CN110307130B - 地热能和太阳能复合利用系统及方法 - Google Patents

地热能和太阳能复合利用系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发电领域，旨在有机地结合利用太阳能和地热能，提供地热能和太阳能复合利用系统及方法。地热能和太阳能复合利用系统包括：透平，其具有进汽口和补汽口；地热能换热器，其通过补汽管连通所述透平的补汽口；太阳能换热器，其通过进汽管连通所述透平的进汽口；所述补汽管上设有能够开闭所述补汽管的补汽阀，所述进汽管上设有能够开闭所述进汽管的进汽阀；还设有支管，所述支管一端连通于所述进汽管的位于进汽阀和进汽口之间的管段，所述支管的另一端连通于所述补汽管。本发明的有益效果是能够高效合理地同时利用太阳能和地热能。

Description

地热能和太阳能复合利用系统及方法
技术领域
本发明涉及发电领域，具体而言，涉及地热能和太阳能复合利用系统及方法。
背景技术
地热资源分布广，但是品质不同，有高温热田、中高温热田、中低温热田和低温热田。我国地热能量等级属于中低温地热能的较多，由于其品位较低，热能利用比较困难，一般是生活采暖，发电利用不如高温地热资源有优势。太阳能分布也交广，但是由于其日夜的间歇性，若是利用太阳能的发电系统，其储能设备的投资比重占非常大。
常规的双循环地热发电，一般采用低沸点的有机工质作为中间介质，进入膨胀机去做功。双循环地热发电的优点是，利用低温位热能的热效率较高，设备紧凑，汽轮机透平的尺寸小，易于适应化学成分比较复杂的地下热水。但是由于地热源的热源品质所限，换热后的低沸点的有机工质参数仍旧不高，如120℃热井出口的地热流体(以卤水为主，汽体占比小于0.2％)，换热后有机工质的温度在100℃左右，有机工质的做功焓降段非常短，透平功率小。
发明内容
本发明旨在提供一种地热能和太阳能复合利用系统，以有机地结合利用太阳能和地热能。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述地热能和太阳能复合利用系统的地热能和太阳能复合利用方法。
本发明的实施例是这样实现的：
一种地热能和太阳能复合利用系统，其包括：
透平，其具有进汽口和补汽口；
地热能换热器，其通过补汽管连通透平的补汽口；地热井连通地热能换热器的热源入口，回灌井连通地热能换热器的回流口，以使地热热源从地热井进入地热能换热器换热后回流至回灌井；
太阳能换热器，其通过进汽管连通透平的进汽口；太阳能光场连接太阳能换热器，以向太阳能换热器提供太阳能热能；
补汽管上设有能够开闭补汽管的补汽阀，进汽管上设有能够开闭进汽管的进汽阀；还设有支管，支管一端连通于进汽管的位于进汽阀和进汽口之间的管段，支管的另一端连通于补汽管。
在一种实施方式中，透平连接发电机，用于发电。
在一种实施方式中，补汽阀包括补汽主汽阀和补汽调节阀，补汽主汽阀和补汽调节阀依次串设在补汽管上；支管的一端连通于补汽主汽阀和补汽调节阀之间。
在一种实施方式中，还包括冷凝器和凝结水泵；透平的排汽口连通冷凝器，冷凝器的出口通过凝结水泵分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使在透平中做功后的介质通过冷凝器冷凝后分别由凝结水泵抽入地热能换热器和太阳能换热器。
在一种实施方式中，还包括排汽加热器；透平的排汽口通过排汽加热器后连通冷凝器，冷凝器的出口通过凝结水泵、并经过排汽加热器的介质通道后分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使透平的排汽对流经排汽加热器的介质通道的介质进行排汽加热。
在一种实施方式中，还包括回热加热器；透平在中间部分级次设置中间抽汽口，中间抽汽口连通回热加热器，用于向回热加热器供应未完全做功的高温蒸汽；回热加热器的液侧连通冷凝器，以使中间抽汽口的抽汽经冷凝器冷凝后再经由排汽加热器加热，再依次通过排汽加热器和回热加热器的加热后分别连通地热能换热器和太阳能换热器。
本实施例还提供一种地热能和太阳能复合利用方法，其基于前述的地热能和太阳能复合利用系统；
包括在白天或光照条件好时，打开进汽阀和补汽阀、关闭汽源切换阀，使经过太阳能换热器加热的工质从进汽管进入透平，在从透平的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管后从透平的中间级次进入透平后，在后面级次依次做功；
而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀、打开补汽阀和汽源切换阀，打开汽源切换阀(地热能换热器过来的工质)，补汽汽源通过透平的进汽管从透平进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功。
本实施例还提供一种地热能和太阳能复合利用方法，其基于前述的地热能和太阳能复合利用系统；
包括在白天或光照条件好时，打开进汽阀和补汽阀、关闭汽源切换阀，使经过太阳能换热器加热的工质从进汽管进入透平，在从透平的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管后从透平的中间级次进入透平后，在后面级次依次做功；
而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀、打开补汽阀和汽源切换阀，打开汽源切换阀(地热能换热器过来的工质)，补汽汽源通过透平的进汽管从透平进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；
并且，在透平中做功后的介质排入排汽加热器，然后进入冷凝器，凝结后的液体经凝结水泵流向排汽加热器、并在排汽加热器中由透平排入排汽加热器的介质加热后流向回热加热器，然后分别进入地热能换热器和太阳能换热器；
在透平中部分级次做功后的一股抽汽从透平的中间抽汽口进入回热加热器，对经过回热加热器的介质加热后进入冷凝器，再通过凝结水泵流向排汽加热器，经过回热加热器加热后分别进入地热能换热器和/或太阳能换热器。
综合以上描述，本方案中的地热能和太阳能复合利用系统及地热能和太阳能复合利用方法具有以下有益效果：
1.两者均属于清洁能源，节能环保；
2.白天电网负荷高，恰好由太阳能和地热能共同提供能量，以满足更大的透平负荷；晚上电网负荷低，仅需地热能部分的热量供透平部分负荷运行，具有很好的适配性。
3.常规的单一太阳能发电系统，若不配置储能装置，昼夜频繁启停，影响机组寿命和增加了运行难度；常规的单一太阳能发电系统，若配置储能装置，投资成本增加；单一的地热能发电系统，发电功率低。而本方案既保证了机组的安全可靠性和运行灵活性，不需要频繁启停，又能节约储能装置的投资成本、增加了机组功率。
4.该方案的昼夜切换方式，同样保证了透平全级次不在鼓风或小于叶片冷却流量的工况运行，保证了透平的安全性。
5.在其中一些实施方式中，设置回热加热器和排汽加热器充分利用蒸汽的热能对介质加热，能源利用率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中的地热能和太阳能复合利用系统的示意图；
图2为本发明实施例中的地热能和太阳能复合利用系统的另一实施方式的示意图。
图标：S1-地热能和太阳能复合利用系统；1-地热能换热器；2-太阳能换热器；3-透平；4-发电机；5-冷凝器；6-排汽加热器；7-凝结水泵；8-回热加热器；9-地热井；10-回灌井；11-太阳能光场；12-汽源切换阀；13-进汽阀；14-补汽主汽阀；15-补汽调节阀；G3-支管；K1-进汽口；K2-补汽口；K3-排汽口；K4-中间抽汽口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参见图1，本实施例中的地热能和太阳能复合利用系统S1包括透平3、地热能换热器1和太阳能换热器2。透平3具有进汽口K1和补汽口K2；地热能换热器1通过补汽管G2连通透平3的补汽口K2；地热井9连通地热能换热器1的热源入口，回灌井10连通地热能换热器1的回流口，以使地热热源从地热井9进入地热能换热器1换热后回流至回灌井10；太阳能换热器2通过进汽管G1连通透平3的进汽口K1；太阳能光场11连接太阳能换热器2，以向太阳能换热器2提供太阳能热能。补汽管G2上设有能够开启和关断补汽管G2的补汽阀。本实施例中，补汽阀包括补汽主汽阀14和能够调节开度的补汽调节阀15，进汽管G1上设有能够开闭进汽管G1的进汽阀13；还设有支管G3，支管G3一端连通于进汽管G1的位于进汽阀13和进汽口K1之间的管段，支管G3的另一端连通于补汽管G2。本实施方式中，支管G3的一端连通于补汽主汽阀14和补汽调节阀15之间。
本方案中的地热能和太阳能复合利用系统S1使用方法如下：
白天或光照条件好时，打开进汽阀13和补汽主汽阀14和补汽调节阀15、关闭汽源切换阀12，经过太阳能换热器2加热的工质从进汽管G1进入透平3，在从透平3的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管G2从透平3的中间级次进入透平3后，在后面级次依次做功；而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀13、打开补汽主汽阀14和汽源切换阀12，地热能换热器过来的工质通过透平3的进汽管G1从透平3的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功。其中，补汽调节阀15可打开一定开度，此时地热能换热器过来的工质还有部分仍从补汽口进入；补汽调节阀15也可关闭，此时地热能换热器过来的工质全部从进汽口进入。
可选地，还设置冷凝器5，冷凝器5可以是凝汽器或空冷岛。透平3的排汽通过冷凝器5冷凝后进入地热能换热器1和/或太阳能换热器2进行下一次的介质循环。本实施例中的介质可以是有机介质。本实施例中，透平3连接发电机4，用于发电。
当然，在其他实施方式中，也可省略补汽主汽阀14，而由补汽调节阀15兼做补汽管G2的通断控制。这样，在需要同时供应地热能和太阳能时，打开进汽阀13和补汽调节阀15，关闭汽源切换阀12；在需要单独使用地热能时，关闭进汽阀13和补汽调节阀15，打开汽源切换阀12，使地热能加热的介质通过进汽口进入透平3做功。
在另一种实施方式中，参见图2，地热能和太阳能复合利用系统S1还包括排汽加热器6、冷凝器5、凝结水泵7及回热加热器8；透平的排汽口K3连通冷凝器，冷凝器的出口通过凝结水泵分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使在透平中做功后的介质通过冷凝器冷凝后分别由凝结水泵抽入地热能换热器和太阳能换热器。
透平的排汽口通过排汽加热器后连通冷凝器，冷凝器的出口通过凝结水泵、并经过排汽加热器的介质通道后分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使透平的排汽对流经排汽加热器的介质通道的介质进行排汽加热。
透平在中间部分级次设置中间抽汽口K4，中间抽汽口连通回热加热器，用于向回热加热器供应未完全做功的高温蒸汽；回热加热器的液侧连通冷凝器，以使中间抽汽口的抽汽经冷凝器冷凝后再经由排汽加热器加热，再依次通过排汽加热器和回热加热器的加热后分别连通地热能换热器和太阳能换热器。该实施方式下，充分利用在透平3中做功后的介质和透平3的排汽的剩余热量对回流介质进行加热，提供能源利用率。
本方案还提供一种地热能和太阳能复合利用方法，其基于前述的地热能和太阳能复合利用系统S1，并包括在白天或光照条件好时，打开进汽阀13和补汽调节阀15、补汽主汽阀14、关闭汽源切换阀12，使经过太阳能换热器2加热的工质从进汽管G1进入透平3，在从透平3的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管G2后从透平3的中间级次进入透平3后，在后面级次依次做功；而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀13、打开补汽主汽阀14和汽源切换阀12，打开汽源切换阀12，地热能换热器过来的工质通过透平3的进汽管G1从透平3进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功。
对于省略设置补汽主汽阀14的情形，由补汽调节阀15兼做支管G2的通断控制。
对于设置冷凝器、凝结水泵、排汽加热器和回热加热器的情形，该方法还包括：在透平中做功后的介质排入排汽加热器，然后进入冷凝器，凝结后的液体经凝结水泵流向排汽加热器、并在排汽加热器中由透平排入排汽加热器的介质加热后流向回热加热器，然后分别进入地热能换热器和太阳能换热器；
在透平中部分级次做功后的抽汽从透平的中间出汽口进入回热加热器，对经过回热加热器的介质加热后进入冷凝器，再通过所述凝结水泵流向排汽加热器，经过回热加热器加热后分别进入地热能换热器和/或太阳能换热器。
综合以上描述，本方案中的地热能和太阳能复合利用系统S1具有以下
有益效果：
1.两者均属于清洁能源，节能环保；
2.白天电网负荷高，恰好由太阳能和地热能共同提供能量，以满足更大的透平3负荷；晚上电网负荷低，仅需地热能部分的热量供透平3部分负荷运行，具有很好的适配性。
3.常规的单一太阳能发电系统，若不配置储能装置，昼夜频繁启停，影响机组寿命和增加了运行难度；常规的单一太阳能发电系统，若配置储能装置，投资成本增加；单一的地热能发电系统，发电功率低。而本方案既保证了机组的安全可靠性和运行灵活性，不需要频繁启停，又能节约储能装置的投资成本、增加了机组功率。
4.该方案的昼夜切换方式，同样保证了透平3全级次不在鼓风或小于叶片冷却流量的工况运行，保证了透平3的安全性。
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 (8)

1.一种地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于，包括：
透平，其具有进汽口和补汽口；
地热能换热器，其通过补汽管连通所述透平的补汽口；地热井连通地热能换热器的热源入口，回灌井连通地热能换热器的回流口，以使地热热源从地热井进入地热能换热器换热后回流至回灌井；
太阳能换热器，其通过进汽管连通所述透平的进汽口；太阳能光场连接太阳能换热器，以向太阳能换热器提供太阳能热能；
所述补汽管上设有能够开闭所述补汽管的补汽阀，所述进汽管上设有能够开闭所述进汽管的进汽阀；还设有支管，所述支管一端连通于所述进汽管的位于进汽阀和进汽口之间的管段，所述支管的另一端连通于所述补汽管。
2.根据权利要求1所述的地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于：
所述透平连接发电机，用于发电。
3.根据权利要求1所述的地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于：
所述补汽阀包括补汽主汽阀和补汽调节阀，所述补汽主汽阀和所述补汽调节阀依次串设在所述补汽管上；
所述支管的一端连通于所述补汽主汽阀和所述补汽调节阀之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于：
还包括冷凝器和凝结水泵；
透平的排汽口连通冷凝器，冷凝器的出口通过所述凝结水泵分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使在透平中做功后的介质通过冷凝器冷凝后分别由凝结水泵抽入地热能换热器和太阳能换热器。
5.根据权利要求4所述的地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于：
还包括排汽加热器；
所述透平的排汽口通过所述排汽加热器后连通冷凝器，冷凝器的出口通过凝结水泵、并经过所述排汽加热器的介质通道后分别连通地热能换热器和太阳能换热器，以使透平的排汽对流经排汽加热器的介质通道的介质进行排汽加热。
6.根据权利要求5所述的地热能和太阳能复合利用系统，其特征在于：
还包括回热加热器；
所述透平在中间部分级次设置中间抽汽口，中间抽汽口连通回热加热器，用于向回热加热器供应未完全做功的高温蒸汽；回热加热器的液侧连通所述冷凝器，以使中间抽汽口的抽汽经冷凝器冷凝后再经由排汽加热器加热，再依次通过排汽加热器和回热加热器的加热后分别连通地热能换热器和太阳能换热器。
7.一种地热能和太阳能复合利用方法，其特征在于：
所述地热能和太阳能复合利用方法基于权利要求1-6任一项所述的地热能和太阳能复合利用系统；
包括在白天或光照条件好时，打开进汽阀和补汽阀、关闭汽源切换阀，使经过太阳能换热器加热的工质从进汽管进入透平，在从透平的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管后从透平的中间级次进入透平后，在后面级次依次做功；
而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀、打开补汽阀和汽源切换阀，打开汽源切换阀，地热能换热器过来的工质作为补汽汽源通过透平的进汽管从透平进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功。
8.一种地热能和太阳能复合利用方法，其特征在于：
所述地热能和太阳能复合利用方法基于权利要求6所述的地热能和太阳能复合利用系统；
包括在白天或光照条件好时，打开进汽阀和补汽阀、关闭汽源切换阀，使经过太阳能换热器加热的工质从进汽管进入透平，在从透平的进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；经地热能换热器加热的工质，经补汽管后从透平的中间级次进入透平后，在后面级次依次做功；
而在夜间或光照条件较差时，关闭进汽阀、打开补汽阀和汽源切换阀，打开汽源切换阀，地热能换热器过来的工质作为补汽汽源通过透平的进汽管从透平进汽室进入第一级通流做功后依次进入下面的级次做功；
并且，在透平中做功后的介质排入排汽加热器，然后进入冷凝器，凝结后的液体经凝结水泵流向排汽加热器、并在排汽加热器中由透平排入排汽加热器的介质加热后流向回热加热器，然后分别进入地热能换热器和太阳能换热器；
在透平中部分级次做功后的一股抽汽从透平的中间抽汽口进入回热加热器，对经过回热加热器的介质加热后进入冷凝器，再通过所述凝结水泵流向排汽加热器，经过回热加热器加热后分别进入地热能换热器和/或太阳能换热器。
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