井连通；所述地热水出口管道与地热回流井连通。所述装置本体3A31外设置有支架一3A2，用于固定台式地热能CO₂蓄能装置。

如图3所示，所述井式地热能CO₂蓄能装置3B包括第一CO₂流体蓄能机构3B1、支架三3B4、第一逆止阀3B2、第一调节阀3B3，所述第一CO₂流体蓄能机构3B1通过支架三3B4悬挂设置在地热生产井内，所述第一逆止阀3B2与第一CO₂流体蓄能机构3B1的进口相连接；所述第一调节阀3B3与第一CO₂流体蓄能机构3B1的出口相连接；所述第一逆止阀3B2、第一调节阀3B3分别设置在地热生产井外侧，所述第一CO₂流体蓄能机构3B1为第一热交换器，第一热交换器内的工作介质为CO₂流体。

如图4所示，所述稳流调节器4包括稳流调节器本体41、导流混合机构42、进口管路43和出口管路44；所述导流混合机构42设置在稳流调节器本体41内，所述进口管路43和出口管路44均设置在稳流调节器本体41上；所述进口管路43与地热能CO₂蓄能装置的出口连接；所述出口管路44与涡轮机/活塞式膨胀机5的进口连接；所述进口管路43上设置有第一温压感应器431、流量计432、分配器433、第三逆止阀434；所述出口管道44设置有调压阀441、第二温压感应器442；所述导流混合机构42包括螺旋叶片421、折流板422或多孔板423中的至少一种。波动的、不同温度和不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体经地热能CO₂蓄能装置的出口流出后，进入进口管路43，通过第一温压感应器431检测管路中的超临界CO₂流体的温度和压力，依照涡轮机/活塞式膨胀机5发电需要的超临界CO₂流体的温度和压力，通过流量计432检测流量，分配器433控制管路上各种超临界CO₂流体的流量，使得进入稳流调节器本体41内的超临界CO₂流体经过导流混合机构42的作用后，出口管路44上的第二温压感应器442检测管路中输出的等压等温的超临界CO₂流体的温度和压力符合要求。

实施例2

如图5所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，还包括回热器7；涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与回热器7的低压流体进口相连通，回热器7的低压流体出口与冷却器8的进口相连通，冷却器8的出口与CO₂压缩机9的进口相连通，CO₂压缩机9的出口分别与回热器7的高压流体进口、液态CO₂储罐1的进口相连通。经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO₂流体，低压CO₂流体经回热器7回收余热后再经冷却器8冷却、CO₂压缩机9压缩送入液态CO₂储罐1中供循环，或CO₂压缩机9压缩的流体经回热器7吸收余热后进入地热能CO₂蓄能装置中，实现二氧化碳循环发电。通过回热器7回收余热使得能量损耗更少，使得冷却器8的功耗更低，能源利用合理。

实施例3

如图6所示，实施例3与实施例1的不同之处在于，地热能CO₂蓄能装置包括两台并列设置的台式地热能CO₂蓄能装置3A，装备系统中还包括回热器7；所述高压泵/压缩机2的出口分别与两台台式地热能CO₂蓄能装置3A的进口相连通，两所述台式地热能CO₂蓄能装置3A的出口均与稳流调节器4的进口相连通；涡轮机/活塞式膨胀机5的出口与回热器7的低压流体进口相连通，回热器7的低压流体出口与冷却器8的进口相连通，冷却器8的出口与CO₂压缩机9的进口相连通，CO₂压缩机9的出口分别与回热器7的高压流体进口、液态CO₂储罐1的进口相连通。

通过两台台式地热能CO₂蓄能装置3A以低压CO₂流体为工质吸收不同温度的地热水的热能实现热交换，由于两地热能CO₂蓄能装置工作环境可能不同，地热能的温度也有区别，地热水用于转化的余热和辐射热也有区别，因此转化为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体后；高压热态超临界CO₂流体进入稳流调节器4进行调节；两种不同温度和不同能量密度的高压热态CO₂流体经稳流调节器4调节为等温等压热流体稳定供给涡轮机或活塞式膨胀机5作功驱动发电机6发电，经涡轮机或活塞式膨胀机5作功释能后排出低压CO₂流体，低压CO₂流体经回热器7回收余热后再经冷却器8冷却、CO₂压缩机9压缩送入液态CO₂储罐1中供循环，或CO₂压缩机9压缩的流体经回热器7吸收余热后分别进入两台台式地热能CO₂蓄能装置3A中，实现二氧化碳循环发电。通过回热器7回收余热使得能量损耗更少，使得冷却器8的功耗更低，能源利用合理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，包括液态CO₂储罐、高压泵/压缩机、地热能CO₂蓄能装置、稳流调节器、涡轮机/活塞式膨胀机、发电机、冷却器和CO₂压缩机；

所述地热能CO₂蓄能装置，用于将低压液态CO₂流体直接与不同温度的地热水进行热交换转化为不同温度、不同压力、不同能量密度的超临界CO₂流体；

所述稳流调节器包括稳流调节器本体、导流混合机构、进口管路和出口管路；所述导流混合机构设置在稳流调节器本体内，所述进口管路和出口管路均设置在稳流调节器本体外侧上；所述进口管路与地热能CO₂蓄能装置的出口连接；所述出口管路与涡轮机/活塞式膨胀机的进口连接；

所述地热能CO₂蓄能装置包括并联设置的两台以上台式地热能CO₂蓄能装置、并联设置的两台以上井式地热能CO₂蓄能装置、并联设置的一台以上台式地热能CO₂蓄能装置和一台以上井式地热能CO₂蓄能装置；

所述井式地热能CO₂蓄能装置包括第一CO₂流体蓄能机构、支架三、第一逆止阀、第一调节阀，所述第一CO₂流体蓄能机构通过支架三悬挂设置在地热生产井内，所述第一逆止阀与第一CO₂流体蓄能机构的进口相连接；所述第一调节阀与第一CO₂流体蓄能机构的出口相连接；所述第一逆止阀、第一调节阀分别设置在地热生产井外侧，所述第一CO₂流体蓄能机构为第一热交换器，第一热交换器内的工作介质为CO₂流体；

所述台式地热能CO₂蓄能装置包括装置本体、第二CO₂流体蓄能机构、地热水进口管道、地热水进口管道阀、地热水出口管道、地热水出口管道阀、第二逆止阀、第二调节阀，所述第二CO₂流体蓄能机构设置在装置本体内，所述第二逆止阀与第二CO₂流体蓄能机构的进口管道相连接；所述第二调节阀与第二CO₂流体蓄能机构的出口管道相连接；所述第二逆止阀、第二调节阀、地热水进口管道阀、地热水出口管道阀分别设置在装置本体外侧，所述地热水进口管道阀设置在装置本体外的地热水进口管道上；所述地热水出水口管道阀设置在装置本体外的地热水出口管道上；所述第二逆止阀与地热水出口管道阀设置在装置本体同一侧；所述第二调节阀与地热水进口管道阀设置在装置本体同一侧；所述第二CO₂流体蓄能机构为第二热交换器，第二热交换器内的工作介质为CO₂流体；所述地热水进口管道与地热泵的出口连接；所述地热泵的入口与地热生产井连通；所述地热水出口管道与地热回流井连通；

所述进口管道上设置有第一温压感应器、流量计、分配器、第三逆止阀；所述出口管道设置有调压阀、第二温压感应器；所述导流混合机构包括螺旋叶片、折流板或多孔板中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括回热器；所述CO₂压缩机的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口与地热能CO₂蓄能装置的进口相连通；

3.根据权利要求2所述的利用地热能实现二氧化碳循环发电的装备系统，其特征在于，所述装备系统还包括回热器；所述CO₂压缩机的出口与回热器的高压流体进口相连通，所述回热器的高压流体出口与地热能CO₂蓄能装置的进口相连通；

4.一种利用权利要求1~3任一所述的装备系统实现二氧化碳循环发电的方法，其特征在于，具体过程如下：

1）液态CO₂泵送：液态CO₂储罐中的低压液态CO₂流体经高压泵/压缩机连续压入地热能CO₂蓄能装置；

2）CO₂蓄能：CO₂流体在地热能CO₂蓄能装置中与不同温度的地热水进行热交换后，转换为波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体；

所述热交换有如下方式：A）通过地热泵将地热生产井中的地热水泵入地热能CO₂蓄能装置与低温CO₂流体进行热交换；B）通过井式地热能CO₂蓄能装置中的低温CO₂流体直接与地热生产井中的地热水进行热交换；C）方式A）和方式B）的联合使用；

3）稳流与发电：波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体通过稳流调节器进口管路上的分配器分配进入导流混合机构内的不同波动的和/或不同温度、不同热能密度的高压热态超临界CO₂流体的量，在导流混合机构的导流和混合作用下，使得稳流器出口管路输出等压超临界CO₂流体，等压超临界CO₂流体稳定供给涡轮机/活塞式膨胀机作功驱动发电机发电；

4）循环：经涡轮机/活塞式膨胀机作功释能后排出低压CO₂流体，低压CO₂流体经冷却器、CO₂压缩机作用，流出的高压CO₂流体进入地热能CO₂蓄能装置，实现二氧化碳循环发电。

5.根据权利要求4所述的装备系统实现二氧化碳循环发电的方法，其特征在于，步骤4）中排出低压CO₂流体送入地热能CO₂蓄能装置循环有如下处理方式：I）低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入地热能CO₂蓄能装置中循环使用； II）低压CO₂流体经冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐后，经高压泵/压缩机再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用；III）低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩，压缩的高压流体经回热器吸收余热进入地热能CO₂蓄能装置中循环使用；IV）低压CO₂流体经回热器将余热回收后，进入冷却器冷却、CO₂压缩机压缩送入液态CO₂储罐，经高压泵/压缩机再次送入地热能CO₂蓄能装置中供循环使用。