CN110131115A - 中低温地热orc磁悬浮复合梯级发电系统 - Google Patents

中低温地热orc磁悬浮复合梯级发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其包括一级ORC发电机组以及二级ORC发电机组；所述一级ORC发电机组包括，用于蒸发第一工质的一级蒸发器，与所述一级蒸发器连接的一级发电机，与所述一级发电机连接的用于蒸发第二工质的二级蒸发器，分别与所述二级蒸发器以及所述一级蒸发器连接的第一冷凝器；所述二级ORC发电机组包括，所述二级蒸发器，与所述二级蒸发器连接的二级发电机，分别与所述二级蒸发器以及所述二级发电机连接的第二冷凝器；用于第三工质浓缩的发生器，第三冷凝器以及吸收器。本发明解决了现有技术中中低温地热发电效率低的问题。

Description

中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统
技术领域
本发明涉及地热能发电技术领域，尤其涉及中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统。
背景技术
随着化石能源的枯竭，可再生能源方兴未艾，地热能作为一种清洁、储量巨大的资源有望成为未来取代传统化石能源的清洁能源之一。我国地热资源量较为丰富，出露温泉2334处，地热开采井5818眼。水热型地热资源量折合标准煤12500亿吨，每年可开采量折合标准煤18.65亿吨；全国336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨；干热岩远景资源量折合标准煤856万亿吨。但是我国地热资源地理分布不均，少量的高温地热带主要分布在西藏、云南等高原地区，而占比达95%以上的中低温水热型地热能资源主要分布在华北、松辽、苏北、江汉、鄂尔多斯、四川等平原（盆地）以及东南沿海等地区。因此，我国地热资源的赋存现状决定了我国地热开发主要以中低温地热发电为主，高温地热发电为辅。然而，目前中低温地热资源发电效率低下（不足10%）、发电量小，严重制约着中低温地热资源发电利用的推广。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
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中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，旨在解决现有利用中低温地热发电效率低下的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，包括：
ORC发电机组，包括一级ORC发电机组以及二级ORC发电机组；
所述一级ORC发电机组包括，用于蒸发第一工质的一级蒸发器，与所述一级蒸发器连接的一级发电机，与所述一级发电机连接的用于蒸发第二工质的二级蒸发器，与所述二级蒸发器连接的第一冷凝器，分别与所述第一冷凝器和一级蒸发器连接的第一工质泵；
所述二级ORC发电机组包括，所述二级蒸发器，与所述二级蒸发器连接的二级发电机，与所述二级发电机连接的第二冷凝器，分别与所述第二冷凝器和二级蒸发器连接的第二工质泵；
吸收式制冷装置，包括用于第三工质浓缩的发生器，第三冷凝器，第一节流阀，第二节流阀，第一冷凝器，第二冷凝器，溶液泵，回液泵以及吸收器；
所述发生器第一出口与所述第三冷凝器第一入口连接，所述第三冷凝器第一出口分别经过第一节流阀和第二节流阀与所述第一冷凝器以及第二冷凝器连接；
所述第一冷凝器第二出口与所述吸收器第一入口连接；所述第二冷凝器第一出口与所述吸收器第二入口连接；
所述吸收器工质出口与所述发生器入口连接，所述发生器第二出口与所述吸收器第三入口连接。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述一级ORC发电机组还包括分别与所述一级发电机以及二级蒸发器连接的第一降温机构。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述二级ORC发电机组还包括分别与所述二级发电机以及第二冷凝器连接的第二降温机构。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述第一冷凝器和/或第二冷凝器包括冷凝盘管以及用于为所述冷凝盘管降温的喷淋器。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述第三冷凝器与所述第一冷凝器以及所述第二冷凝器之间均设置有节流阀。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述第三工质为二元工质。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述一级发电机以及所述二级发电机均为磁悬浮透平发电机。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述第一工质的沸点高于所述第二工质的沸点。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其中，所述第一降温机构包括第一二级涡轮，与所述第一二级涡轮连接的叶轮。
所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电方法，其中，所述第二降温机构包括第二二级涡轮，与所述第二二级涡轮连接的叶轮。
有益效果：本发明所提供的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，通过结合余压梯级利用、工质梯级利用以及地热热源梯级利用，这三个工作循环。有效提高了热量利用效率，提升了地热发电效率和发电总量。
附图说明
图1是本发明实施实例提供的第一种中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统框图。
图2是本发明实施实例提供的第二种中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统框图。
图3是本发明实施实例提供的第三种中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统框图。
图4是本发明实施实例提供的第四种中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例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。
如图1所示，本发明公开的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其包括用于发电的ORC发电机组以及吸收式制冷装置，所述ORC发电机组包括两组即一级ORC发电机组和二级ORC发电机组，其中所述一级ORC发电机组包括一级蒸发器10、与所述一级蒸发器10连接的一级发电机101、与所述一级发电机101连接的二级蒸发器20，所述一级发电机101为磁悬浮透平发电机。分别与所述二级蒸发器20以及所述一级蒸发器10连接的第一冷凝器102。
具体来说，所述一级ORC发电机组发电过程涉及一级有机朗肯循环，即中低温地热水经过一级蒸发器10，使经过一级蒸发器的第一工质吸收热量后蒸发，形成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入一级磁悬浮透平发电机101中膨胀做功驱动一级磁悬浮发电机发电，一级磁悬浮发电机出口乏汽随后进入二级蒸发器20冷却并为二级有机朗肯循环提供热量，冷却后第一工质经第一冷凝器102继续放热进一步降低工质的冷凝温度，通过第一工质泵105，回到一级蒸发器10。
所述二级ORC发电机组包括，用于蒸发第二工质的二级蒸发器20，与所述二级蒸发器20连接的二级发电机201，与所述二级发电机201连接的第二冷凝器202，分别与所述第二冷凝器202和二级蒸发20器连接的第二工质泵205；所述二级发电机201为磁悬浮透平发电机。
具体来说，所述二级有机朗肯循环，即第二有机工质在所述二级蒸发器20中吸收从一级磁悬浮发电机101出口排出乏汽中的热能蒸发为第二有机工质蒸汽，随后具有较高温度和压力的第二有机工质蒸汽进入二级磁悬浮发电机201中膨胀做功驱动二级磁悬浮发电机发电，二级磁悬浮发电机201出口乏汽进入第二冷凝器202中冷凝，最终冷凝后液态第二有机工质，通过第二工质泵205回到所述二级蒸发器20中。通过增设二级ORC发电机组，使一级ORC发电机组中发电后的蒸汽再次利用，提高了热量的利用效率。
所述吸收式制冷装置包括：用于第三工质浓缩的发生器30，第三冷凝器301，第一节流阀303，第二节流阀304，第一冷凝器102，第二冷凝器202以及吸收器302；所述发生器30中盛放的是第三工质，所述第三工质为二元混合工质。
所述发生器30第一出口与所述第三冷凝器301第一入口连接，所述第三冷凝器301第一出口分别经过第一节流阀303和第二节流阀304与所述第一冷凝器102以及第二冷凝器202连接；
所述第一冷凝器102第二出口与所述吸收器302第一入口连接；所述第二冷凝器202第二出口与所述吸收器302第二入口连接；
所述吸收器302工质出口与所述发生器30入口连接，所述发生器30第二出口与所述吸收器302第三入口连接。
需要说明的是，上述所述的“第一出口”、“第一入口”、“第二出口”、“第二入口”、“第三入口”只是为了表述的方便，并不用于限定，也不具有特殊含义。
具体来说，所述吸收式制冷装置在工作中涉及吸收式制冷循环，即所述第三工质作为制冷溶液包含两种沸点不同的组分，其中低沸点工质在发生器30中吸收从一级蒸发器10中排放出具有较高余温地热水的热量蒸发后在第三冷凝器中被天然冷却水吸热而液化，液化后的工质液（低沸点）经第一出口流出所述第三冷凝器，经过第一节流阀303与第二节流阀304分流并降压后分别进入第一冷凝器102与第二冷凝器202，在第一喷淋泵103与第二喷淋泵203的驱动下液态工质雾化后分别喷向设置在第一冷凝器102中的第一冷凝管104和设置在第二冷凝器202中的第二冷凝管204持续蒸发制冷，从而分别降低第一工质和第二工质的冷凝温度，第一冷凝器与第二冷凝器出口的蒸汽分别经所述吸收器第一入口、第二入口进入所述发生器302，发生器30剩余的高浓度第三工质的浓溶液经第三入口进入吸收器302，（蒸汽以及高浓度溶液为同时进入吸收器）蒸汽被高浓度溶液吸收，稀释后的溶液通过回液泵305回到发生器30。其中，高浓度第三工质的浓溶液通过溶液泵306，泵入吸收器。通过将吸附式制冷得到的冷量用于进一步降低ORC发电机组的工质温度，提升了中低温地热热量的综合利用率。
请参阅图2，在一些实施方式中，所述一级ORC发电机组还包括分别与所述一级发电机以及二级蒸发器连接的第一降温机构。所述第一降温机构包括第一二级涡轮，与所述第一二级涡轮连接的叶轮。
具体来说，地热水经过一级蒸发器10，使经过一级蒸发器10的第一工质吸收热量后蒸发，形成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入一级磁悬浮透平发电机101中，所述一级磁悬浮透平发电机101具有两级涡轮，其中气态工质在一级涡轮中做功，通过联轴器驱动一级磁悬浮透平发电机发电，发电后的气态工质进入第一二级涡轮膨胀做功通过联轴器驱动叶轮旋转，迫使周围空气加速流动，强化第一冷凝器20中的冷凝管的换热，一级磁悬浮发电机出口乏汽随后进入二级蒸发器20换热冷却并为二级有机朗肯循环提供热量，冷却后一级工质经第一冷凝器102继续放热进一步降低工质的冷凝温度，最后经过第一工质泵105回到一级蒸发器10。
请参阅图3，在一些实施方式中，所述二级ORC发电机组还包括分别与所述二级发电机以及第二冷凝器连接的第二降温机构。所述第二降温机构包括，第二二级涡轮，与所述第二二级涡轮连接的叶轮。
具体来说，第二有机工质在所述二级蒸发器20中吸收从一级磁悬浮发电机101出口排出乏汽中的热能蒸发为第二有机工质蒸汽，随后具有较高温度和压力的第二有机工质蒸汽进入二级磁悬浮发电机201中，所述二级磁悬浮透平发电机201具有两级涡轮，其中气态工质在一级涡轮中做功，通过联轴器驱动二级磁悬浮透平发电机发电，发电后的气态工质进入第二二级涡轮膨胀做功通过联轴器驱动叶轮旋转，迫使周围空气加速流动，强化第二冷凝器202中冷凝管的换热，二级磁悬浮发电机201出口乏汽进入第二冷凝器202中冷凝，最终冷凝后液态第二有机工质经第二工质泵205回到所述二级蒸发器20中。通过增设二级ORC发电机组，使一级ORC发电机组中发电后的蒸汽再次利用，提高了热量的利用效率。
进一步的，第一降温机构和所述第二降温机构可同时分别设置在所述一级ORC发电机组和所述二级ORC发电机组中。即所述中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统中，可同时包括所述第一降温机构和第二降温机构，如图4所示。
需要说明的是上述三个循环之间并非孤立运行，而是相互耦合、相互联系。所述二级蒸发器不仅是一级有机朗肯循环的冷凝器，同时也是二级有机朗肯循环的蒸发器，通过二级蒸发器将传统发电机系统中本该传递到大气环境中的具有余温乏汽的热量继续用于发电，提高中低温地热能的利用率，进而提高发电效率，增加发电量。吸收式制冷循环中的第一冷凝器和第二冷凝器内部分别布置有第一冷凝管和第二冷凝管，实现吸收式制冷与发电循环之间的联系，可以使吸收式制冷循环产生的冷量用于降低有机朗肯循环的冷凝温度和冷凝压力，从而增大磁悬浮发电机进出口两端的压差，提高发电机的发电功率，进而增加发电量以及提高中低温地热能的利用效率。
综上所述，本发明提供了一种中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，所述中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其包括ORC发电机组，以及吸收式制冷装置，所述ORC发电机组包括一级ORC发电机组和二级ORC发电机组。本发明中中低温地热水依次经过一级有机朗肯循环的蒸发器和吸收式制冷的发生器。其中吸收式制冷发生器中利用从一级有机朗肯循环的蒸发器排放的具有余温地热水中获得的热量用于吸收式制冷来提升发电循环效率，实现了地热能的梯级利用。
本发明中的透平发电机并非传统的汽轮发电机，而是磁悬浮汽轮发电机，在本文中简称磁悬浮发电机。磁悬浮发电机采用的是磁悬浮轴承，转子与轴承之间不相互接触，因此机械摩擦小，发电机的转速高，从而提高发电效率。本发明中的磁悬浮发电机的汽轮机部分具有两级涡轮，气态工质在两级涡轮中分别进行一次膨胀做功，其中，一级涡轮通过联轴器驱动发电机发电；二级涡轮通过联轴器驱动叶轮旋转，加速冷凝管表面的空气流动，强化冷凝管换热能力，降低冷凝温度和冷凝压力，从而增大磁悬浮发电机进出口两端的压差，提高磁悬浮发电机的发电效率，进而增加发电量以及提高中低温地热能的利用效率。
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.中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，包括：
ORC发电机组，包括一级ORC发电机组以及二级ORC发电机组；
所述一级ORC发电机组包括，用于蒸发第一工质的一级蒸发器，与所述一级蒸发器连接的一级发电机，与所述一级发电机连接的用于蒸发第二工质的二级蒸发器，与所述二级蒸发器连接的第一冷凝器，分别与所述第一冷凝器以及所述一级蒸发器连接的第一工质泵；
所述二级ORC发电机组包括，用于蒸发第二工质的二级蒸发器，与所述二级蒸发器连接的二级发电机，与所述二级发电机连接的第二冷凝器，分别与所述第二冷凝器和所述二级蒸发器连接的第二工质泵；
吸收式制冷装置，包括用于第三工质浓缩的发生器，第三冷凝器，第一节流阀，第二节流阀，第一冷凝器，第二冷凝器，溶液泵，回液泵以及吸收器；
所述发生器第一出口与所述第三冷凝器第一入口连接，所述第三冷凝器第一出口分别通过所述第一节流阀和所述第二节流阀与所述第一冷凝器以及第二冷凝器连接；
所述第一冷凝器第二出口与所述吸收器第一入口连接；所述第二冷凝器第二工质出口与所述吸收器第二入口连接；
所述吸收器工质出口与所述发生器入口连接，所述发生器第二出口与所述吸收器第三入口连接。
2.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述一级ORC发电机组还包括分别与所述一级发电机以及二级蒸发器连接的第一降温机构。
3.根据权利要求1或2所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述二级ORC发电机组还包括分别与所述二级发电机以及第二冷凝器连接的第二降温机构。
4.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第一冷凝器和/或第二冷凝器包括冷凝盘管以及用于为所述冷凝盘管降温的喷淋器。
5.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第三冷凝器与所述第一冷凝器以及所述第二冷凝器之间均设置有节流阀。
6.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第三工质为二元工质。
7.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述一级发电机以及所述二级发电机均为磁悬浮透平发电机。
8.根据权利要求1所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第一工质的沸点高于所述第二工质的沸点。
9.根据权利要求2所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第一降温机构包括第一二级涡轮，与所述第一二级涡轮连接的叶轮。
10.根据权利要求3所述的中低温地热ORC磁悬浮复合梯级发电系统，其特征在于，所述第二降温机构包括第二二级涡轮，与所述第二二级涡轮连接的叶轮。
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