CN110131114A - 一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，包括依次循环连接的低温热水循环组件，工质循环调温组件，高温热水循环组件和发电组件，以及与所述低温热水循环组件相连的低温热水温度补偿组件。高温热水循环组件用于发电组件的热源；低温热水循环组件用于发电组件的冷源；工质循环调温组件用于调控热源和冷源之间的温度平衡，低温热水温度补偿组件用于冷源的温度补偿，本发明高温热水循环组件和低温热水循环组件中的热水在进行自身内部循环的同时还能够通过工质循环调温组件进行热量的交换，结合低温热水温度补偿组件，实现温度的精确控制，热水热能被充分利用，与传统尾水直接排放的地热发电系统相比极大的节省了电能，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及地热发电技术领域，尤其涉及一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统。
背景技术
现有的地热发电系统发电效率一般不足10%，有着技术上可行、经济上不可行的历史性偏见。为提高地热发电的发电效率，技术人员需要进行大量实验研究，从而实现对地热发电技术的不断改进与完善，而为测试不同发电系统的发电性能，则必须建设配套的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统。
目前的地热发电系统通常采用电加热室温水的方式来提供热源进行模拟地热发电测试，且加热后热水的热能不能实现有效的利用，热能的利用率低，尤其是对于模拟兆瓦级别的地热发电机组而言，采用电加热的热源系统耗电将达到十兆瓦级别，耗能极大，使得地热发电系统的经济成本极其高昂，极大的制约了地热发电技术的发展。
因此，现有技术还有待于改进。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，旨在解决现有的地热发电系统热能不能充分利用，耗能大的技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，包括依次循环连接的低温热水循环组件，工质循环调温组件，高温热水循环组件和发电组件，以及与所述低温热水循环组件相连的低温热水温度补偿组件。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述高温热水循环组件包括依次循环连接的高温水箱，高温热水循环泵和蒸发器，所述低温热水循环组件包括依次循环连接的低温水箱，低温热水循环泵和冷凝器。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述工质循环调温组件包括依次循环连接的冷凝管，第一压缩机和蒸发管，所述冷凝管设置于所述高温水箱内，所述蒸发管设置于所述低温水箱内。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述蒸发管和冷凝管之间连接有第一节流阀。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述发电组件包括发电机和工质循环泵，所述发电机，冷凝器，工质循环泵和蒸发器依次循环连接。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述发电机为磁悬浮汽轮发电机。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述低温热水温度补偿组件包括依次循环连接的第一换热器，第二压缩机和第二换热器。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述第一换热器为管式换热器，所述第二换热器为风冷换热器。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述第一换热器设置于所述低温水箱内。
所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其中，所述第一换热器和第二换热器之间连接有第二节流阀。
有益效果：本发明提供的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，包括依次循环连接的低温热水循环组件，工质循环调温组件，高温热水循环组件和发电组件，以及与所述低温热水循环组件相连的低温热水温度补偿组件。所述高温热水循环组件用于所述发电组件的热源；所述低温热水循环组件用于所述发电组件的冷源；所述工质循环调温组件用于调控所述热源和冷源之间的温度平衡，所述低温热水温度补偿组件用于冷源的温度补偿，本发明模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统中的高温热水循环组件和低温热水循环组件中的热水在进行自身内部循环的同时还能够通过工质循环调温组件进行热量的交换，此外，结合低温热水温度补偿组件，实现装置温度的精确控制，亦实现了装置内部热水热能的充分利用，与传统尾水直接排放的地热发电试验装置相比可极大的节省电能，降低实验的成本。
附图说明
图1为本发明较佳的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，本发明提供的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，包括依次循环连接的低温热水循环组件10，工质循环调温组件20，高温热水循环组件30和发电组件40，以及与所述低温热水循环组件相连的低温热水温度补偿组件160。所述高温热水循环组件用于所述发电组件的热源；所述低温热水循环组件用于所述发电组件的冷源；所述工质循环调温组件与低温热水温度补偿组件协同运行，用于精确调控所述热源和冷源的温度。
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能，地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。现有技术的地热发电试验装置通常采用电加热室温水的方式来提供热源进行模拟地热发电测试，并且加热后的热水未进行有效地循环利用，热能利用率低，导致大型发电系统的测试费用高昂，极大的制约了地热发电技术尤其是中低温地热发电技术的发展。
为了解决上述技术问题，本发明技术方案的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，采用了双循环发电技术，包括高温热水循环组件和低温热水循环组件，高温热水循环组件和低温热水循环组件之间通过管道内部存储的低沸点有机物工质的热泵循环进行热量交换，将热量从低温水箱输送至高温水箱，高温热水循环组建中有机工质从高温热水中获得热量并产生有机工质蒸汽，进而推动发电机实现发电，本发明一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，高温热水通过工质循环调温组件循环加热，实现了模拟地热发电高温和低温冷热水自循环，系统内部热水热能的充分利用，极大的降低了模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统的实验成本，能够极大地促进地热发电技术的发展。
需要进一步说明的是本发明的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统不仅可模拟地热水用于测试磁悬浮汽轮发电机的相关性能，也可以用于其他同时需要冷源与热源的场合，如传统汽轮发电机测试、热电材料发电测试、换热器的换热性能测试等。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述高温热水循环组件包括依次循环连接的高温水箱40，高温热水循环泵50和蒸发器60，所述低温热水循环组件包括依次循环连接的低温水箱70，低温热水循环泵80和冷凝器90。本发明中的高温热水循环泵和低温热水循环泵均为市场上能够买到的热水循环泵，高温热水循环泵和低温热水循环泵只是实际运行过程中内部热水的温度不同，其中高温指代的温度范围是大于工质蒸发的温度（90-100℃），低温指代的温度范围是低于工质冷凝的温度（40-50℃）。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述发电组件包括发电机100和工质循环泵110，所述发电机，冷凝器，工质循环泵和蒸发器依次循环连接。需要说明的是本发明技术方案中提到的连接包括但不限于管道连接，具体可以根据实际需要进行选择。
本发明的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，高温热水在高温水箱与蒸发器之间循环，低温热水在低温水箱与冷凝器之间循环，发电组件管道中的工质通过蒸发器蒸发形成有机工质蒸汽驱动发电机中的汽轮旋转来实现发电，发电后的有机工质经过冷凝器冷凝后再次转换为液态，并通过工质循环泵再次送入蒸发器，重复上述步骤，实现发电机的连续不间断的发电。本发明的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统与传统尾水直接排放的地热发电模拟测试系统相比，实现了发电装置内部热水热能的充分利用，可极大地节省电能。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述工质循环调温组件包括依次循环连接的冷凝管120，第一压缩机130和蒸发管140，所述冷凝管设置于所述高温水箱内，所述蒸发管设置于所述低温水箱内。本发明技术方案中工质循环调温组件的作用为：工质循环调温组件管道内的工质从低温水箱提取热量并为高温水箱精确提供热量以便高温水箱的供水温度恒定在预设温度值，与此同时，工质循环调温组件也可起到与低温水箱换热降温起到提供冷量的作用，从而使低温水箱的供水温度基本维持在预设值，通过工质循环调温组件能够为高温水箱和低温水箱提供主要的热量与冷量，从而使得模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统发电更加稳定。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述蒸发管和冷凝管之间连接有第一节流阀150。节流阀是通过改变节流截面或节流长度实现液态工质降压同时控制流体流量的阀门。在一种方案中，本发明中的节流阀可以和单向阀串联组合成单向节流阀，从而控制工质在管道内的实现单向流动；在另一种方案中本发明的节流阀还可以和溢流阀配合组成节流调速系统，从而精准的控制管道内部工质在管道内流量的大小。
本发明技术方案中的工质循环调温组件在具体工作时，管道中的液态有机工质通过蒸发管吸收低温水箱的热量汽化，产生的气态工质在第一压缩机中压缩为高压气体，然后在冷凝管中液化并将热量释放给高温水箱，实现将热量从低温水箱提取并输送至高温水箱。通过控制第一压缩机的功率和第一节流阀的开度，可精确保证高温水箱内水温恒定在预设温度，同时使得低温水箱内水温亦基本维持在预设温度。
在一种优选的实施方式中，本发明的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统中的工质循环调温组件并不限于一个，也可以采用多个工质循环调温组件或者是一个工质循环调温组件中采用多个压缩机结合，从而能够进行温度粗调与精调，实现更为精准的温度控制。
在一种优选的实施方式中，所述发电机为磁悬浮汽轮发电机。磁悬浮发电机采用了磁悬浮技术，其工作时将汽轮发电机的转子悬浮于一定的空间，发电时机械摩擦阻力基本可以忽略，运行平稳，转速高，发电时较一般的汽轮发电机而言发电效率更高。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述低温热水温度补偿组件160包括依次循环连接的第一换热器170，第二压缩机180和第二换热器190。本发明技术方案中的低温热水温度补偿组件能够根据低温水箱的供水温度判定启动制冷还是制热工作模式，工质顺时针循环时为制冷循环，逆时针循环时为制热循环。
在一种优选的实施方式中，所述第一换热器为管式换热器，所述第二换热器为风冷换热器。
在一种优选的实施方式中，所述第一换热器设置于所述低温水箱内。
本发明中的第一换热器和第二换热器在不同的工况下实现不同的功能，换热组件中的第一换热器置于低温水箱内，是制冷循环的蒸发器，制热循环的冷凝器；而第二换热器置于室外，是制冷循环的冷凝器，制热循环的蒸发器。本发明中的换热组件的作用在于精确控制低温水箱内的供水水温。
参见图1，在一种优选的实施方式中，所述第一换热器和第二换热器之间连接有第二节流阀200。
本发明的换热组件具体调控温度的过程为：
1）若低温水箱的水温高于预设温度，表明工质循环调温组件从低温水箱提取的热量小于磁悬浮发电机发电后工质冷却时向低温水箱排放的热量，此时低温热水温度补偿组件启动制冷循环将低温水箱内多余热量排至大气环境中，此过程中，有机工质在第一换热器中蒸发制冷，产生的气态工质通过第二压缩机压缩加压，高压工质进入第二换热器中冷凝放热后获得液态工质，所得的液态工质又经过第二节流阀降压回到第一换热器中。
2）若低温水箱水温低于预设温度，表明工质循环调温组件从低温水箱提取的热量大于磁悬浮发电机发电后工质冷却时向低温水箱排放的热量，此时低温热水温度补偿组件启动制热循环将室外空气热能为低温水箱补充热量；此过程中，工质在第一换热器中冷凝放热，产生的液态工质通过第二节流阀降压，低压工质进入第二换热器中蒸发吸热，所得的气态工质经过第二压缩机压缩加压回到第一换热器中。
在一种优选的实施方式中，所述低温热水温度补偿组件也可以仅设置于高温水箱内或同时设置于高温水箱和低温水箱内，当然也可以在高温水箱和/或低温水箱中设置电热丝辅助加热、半导体材料辅助制冷实现更为精确的控温。
本发明的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统具有精确可控、稳定节能的热水供应系统，为磁悬浮汽轮发电系统的实验测试提供稳定的热源与冷源。
本发明的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统采用了热水的自循环方式：高温水箱与的蒸发器形成闭合循环回路，以高温热水循环泵为动力，使热量持续从高温水箱传递至发电设备；低温水箱与冷凝器形成闭合循环回路，以低温热水循环泵为动力，使热量持续从发电设备传递至低温水箱。
采用了高温水箱与低温水箱的精确控温方式：通常来说，仅仅依靠一个工质循环调温组件难以实现高温水箱与低温水箱同时精确维持在预设温度，因此本发明采用工质循环调温组件与低温热水温度补偿组件结合的方法，工质循环调温组件向高温水箱制热的同时反过来向低温水箱制冷，使得高温水箱温度精确控制在预设热水温度上，而低温水箱的温度基本维持预设温度；低温热水温度补偿组件可根据低温水箱的需要向其制热或制冷，从而使低温水箱温度精确维持在预设低温热水温度上。
采用了较佳的换热器布置方式：工质循环调温组件的冷凝管与蒸发管分别布置在高温水箱与低温水箱内；低温热水温度补偿组件的第一换热器与第二换热器分别布置在低温水箱内和室外，且在制冷模式/制热模式下，第一换热器和第二换热器的功能能够互换。
综上所述，本发明提供的一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，包括依次循环连接的低温热水循环组件，工质循环调温组件，高温热水循环组件和发电组件，以及与所述低温热水循环组件相连的低温热水温度补偿组件。所述高温热水循环组件用于所述发电组件的热源；所述低温热水循环组件用于所述发电组件的冷源；所述工质循环调温组件用于调控所述热源和冷源之间的温度平衡，所述低温热水温度补偿组件用于冷源的温度补偿，本发明模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统中的高温热水循环组件和低温热水循环组件中的热水在进行自身内部循环的同时还能够通过工质循环调温组件进行热量的交换，此外，结合低温热水温度补偿组件，实现装置温度的精确控制，亦实现了装置内部热水热能的充分利用，与传统尾水直接排放的地热发电试验装置相比可极大的节省电能，降低实验的成本。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，包括依次循环连接的低温热水循环组件，工质循环调温组件，高温热水循环组件和发电组件，以及与所述低温热水组件连接的低温热水温度补偿组件。
2.根据权利要求1所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述高温热水循环组件包括依次循环连接的高温水箱，高温热水循环泵和蒸发器，所述低温热水循环组件包括依次循环连接的低温水箱，低温热水循环泵和冷凝器。
3.根据权利要求2所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述工质循环调温组件包括依次循环连接的冷凝管，第一压缩机和蒸发管，所述冷凝管设置于所述高温水箱内，所述蒸发管设置于所述低温水箱内。
4.根据权利要求3所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述蒸发管和冷凝管之间连接有第一节流阀。
5.根据权利要求2所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述发电组件包括发电机和工质循环泵，所述发电机，冷凝器，工质循环泵和蒸发器依次循环连接。
6.根据权利要求5所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述发电机为磁悬浮汽轮发电机。
7.根据权利要求2所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述低温热水温度补偿组件包括依次循环连接的第一换热器，第二压缩机和第二换热器。
8.根据权利要求7所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述第一换热器为管式换热器，所述第二换热器为风冷换热器。
9.根据权利要求8所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述第一换热器设置于所述低温水箱内。
10.根据权利要求9所述的模拟地热发电的高温和低温热水自循环系统，其特征在于，所述第一换热器和第二换热器之间连接有第二节流阀。
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