CN1097239A - 借助高压地热流体工作的地热电站 - Google Patents

Abstract

由高压地热流体所产出的电力，是通过将流体分 成高压蒸汽和高压盐水，使高压蒸汽在高压透平发电 机中膨胀，用以产生电力和热废蒸汽，并且将液体与 热废蒸汽分离，从而产出比高压蒸汽力压力和温度低 的压力和温度下的干燥热废蒸汽。如此分离出的液 体和高压盐水在闪蒸室中结合，其产出与干燥热废蒸 汽相结合的蒸汽，它在较低压力透平机中膨胀、用以 产生附加电力。最好是，用一些高压蒸汽在其在低压 透平发电机中膨胀之前来将干燥热废蒸汽和由闪蒸 室产生的蒸汽再加热。

Description

借助高压地热流体工作的地热电站

本发明涉及的是一借助高压地热流体工作的地热电站。

对于替代矿物燃料用以发电的需求是众所周知的；而地热资源显示出一条希望的途径，然而，为了在经济上更吸引人，地热资源必须以一定方式来使用，即在切实可行的工程范围内最大限度地提取能量。这就需要最大限度地变换存在于地热流体中的潜热和显热二者，并且最高效率地选择热力循环，该循环应该将作用于电厂设备的地热流体的结垢和腐蚀作用减小至最小。最后，从生态上考虑需要将所有经过提取的流体、液体和气体返回到地下，以避免对环境的影响，并阻止资源的损耗。

在通常勘探和开发中许多地热田产生中等压力下的、通常约150psiar(绝对压强(磅/英寸²))的大量热盐水，而某些地热田会产生相当高压力下的，如800psiar的蒸气和盐水的流体混合物。在后一种情况下，盐水通常具有很强的腐蚀性，它会引起盐水使用和处理上的问题。最近，在夏威夷已开采出数个地热井，它产生出具有约80％蒸汽和20％盐水的高压流体，通常蒸气只是饱和的，并且还存在些问题，就是这些井是否能在连续使用若干年以后仍将保持800psia的压力。

考虑到这个不定因素，人们通常将减压阀安装到井的流道中，从而可以使用所期望的低压蒸汽系统，即使得高压最终将下降。然而，这是一种保守的设计，并且因为那将始终困扰着电站，以及由于大量潜在能量的损失，造成浪费。

反压蒸汽透平驱动的发电机将似乎是一种可能替换的方式，其中可将来自(于)井口的高压蒸汽通过透平机而变换成较低压力蒸汽，并且并行地提供给多个靠低压蒸汽工作的舱，每个舱可以使用低压蒸汽透平发电机，和当作蒸发器供有机蒸汽透平发电机使用的冷凝器。当地热流体只产生高压饱和蒸汽时，透平机中蒸汽的膨胀会发生在温度熵图形的湿部区域，还会产生包含有水滴的废蒸汽，由此不适合用于各种舱的低压蒸汽透平机的入口级。

因此，本发明的目的是提供一种新型改进的地热电厂，它能借助高压地热流体工作，而没有上述现有技术所附带的缺点。

按照本发明，电力是通过高加压的地热流体而产生的，它是将流体分成高压蒸汽阳高压盐水，将高压蒸汽在透平发电机中膨胀，用以产生电力和热废蒸汽，并将液体与热废蒸气分开，由此产生在比高压蒸汽的压力和湿度低的压力和湿度下的干燥热废蒸汽。如此分离的液体与高压盐水可以在产生蒸汽的闪蒸室中结合，其产生的蒸汽可以与干燥的热废蒸汽结合，并在低压透平发电机中膨胀，用以产生附加的电力。另外，某些高压蒸汽可以用来将干燥的热废蒸汽和由闪蒸室(中)产生的蒸汽在其在低压透平发电机中膨胀以前再加热。

在一种改型中，可将高压地热流体提供给一间接热交换器或最好是多个热交换器，它可用作用于封闭蒸汽系统的预加热器和蒸发器，其中蒸汽在透平发电机的高压级膨胀，以产生电力和热废蒸汽。水分分离器可将液体与热废蒸汽分开，以产生出干燥的热废蒸汽。可将分离的液体提供给闪蒸室，该室也可接受来自预加热器的预加热水，并且其产生的蒸汽可与于燥的热废蒸汽结合，并提供给低压透平发电机。

本发明的实施例将借助附图中的实施例来说明，其中：

图1是本发明的第一实施例方框图，它直接使用了地热源产生的地热体，来完成由高压地热源的最大能量提取；

图2是图1所示实施例的一种改型方框图，但其使用了再加热照。

图3是本发明似于第一实施例的第二实施图的方框图，但间接使用了地热液体；和

图4是图3所示实施例的一种改型方框图。

现参照附图，参考数字10表示按照本发明借助高压地热液体工作的地热电厂的一个实施例。地热流体是由，开采的井12来提供的。其通常产生出约800psia压力的地热流体，它是由约80％的饱和蒸汽和20％的浓缩盐水的混合物组成。将由井12产生的复合流体提供给第一闪蒸室14，其流体分到两个管道中，一个管道包含有高压蒸汽，其用参考数字15表示，一个管道包含有高压盐水，其用参考数字16表示，将管道15中的高压饱和蒸汽提供给直接与发电机19结合的蒸汽透平机17的高压级18，使得在透平机级18中的高压蒸汽膨胀，并驱动发电机19，其产出的电力提供给电网(未示出)。

透平机级18将热废高压蒸汽排入水分分离器20，在其中排出蒸汽中的水与蒸汽分离产生中压压力下的干燥蒸汽，由水分分离器分离出的水流入与第一分离器14管线16相连接的第二闪蒸室21的贮槽中，在其中可以将液体在与水分分离器20产生的干燥蒸汽的温度和压力相一致的温度和压力闪蒸成蒸汽，由室21产生的蒸气与由分离器20产生的蒸汽结合，并提供给透平发电机17的中压级22，提供给级22的蒸汽膨胀并驱动发电19，并且在级22排气时产生热废蒸汽。

透平发电机17包括一低压级，它可以以与中压级22工作相同的方式工作，换包话说，由级22排出的蒸汽提供给水分分离器23，在其中在排出蒸汽中的水与蒸汽分离产生低压的干燥蒸汽。来自水分分离器的水流入第三闪蒸室24的贮槽中。其本身是与管线25相连接，它又连接到第二室21的贮槽上，从而允许其中的盐水在一定温度和压力下闪蒸成蒸汽，其温度和压力是与水分分离器23所产生的干燥蒸汽的温度和压力一致的。由室24所产生的蒸汽与分离器23产生出的蒸汽相结合，并提供到透平发电机17的低压级26，提供给级26的蒸汽膨胀驱动发电机19，并且在级26的排出处在管路27中产出热废蒸汽。

管路27连接于冷凝器28，如所示出的空气冷却装置，其将排出蒸汽冷凝得到冷凝物，该物通过泵29而压入废井30中。该废井也接收闪蒸分离器24贮槽中的浓缩盐水，以及由冷凝器28排出的非冷凝气体，它在提供给该井以前是经过加压的。

在透平发电机各级之间的水分分离器20和21的设置保持了每级入口处的蒸汽湿度在可接受的含量下，并且使透平机更有效地工作。再有，各级之间水的闪蒸使得工作流体水最大程度地冷却，从而可以最大程度地提取显热。另外，从水分分离器到闪蒸室的冷凝物的应用可以用来稀释这些分离贮中的盐水，降低浓度并防止由于盐水冷却而沉淀。这也可以达到最佳的较低温度以便闪蒸。不加入盐水的话，如此低的温度将不能获得。

在图2中示出了本发明的改进，它提供了在各级之间的蒸汽的再加热。如实施例10A所示，一此由第一闪蒸分离器产出的高压蒸汽分流到高压级18A，并提供给再加热器35，其中在提供到第二闪蒸分离器21A的贮槽之前，蒸汽放出潜热和显热二者。

在高压蒸汽在级18A膨胀并驱动发电机19A以后，热废高压蒸汽排入水分分离器20A，在其中水可以从蒸汽中分离出来，形成干燥的低压蒸汽，蒸汽可以与室21A中闪蒸的蒸汽结合，在室21A中还提供有来自闪蒸分离器14A贮槽的盐水。代之以该提供到低压级26A的蒸汽，当高压蒸汽，在再加热器中冷却时，蒸汽可以首先在再加热器35中加热。

在图3的实施例10B中，它示出了封闭循环的蒸汽电厂，其中高压地热流体不直接与工作流质水接触。如所述，来自产井12B的高压地热流体可提供给间接热交换器40，它起着蒸发器的作用，用以对所提供的水进行预加热。在将热交换器中的水进行蒸发以后，冷却的地热流体流入热交换41，它起着预加热器的作用，其直接作用于所提供的冷凝物。然后再将大部分是液体的冷却地热流体返回到废井30B。由于地热流体的压力将保持在相当高的水平下，所以流体的矿物沉淀将会极少，并且为注入地下也不需要另外加压。

如果地热流体的非冷凝气体的数量，其包括硫化氢，太多以致有害地影响汽化器40中的热交换，这些气体便可以从蒸发器中取出，并且在混合物输送到废井30B之前其可以与排出预加热器41的冷却液态地热流体相结合。该步骤是适宜的，因为它增加了在排出预加热器的冷却液态地热流体中非冷凝气体的溶解度。另外，在汽化器中非冷凝气体的高压也利于排出气体夹带极少量的地热蒸汽。

将蒸发器40中产生的蒸汽提供到透平发电机17B的高压级18B，在其中使其发生膨胀，从而驱动连接到电网(未示出)的发电机19B。将从级18B排出的蒸汽提供到水分分离器20B，它将湿蒸汽分离成液体成份和中压下的干燥蒸汽成分。该分离器中的液体成分流入闪蒸室21B的贮槽，并给该室提供来自预加热器41的预加热水。在闪蒸室中21B中的水在一定温度和压力下闪蒸成蒸汽，其温度和压力与分离器20B产出的蒸汽的温度和压力相当。将室21B和分离器20B产出的蒸汽相结合，并提供到透平发电机17B的中级22B，从而使蒸汽在其中膨胀，以驱动发电机19B。

将从级22B排出的蒸汽提供到水分分离器23B，它可将湿蒸气分成液体成分和低压下的干燥蒸汽成分。将该分离器中的液体成份提供到闪蒸室24B的贮槽，并给该室提供21B贮槽中的水。将室24B的水在一定温度和压力下闪蒸成蒸汽，其温度和压力与分离器23B产出蒸汽的温度和压力相当。将分离器23B和室24B产出的蒸汽相结合，并提供给透平发电机17B的低压级26B，使蒸汽在其中发生膨胀，以驱动发电机19B。

由级26B排出的蒸汽在空气冷却冷凝器28B中被冷凝，并且该冷凝物被加压到室24B贮槽中液体的压力，并与该液体结合，然后返回到加热器41。预加热后，排出加热器41的一部分水提供给室21B，而大部分水要提供给汽化器40，以产生用于透平机级18B的高压蒸汽。预加热器的水的分布，即处于蒸发器和室21B之间，致使按需要只提供给分离器足够的水，用以产生蒸汽，该蒸汽与分离器20B所产蒸汽相当。

最好是，预加热器41中水流速与预加热器中大部分为液体的地热流体的流速相当。这可以提高由地热流体中提取的热量。地热流体流速的变化，影响空冷冷凝器工作的周围空气的干球温度的变化，或影响电厂热源和冷源的其他因素的变化，其均可以通过控制进入预加热器41的水的流速来调节。提供给预加热器41的水量超过为平衡预加热器中地热流体流速需求，其可以分流到闪蒸室21B它为控制和稳定电厂的工作提供了一种方便途径。在图4的实施例10C中，示出了一封闭循环蒸汽电厂，其中高压地热流体是间接地与工作流体(水)相接触的，并且完成了再加热。如所示。将由产井12C产生和高压地热流体提供给间接热交换器50，它起着蒸发器的作用，用以对所提供的水进行预加热。在热交换器中将水汽化以后，冷却的地热流入热交换器51，它起着再加热器的作用，用以对所提供的工作流体(水)进行级间再加热。然后再将冷却的地热流体提供给热交换器52，它起着用于工作流体(水)预加热器的作用，最后其返回废井30C。由于地热流体的压力保持在相对高的水平，将出现很少的矿物沉淀，为将其放回地下时不需要另外的压力。

将蒸发器50产出的蒸汽提供给透平发电机17C高压级18C，使蒸汽在其中发生膨胀，从而驱动与电网(未示出)连接的发电机19C。将从级18C排出的蒸汽提供给水分分离器20C，其可将湿蒸汽分成液体成分和中压下的干蒸汽成分。该分离器的液体成分流入闪蒸室21C的贮槽，并给该室提供来自预加热器52的预加热水。在室21C中的水被闪蒸成蒸汽，它与分离20C产出蒸汽相结合，并提供再加热器51。经过加热以后，将蒸汽提供给透平发电机17C的级22C的入口，在其中发生膨胀，以驱动发电机19C。

由级22C排出的蒸汽在空气冷凝器28C中被冷凝，并将冷凝物加压到分离器21C贮槽中液体的压力。并与该液体结合，然后返回到预加热器52。经过预加热以后，将排出预加热器52的水提供给分离器21C。

在图2和图4实施例示出两级透平发电机的同时，本发明还可以应用具有多级的透平机。再有，在所示出的单个发电机是由所有透平机级驱动的同时，也还可以为每级提供单独的发电机。另外，在各实施例中所示的冷凝器中示出了空气冷却的，而水泠冷凝器也可用于本发明。

最后，虽然未示出，但有机流体兰金循环透平机，根据环境条件最好使用戊烷或异戊烷，可以同较低压力蒸汽透平机共同工作。在这种情况下，用于蒸汽透平机的冷凝器将采用有机液体来冷却。虽然上面叙述了单级透平机，如果方便的话，可以采用并行的多级或多个透平机。

在图1和图3的实施例中，描述了三级透平机，并且在地热流体具有相当高的压力时，如800psia，这是很方便的。在这种情况下，提供给中压级的蒸汽可以约为100～150psia，而提供给低压级的蒸汽可以为20～40psia。当由产井产出的地热流体的压力较低时，便只能使用中压和较低压级。

矿物燃料加热器可用来过加热、干燥蒸汽，或在各种条件下为满足增加本发明功效和可行性的其池目的。涉及有关图1实施例的许多优点也可应于其他附图中所示出的本发明其它实施例。

通过本发明的方法和设备提供的优点和改进结果通过上述本发明最佳实施例的描述已十分清楚了，而可以做各种变型和改进，只要不脱离在后续权利要求中所述的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.用于从高压地热流体来生产电力的设备，它是通过所述地热流体来产出高压蒸汽和高压盐水，并且使所高压蒸汽在高压蒸汽透平机中膨胀，用以产出电力和热废蒸汽，其特征在于其包括；

a).一分离器，用以将由所述高压透平机产出的热废蒸汽分成水成分和干燥蒸汽成分；

b).在比水成分的湿度高的湿度下的另外液体的源；

c).一闪蒸分离器，用以接收来自所述分离器的所述水，并与所述来自所述源的另外液体形成一种复合液体，并可用来产出闪蒸汽和残余液体；

d).一另外蒸汽透平机：和

e).用以将所述闪蒸蒸汽和所述干燥蒸汽成分提供给所述另外蒸汽透平机的装置，使蒸汽在其中发生膨胀，从而产生电力和另外的热废蒸汽。

2.按照权利要求1的设备，其特征在于，它还包括：

a).另外分离器，用以将来自所述另外透平机的热废蒸汽分成水成分和干燥的蒸汽成份：

b).还有另一蒸汽透平机；和

c).用来将来自所述另外分离器的干燥蒸汽成分提供给所述另外蒸汽透平机的装置。

3.按照权利要求1和2的任一设备，其特征在于所述液体源是出自所述地热流体的盐水。

4.按照权利要求1所述设备，其特征在于，其包括：

a)另外分离器，用以将来自所述另外透平机的热废蒸汽分成水成份和干燥的蒸汽成份；

b)另外闪蒸分离器，用以接受来自所述另外分离器的所述水成分，和来自所述闪蒸分离器的剩余液体，以形成另外的结合液，并产出另外的闪蒸蒸汽和另外的剩余水。

c)另外的蒸汽透平机，和

d).用来将来自于所述另外闪蒸分离器的所述闪蒸蒸汽和来自所述另外分离器的所述干燥蒸汽提供给所述另外透平机的装置，蒸汽在其中发生膨胀，以产生电力以及另外的热废蒸汽。

5.按照权利要求4的设备，其特征在于，所述液体源是出自所述地热流体的盐水。

6.按照权利要求1的设备，其特征在于，还包括括一再加热器，用以将所述闪蒸蒸汽和所述干燥汽成分在其提供给所述另外蒸汽透平机以前进行再加热。

7.按照权利要求6的设备，其特征在于，将所述高压蒸汽提供给所述再加热器，在其中将蒸汽冷却。

8.按照权利要求7的设备，其特征在于，将来自再加热器的冷却蒸汽提供给所述闪蒸汽化器。

9.一种由高压地热流体来生产电力的方法。它通过将流体分成高压蒸汽和高压盐水，并且将高压蒸汽在高压透平发电机中膨胀，用以产出电力和热废蒸汽，其特征在于，它包括下列步骤：

a).将液体与热废蒸汽分离，由此得到比高压蒸汽的压力和温度低的一定压力和温度下的干燥热废蒸汽；

b)将如此分离的液体与高压盐水复合成为一种混合物；

c)闪蒸该混合物，以生成闪蒸蒸汽；和

d)将所述闪蒸蒸汽和所述干燥热废蒸汽在低压透平发电机中进行膨胀，用以生成附加电力。

10.按照权利要求9的方法，其特征在于，可使用部分高压蒸汽对干燥热废蒸汽和闪蒸蒸汽在其在低压透平发电机中膨胀之前进行再加热。

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