CN110159368B - 中低温地热梯级利用orc磁悬浮发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统及方法，其包括ORC发电机组，包括蒸发器，膨胀机，第一冷凝器和工质泵；所述蒸发器的工质蒸汽出口与所述膨胀机的入口连接；所述膨胀机的出口经所述第一冷凝器和所述工质泵与所述蒸发器的液态工质入口连接；发生器，第二冷凝器和吸收器；所述发生器第一出口与所述第二冷凝器工质入口连接，所述第二冷凝器工质出口与所述第一冷凝器连接；所述第一冷凝器工质出口与所述吸收器第一入口连接；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二入口连接。发电后的中低温地热水用于吸收式制冷，将产生的冷量用于降低发电后有机工质的冷凝温度和冷凝压力，提高发电效率和发电总量。
Description
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梯级利用ORC磁悬浮发电系统及方法。
背景技术
随着化石能源的枯竭，可再生能源方兴未艾，地热能作为一种安全清洁、储量巨大的资源成为了科学研究的热点。总体来看，我国地热资源地理分布不均。我国的高温地热带主要分布在西藏、云南等高原地区；中低温（温度在150摄氏度以下）地热田广泛分布在东南沿海、平原地区、丘陵地区以及内陆沉积盆地。虽然高温地热开发技术成熟，但是受其分布的制约，并不适合大规模开发；而中低温地热分布广，并且在大部分城市地区均有分布，具有大规模开发并补充清洁能源的潜力。目前，高温地热发电技术已经相对成熟，并且进行了商业化开发。然而，中低温地热资源发电效率低下（不足10%）制约着其发电利用的推广。
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梯级利用ORC磁悬浮发电系统及方法，旨在解决现有利用中低温地热发电效率低下，发电总量不高的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，包括：
ORC发电机组，包括用于蒸发第一工质的蒸发器，膨胀机以及用于为第一工质降温的第一冷凝器；
所述蒸发器的工质蒸汽出口与所述膨胀机的入口连接；所述膨胀机的出口经过所述第一冷凝器和所述工质泵与所述蒸发器的液态工质入口连接；
所述膨胀机出口与所述第一冷凝器之间可以选择性添置水冷或风冷预冷器，用于初步降低发电后气态工质温度；
用于第二工质浓缩的发生器，节流阀，第二冷凝器以及吸收器；
所述发生器第一出口与所述第二冷凝器工质入口连接，所述第二冷凝器工质出口经所述节流阀与所述第一冷凝器连接；所述第一冷凝器工质出口与所述吸收器第一入口连接；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二入口连接。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述发生器与所述吸收器之间还设置有溶液泵，用于将稀释的第二工质泵入所述发生器。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述ORC发电机组还包括设置在所述第一冷凝器与蒸发器之间的工质泵，用于将冷凝后的工质泵入所述蒸发器。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述第一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式蒸发器。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述第二工质为二元工质。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述ORC发电机组中所用的发电机为磁悬浮透平发电机。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述第一工质为R245fa、R227ea和R600中的任一种。
用于所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统的方法，其中，包括步骤：
将中低温地热水通入所述蒸发器，将经过所述蒸发器的所述第一工质蒸发，蒸发为气态工质；
将所述气态工质通入所述膨胀机，由所述膨胀机做功推动发电机发电；将发电后的工质通入第一冷凝器，冷凝后的工质经工质泵增压后通入到所述蒸发器；
将从所述蒸发器排出的地热水通入所述发生器，对发生器中的所述第二工质进行加热浓缩；
将浓缩过程中所产生的蒸汽通入所述第二冷凝器，冷凝后经节流阀降压后通入所述第一冷凝器；
将浓缩过程中得到的第二工质浓缩液以及所述第一冷凝器中所产生的蒸汽通入所述吸收器，得到稀释后的第二工质；再将所述稀释后的第二工质经溶液泵通入所述发生器。
所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电方法，其中，所述中低温地热水的温度为90-150℃。
有益效果：本发明利用发电后的低温热源用于吸收式制冷，可充分利用低品位地热热能，提升中低温地热能的利用效率；将制冷量用于降低发电循环的发电后工质冷却温度，降低冷凝压力，从而提升透平发电机进出口压差，提升了发电机的发电效率，从而提升发电总量。
附图说明
图1是本发明实施实例提供的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的原理结构框图。
图2是本发明中实施实例提供的一具体中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的系统框图。
图3是本发明中实施实例提供的一优化中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的系统框图。
图4是本发明中提供的实施实例提供的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的方法流程图。
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梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其包括蒸发器10、膨胀机20、磁悬浮发电机30、第一冷凝器40、工质泵50、发生器60，第二冷凝器70，吸收器80以及溶液泵90。
具体来说，本发明所提供的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其中，所述蒸发器10中设置有两条管路，其中一个用于通中低温地热水，即形成热源，另一个管路用于第一工质通过。第二管路中的第一工质经过吸收第一管路中的热量，形成第一工质蒸汽，第一工质蒸汽送入膨胀机20中做功并带动发电机30发电，膨胀机20做功后排出的乏汽在第一冷凝器40中冷凝，冷凝后的液态工质经工质泵50泵入蒸发器10。
从蒸发器10中排出的具有余温的地热水通入发生器60，将发生器60中的二元工质浓缩（所述二元工质为两种不同沸点工质的混合溶液，例如溴化锂溶液），即将二元工质在发生器60中进行分离，低沸点的工质汽化后进入第二冷凝器70，剩余高浓度的二元工质浓缩液通入吸收器80中。低沸点工质蒸汽在第二冷凝器中液化，液化后的低沸点工质经节流阀降压后通入所述第一冷凝器，此时第一冷凝器中的压力低于所述低沸点工质的饱和压力而蒸发吸热，冷却循环第一工质。随后低沸点工质蒸汽被送入到所述吸收器80中，在吸收器80中与所述高浓度浓缩液混合，混合后的第二工质溶液经溶液泵90加压后泵回到所述发生器60。
进一步地，可在磁悬浮透平发电机出口处选择性添置水冷或风冷预冷器，可充分利用预冷器的冷却能力使乏汽降温，使吸收式制冷产生的冷量更多用于吸收冷凝潜热，进一步降低冷凝温度。
在一些实施方式中，所述第一工质为有机工质，作为举例所述有机工质包括但不限于R245fa、R227ea、R600等。
在一种或多种实施方式中，所述第二工质为两种不同沸点工质的二元工质混合溶液，作为举例所述二元工质包括但不限于溴化锂溶液。
请参阅图2，其为本发明中所提供的一具体中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的系统框图。如图所示，包括10-蒸发器，30-磁悬浮汽轮发电机，401-冷凝盘管，50-工质泵，60-发生器，70-第二冷凝器，40-喷淋式蒸发器（第二冷凝器），80-喷淋式吸收器，403-喷淋泵，90（901）-溶液泵，100-节流阀。
具体地，所述系统中包括两个封闭循环：有机朗肯循环、吸收式制冷循环。其中有机朗肯循环的冷凝盘管401布置在吸收式制冷循环的喷淋式蒸发器40中，由此将两个循环联系起来。
循环1（有机朗肯循环）：有机工质在蒸发器10中吸收90℃中低温地热水中的热量蒸发成为高温高压气态工质，高温高压有机工质蒸汽进入磁悬浮汽轮发电机30中膨胀做功，带动磁悬浮汽轮发电机30发电，高温高压有机工质蒸汽经过磁悬浮汽轮发电机30发电后，从其排气口以具有余热的乏汽形式排出，乏汽随后进入冷凝盘管401吸收第二工质冷却喷雾中的冷量后冷凝成液态工质，再经过工质泵50增压回流至蒸发器10完成有机工质发电循环过程。
循环2（吸收式制冷循环）：以溴化锂吸收式制冷为例，溴化锂溶液在发生器60中吸收蒸发器10排出的70℃地热水中的热量，溴化锂溶液中的水分蒸发后使其成为高浓度的溴化锂溶液进入喷淋式吸收器80；从发生器中蒸发后的水蒸气进入冷凝器70中被25℃~30℃的常温水（例如江河水）冷却成液态水，然后经过节流阀100降压并在喷淋式蒸发器40中蒸发吸收有机朗肯循环乏汽中的热量成为水蒸气，随后水蒸气进入喷淋式吸收器80中被溴化锂浓溶液吸收，二者混合成为溴化锂稀溶液，溴化锂稀溶液经过溶液泵（901）增压回流到发生器完成吸收式制冷循环。
具体来说，90℃的地热水泵入蒸发器10，工质泵50将液态有机工质泵入蒸发器10中，有机工质吸收热量变成工质蒸汽，通过设置在所述蒸发器上的工质蒸汽出口排出，排出后的工质蒸汽进入ORC发电机组中磁悬浮汽轮发电机30中，发电后发电机排出的具有一定余热一定压力的气体（乏汽），进入设置在所述第一冷凝器底部的冷凝盘管401，吸收喷淋式蒸发器中第二工质冷却雾的冷量，使气态工质冷凝为液体工质，再经工质泵50增压回流至蒸发器10中，从而完成有机工质发电循环过程。
发电后从蒸发器中排出的70℃的地热水泵入发生器60中，与发生器中的第二工质发生热交换，使发生器中的第二工质浓缩，所述第二工质为两种沸点不同的物质混合而成，即将第二工质中低沸点的工质蒸发出去，剩余的为高浓度的溶液并送入喷淋式吸收器80中。蒸发产生的低沸点工质泵入第二冷凝器中，冷凝后变成液体，通过节流阀降压后送入所述第一冷凝器，再经过喷淋泵403泵入喷淋式蒸发器，蒸发吸收有机朗肯循环乏汽中的热量成为水蒸气。然后所述水蒸气进入喷淋式吸收器80中，在喷淋式吸收器中被高浓度的溶液吸收，吸收混合后得到稀释后的第二工质。稀释后的第二工质经溶液泵901增压回流到发生器60完成吸收式制冷循环。
需要说明的是，循环1可以是一切形式具有冷凝器的热力发电过程，如有机朗肯循环、闪蒸地热发电。热源可以是地热水或工业余热、废热等，工质可以是有机工质或无机工质等，膨胀机可以是汽轮机、螺杆机或者磁悬浮等形式，冷凝器可以是间接冷凝或直接冷凝等形式。
循环2可以是一切形式的余热制冷循环，包括吸附式制冷、吸收式制冷等。
ORC发电机组中的用于为第一工质降温的第一冷凝器，对吸收式制冷循环的第二工质液体起到蒸发作用。
请参阅图3，其为本发明中所提供的另一优化中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电的系统框图。如图3所示，与图2所示框图类似，包括10-蒸发器，30-磁悬浮汽轮发电机，401-冷凝盘管，50-工质泵，60-发生器，70-第二冷凝器，40-喷淋式蒸发器（第二冷凝器），80-喷淋式吸收器，403-喷淋泵，90（901）-溶液泵，100-节流阀。除此之外，在磁悬浮汽轮发电机与第二冷凝器之间设置有水冷或风冷预冷器110，用于吸收磁悬浮汽轮发电机排出乏汽中的显热，可降低乏汽温度，减少在吸收式制冷循环的喷淋式蒸发器吸收乏汽的显热，从而将冷量更多地用于吸收乏汽的潜热而冷凝，可有效降低冷凝温度及压力。
需要说明的是，水冷或风冷预冷器乏汽是否发生冷凝，取决于冷凝压力的选择，特定冷凝压力对应特定冷凝温度。以水冷预冷器为例，若天然冷却水温度高于设定冷凝温度，则水冷预冷器中不发生冷凝；若天然冷却水温度低于于设定冷凝温度，则水冷预冷器发生冷凝。由于吸收式制冷的制冷温度通常低于天然冷却水温度，因此在水冷预冷器中最好不发生冷凝。
请参阅图4，基于上述中低温地热ORC磁悬浮发电系统，本发明还提供一种中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电方法，所述方法包括步骤：
S100、将中低温地热水通入所述蒸发器，将经过所述蒸发器的所述第一工质蒸发，形成气态工质；
S200、将所述气态工质通入所述膨胀机，由所述膨胀机做功推动发电机发电；将发电后的工质通入第一冷凝器，冷凝后的工质经工质泵增压后通入到所述蒸发器；
S300、将从所述蒸发器排出的水通入所述发生器，对发生器中的所述第二工质进行加热浓缩；
S400、将浓缩过程中所产生的蒸汽通入所述第二冷凝器，冷凝后经节流阀降压后通入所述第一冷凝器；
S500、将浓缩过程中得到的第二工质浓缩液以及所述第一冷凝器中所产生的蒸汽通入所述吸收器，得到稀释后的第二工质；再将所述稀释后的第二工质经溶液泵通入所述发生器。
在一些实施方式中，所述中低温地热水温度为90-150（如110）℃。即将温度为90-150℃的中低温地热水，通过ORC发电机组进行发电，将发电后的乏汽进行冷凝。将ORC发电机组中蒸发器排出的具有一定温度的地热水用于吸收式制冷。所得冷量输入发电循环的冷凝器以降低发电后工质的冷凝温度，提高汽轮机入口和出口温差和压差，从而达到提升发电循环的发电效率以及发电系统的发电总量的目的。
综上所述，本发明提供了一种中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统及方法，所述中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其包括ORC发电机组，包括用于蒸发第一工质的蒸发器，膨胀机以及用于为第一工质降温的第一冷凝器；所述蒸发器的工质蒸汽出口与所述膨胀机的入口连接；所述膨胀机的出口经过所述第一冷凝器以及工质泵与所述蒸发器的液态工质入口连接；用于第二工质浓缩的发生器，第二冷凝器以及吸收器；所述发生器第一出口与所述第二冷凝器工质入口连接，所述第二冷凝器工质出口经节流阀与所述第一冷凝器连接；所述第一冷凝器工质出口与所述吸收器第一入口连接；所述吸收器工质出口经溶液泵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二入口连接。
所述发电方法包括步骤：将中低温地热水通入所述蒸发器，将经过所述蒸发器的所述第一工质蒸发，形成气态工质；将所述气态工质通入所述膨胀机，由所述膨胀机做功推动发电机发电；将发电后的工质通入第一冷凝器，冷凝后的工质经工质泵加压后通入到所述蒸发器；将从所述蒸发器排出的水通入所述发生器，对发生器中的所述第二工质进行浓缩；将浓缩过程中所产生的蒸汽通入所述第二冷凝器，冷凝后经节流阀降压后通入所述第一冷凝器；将浓缩过程中得到的第二工质浓缩液以及所述第一冷凝器中所产生的蒸汽通入所述吸收器，得到稀释后的第二工质；再将所述稀释后的第二工质经溶液泵泵入所述发生器。本发明利用中低温地热热源用于吸收式制冷，然后将产生的冷量用于降低发电循环内发电后有机工质的冷凝温度，降低冷凝压力，从而提升透平发电机进出口压差，实现提高发电效率和发电总量的目的。
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 (5)
1.中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其特征在于，包括：
ORC发电机组，包括用于蒸发第一工质的蒸发器，膨胀机以及用于为第一工质降温的第一冷凝器；
所述蒸发器的工质蒸汽出口与所述膨胀机的入口连接；所述膨胀机的出口经过所述第一冷凝器与所述蒸发器的液态工质入口连接；
用于第二工质浓缩的发生器，节流阀，第二冷凝器以及吸收器；
所述发生器第一出口与所述第二冷凝器工质入口连接，所述第二冷凝器工质出口与所述第一冷凝器连接；所述第一冷凝器工质出口与所述吸收器第一入口连接；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二入口连接；所述发生器与所述吸收器之间还设置有溶液泵，用于将稀释的第二工质泵入所述发生器；所述第二冷凝器与所述第一冷凝器之间设置有节流阀；
所述第一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式蒸发器；
所述ORC发电机组中所用的发电机为磁悬浮透平发电机；
所述磁悬浮透平发电机与所述第二冷凝器之间设置有水冷或风冷预冷器；
用于所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统的方法，包括步骤：
将中低温地热水通入所述蒸发器，将经过所述蒸发器的所述第一工质蒸发，蒸发为气态工质；
将所述气态工质通入所述膨胀机，由所述膨胀机做功驱动发电机发电；将发电后的工质通入第一冷凝器，冷凝后的液态工质经工质泵通入到所述蒸发器；
将从所述蒸发器排出的具有余温的地热水通入所述发生器，对发生器中的所述第二工质进行浓缩；
将浓缩过程中所产生的蒸汽通入所述第二冷凝器，冷凝后通入所述第一冷凝器；
将浓缩过程中得到的第二工质浓缩液以及所述第一冷凝器中所产生的蒸汽通入所述吸收器，得到稀释后的第二工质；再将所述稀释后的第二工质经所述溶液泵通入所述发生器。
2.根据权利要求1所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其特征在于，所述ORC发电机组还包括设置在所述第一冷凝器与蒸发器之间的工质泵，用于将冷凝后的工质泵入所述蒸发器。
3.根据权利要求1所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其特征在于，所述第二工质为二元工质。
4.根据权利要求1所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其特征在于，所述第一工质为R245fa、R227ea和R600中的任一种。
5.根据权利要求1所述的中低温地热梯级利用ORC磁悬浮发电系统，其特征在于，所述中低温地热水的温度为90-150℃。
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