CN111271898A - 一种基于地热能的冷热电联供系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于地热能的冷热电联供系统及其工作方法，属于可再生能源开发利用与动力工程技术领域。包括闪蒸器、精馏塔、吸收器、蒸汽透平、第一冷凝器、蒸发器、第二冷凝器、热用户回路和冷用户回路；将地热闪蒸发电循环与一个氨水吸收式循环有机集成，将闪蒸器排出的饱和水作为氨水吸收式循环的热源，同时回收利用氨水吸收式循环中冷凝器和吸收器放出的余热，形成一个冷热电联供系统，满足了用户对不同种类能量的需求，实现了能源的梯级利用。该系统结构设计合理，利用两种循环的耦合，产生冷热电三种产品，有效提高了系统的能源转换效率，且绿色环保、适用范围广。

Description

一种基于地热能的冷热电联供系统及其工作方法

技术领域

本发明属于可再生能源开发利用与动力工程技术领域，具体涉及一种基于 地热能的冷热电联供系统及其工作方法。

背景技术

随着人类对能源需求的不断增长，大规模地燃烧化石能源已对大气环境和 生态环境造成了严重影响，人们越来越担心大量使用传统化石能源所带来的资 源枯竭和环境污染问题。在这种情况下，地热能等可再生的清洁新能源越来越 受到世界各国的重视。地热资源的开发利用对于节约化石能源和保护生态环境 以及降低二氧化碳排放，起到至关重要的作用。目前我国地热资源主要用于地 热发电，地热供暖，医疗保健，洗浴旅游，种植养殖，工业生产等方面。

利用地热能发电有两种方式，一是利用高温地热蒸汽发电，二是利用中低 温地热水发电。而目前地热发电技术主要包括干蒸汽发电，扩容式闪蒸发电， 双工质循环发电，Kalina循环发电以及新型的联合循环发电等。其中，干蒸汽发 电是高温地热蒸汽发电的主要形式，扩容式闪蒸发电广泛应用于中高温地热资 源，双工质循环发电适用于中低温地热资源，Kalina循环在低温地热资源发电领 域具有优越性。

1)干蒸汽发电

干蒸汽是从地下喷出的具有一定过热度的蒸汽，如图1，干蒸汽发电技术就 是将干蒸汽从地热井引出，除去固体杂质后直接输送到汽轮发电机组进行发电， 汽轮机排气经冷凝器冷却后回灌地下或者另作他用。

2)扩容式闪蒸发电

对于中高温(130℃<T<250℃)地热资源，所提供的大多是汽水混合物，其 中蒸汽量较小，适宜采用扩容式闪蒸发电技术。如图2，地热井下带有一定压力 的汽水混合物或热水被引到地面后，首先进入一级扩容器，地热水中携带的蒸 汽及少部分由第一级减压产生的蒸汽直接进入汽轮机做功，其余的地热水进入 二级扩容器。在二级扩容器中，由于减压作用，扩容器内的压力小于此时地热 水温度所对应的饱和压力，部分地热水将汽化成蒸汽，再引入汽轮机做功。二 级扩容器中剩余地热水回灌地下。汽轮机排气经冷凝器冷却后回灌地下或者另 作他用。

3)双工质循环发电

对于中低温(T<130℃)地热资源，温度较低的地热水想通过扩容方式形成 蒸汽，需将压力降至大气压以下，整个系统形成负压，这给系统运行和设备带 来很大困难，因此采用双工质循环发电技术。如图3，在双工质循环发电技术中， 地热水不再与发电系统直接接触，而是作为热源加热某种低沸点介质(一般为 有机物)，这些工质蒸发后形成具有一定温度压力的蒸气，进入有机透平进行做 功。透平排气经过冷凝器冷却后，经过增压泵升压，重新送入到蒸发器中吸热， 完成一个循环。放热后的地热水回灌地下。

4)Kalina循环发电

Kalina循环是区别于常规朗肯循环的一种新型热力循环，采用氨水混合物作 为工质，这种混合工质的沸点是随着氨水浓度的变化而变化，工质的升温曲线 更接近热源的降温曲线，尽可能减小传热温差，提高循环效率。当热源参数变 化时，只需要调整氨水浓度即可达到最佳的循环效果。如图4，地热水从地热井 抽出后，进入蒸发器放热，然后回灌地下。氨水基本溶液在蒸发器中被加热至 两相态，然后进入氨水分离器被分离为饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液。富氨蒸 汽进入汽轮机做功，贫氨溶液进入高温回热器进行换热后经过节流降压，再与 从汽轮机排汽混合，重新生成基本溶液，基本溶液通过低温回热器放热后再进 入冷凝器完全冷凝为液态。基本溶液经过增压泵升压，然后依次流经低温回热 器和高温回热器回收部分热量，随后基本溶液再次进入蒸发器开始下一次循环。

5)新型联合循环发电

单一的蒸汽朗肯循环发电技术循环效率较低，为了更加经济合理和有效地 利用地热资源，可以采用联合循环的发电方式。如图5，在地热水的高温阶段， 采用扩容式闪蒸发电方式，利用地热能的高温部分；在地热水温度不能满足扩 容式闪蒸发电运行条件时，采用双工质循环或Kalina循环发电方式，充分利用地 热能的低温部分，最大限度地提高地热发电循环的效率。

但是上述对于地热能的利用形式较为单一，且利用率较低，无法满足当前 生产生活中用户对冷、热、电等能量的多样需求。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于地 热能的冷热电联供系统及其工作方法，实现了能源的梯级利用且利用率高，能 够同时进行供电、供热和供冷，且绿色环保、适用范围广。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于地热能的冷热电联供系统，包括闪蒸器、精馏塔、 吸收器、蒸汽透平、第一冷凝器、蒸发器、第二冷凝器、热用户回路和冷用户 回路；闪蒸器的入口与地热井连接，闪蒸器的饱和蒸汽出口与蒸汽透平连接， 蒸汽透平连接有发电机，闪蒸器的饱和液体出口与精馏塔热源进口连接，蒸汽 透平和精馏塔的热源出口与第二冷凝器连接，第二冷凝器与回灌井连接；精馏 塔的氨蒸气出口与第一冷凝器连接，第一冷凝器与蒸发器连接，蒸发器与吸收 器的气相入口连接，吸收器的液相入口与精馏塔的稀氨溶液出口连接；吸收器 的出口与精馏塔的浓氨溶液入口连接；

热用户回路流经第一冷凝器、吸收器和第二冷凝器后与热用户连接；冷用 户回路流经蒸发器后与冷用户连接。

优选地，吸收器的出口与精馏塔的浓氨溶液入口之间设有增压泵。

优选地，吸收器的入口与精馏塔的稀氨溶液出口之间设有第一节流阀。

优选地，精馏塔的热源出口与第二冷凝器之间设有第二节流阀。

优选地，第一冷凝器与蒸发器之间设有第三节流阀。

本发明公开了上述基于地热能的冷热电联供系统的工作方法，包括：地热 水从地热井抽出后进入闪蒸器后产生两相流体，该两相流体分离出饱和蒸汽和 饱和液体，饱和蒸汽进入蒸汽透平中膨胀做功，驱动发电机发电，饱和液体进 入精馏塔作为热源释放热量，经降压后与透平排汽混合后进入第二冷凝器中释 放剩余热量后，回灌至回灌井中；

浓氨溶液进入精馏塔中经蒸发、提馏和精馏后，氨蒸气经精馏塔的蒸气出 口进入第一冷凝器，剩余的稀氨溶液从精馏塔的稀氨溶液出口进入吸收器；氨 蒸气在第一冷凝器中被冷却为液态氨，经过降压降温后生成低温两相氨流体后 进入蒸发器中蒸发吸热，冷却冷媒水，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨 蒸气后进入吸收器；稀氨溶液降压后进入吸收器中吸收饱和氨蒸气，同时释放 出热量，重新生成浓氨溶液经增压泵升压后再次进入精馏塔；

热用户回路中的水依次在第一冷凝器、吸收器和第二冷凝器中吸收热量后 供给热用户；冷用户回路中的水在蒸发器中被冷却后供给冷用户。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种基于地热能的冷热电联供系统，包括闪蒸器、精馏塔、 吸收器、蒸汽透平、第一冷凝器、蒸发器、第二冷凝器、热用户回路和冷用户 回路；将地热闪蒸发电循环与一个氨水吸收式循环有机集成，将闪蒸器排出的 饱和水作为氨水吸收式循环的热源，同时回收利用氨水吸收式循环中冷凝器和 吸收器放出的余热，形成一个冷热电联供系统，满足了用户对不同种类能量的 需求，实现了能源的梯级利用。该系统结构设计合理，利用两种循环的耦合， 产生冷热电三种产品，有效提高了系统的能源转换效率。在系统中，通过对氨 水吸收式循环中氨水工质浓度的调节，使得冷凝器和吸收器中的放热过程可在 不同温度区域进行，因此这两股余热可被回收利用用于家用热水的预热，大大 减少了对环境的散热损失，显著提高了地热能的能源利用效率，且绿色环保、 适用范围广。

本发明公开了上述基于地热能的冷热电联供系统的工作方法，在闪蒸发电 循环中，闪蒸器产生的饱和蒸汽进入蒸汽透平做功，驱动发电机产生电能，而 排出的饱和水作为氨水吸收式循环的热源。在氨水吸收式循环中，精馏塔产生 的氨蒸气经过冷凝和节流后，进入到蒸发器中吸热制冷，产生冷媒水。吸收式 循环的冷凝器和吸收器中氨气和氨水释放的余热被回收用于家用热水的预热， 经过预热的家用热水再与闪蒸发电循环中透平排汽和放热降压后的闪蒸器排出 地热水的混合流体进行换热，温度达到规定温度后送往用户使用。可以满足用 户对不同种类能量的需求，同时实现了能源的梯级利用，显著提高了地热资源 的能源利用效率。

附图说明

图1为干蒸汽发电系统的结构示意图；

图2为扩容式闪蒸发电系统的结构示意图；

图3为双工质循环发电系统的结构示意图；

图4为Kalina循环发电系统的结构示意图；

图5为一种新型联合循环发电系统的结构示意图；

图6为本发明的基于地热能的冷热电联供系统的结构示意图。

图中：1-闪蒸器，2-精馏塔，3-第一节流阀，4-吸收器，5-增压泵，6-蒸汽 透平，7-发电机，8-第一冷凝器，9-第二节流阀，10-第三节流阀，11-蒸发器， 12-第二冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发 明的解释而不是限定：

图6为本发明的基于地热能的冷热电联供系统，包括闪蒸器1、精馏塔2、 吸收器4、蒸汽透平6、第一冷凝器8、蒸发器11、第二冷凝器12、热用户回路 和冷用户回路；闪蒸器1的入口与地热井连接，闪蒸器1的饱和蒸汽出口与蒸 汽透平6连接，蒸汽透平6连接有发电机7，闪蒸器1的饱和液体出口与精馏塔 2热源进口连接，蒸汽透平6和精馏塔2的热源出口与第二冷凝器12连接，精 馏塔2的热源出口与第二冷凝器12之间设有第二节流阀9。第二冷凝器12与回 灌井连接；精馏塔2的氨蒸气出口与第一冷凝器8连接，第一冷凝器8与蒸发 器11连接，第一冷凝器8与蒸发器11之间设有第三节流阀10；蒸发器11与吸 收器4的气相入口连接，吸收器4的液相入口与精馏塔2的稀氨溶液出口连接， 吸收器4的液相入口与精馏塔2的稀氨溶液出口之间设有第一节流阀3。吸收器 4的出口与精馏塔2的浓氨溶液入口连接，吸收器4的出口与精馏塔2的浓氨溶 液入口之间设有增压泵5；

热用户回路流经第一冷凝器8、吸收器4和第二冷凝器12后与热用户连接； 冷用户回路流经蒸发器11后与冷用户连接。

上述基于地热能的冷热电联供系统的原理及工作方法：

如图6，根据管路中的流动工质的不同，该系统可划分为四个回路，包括地 热水回路(实线)、氨水回路(虚线)、家用热水回路(单点划线)和冷媒水回 路(双点划线)。需要说明的是，图中家用热水回路和冷媒水回路为开式回路， 因为后半回路和用户相连的部分在该图中省略掉未画出。

在地热水回路中，首先将地热水从地热井中抽出，送至闪蒸器1，在闪蒸器 中1，地热水经过节流降低压力，产生两相流体，该两相流体被分离为饱和蒸汽 和饱和液体，饱和蒸汽进入到蒸汽透平6中进行膨胀做功，驱动同轴连接的发 电机7产生电能，而饱和液体被送至精馏塔2中作为精馏过程的热源；饱和液 体在精馏塔2中释放热量后，经过第二节流阀9降压，然后和蒸汽透平6的排 汽混合，得到的混合流体进入到第二冷凝器12中继续释放热量，最后回灌到地 热井中。

在氨水回路中，一股浓氨溶液被送入精馏塔2中，经过一系列蒸发、提馏 和精馏过程，在精馏塔2上端出口产出氨蒸气，剩余的稀氨溶液从精馏塔2下 端出口排出。氨蒸气首先在第一冷凝器8中被冷却为液态氨，然后经过第三节 流阀10降压降温，生成低温两相氨流体，该氨流体进入到蒸发器11中蒸发吸 热，将冷媒水冷却到5℃，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨蒸气，然后输 送到吸收器4中。精馏塔2排出的稀氨溶液经过第一节流阀3降压之后，也进 入到吸收器4中，吸收饱和氨蒸气，同时释放出热量，重新生成浓氨溶液，浓氨溶液经过增压泵5升压之后，再次送至精馏塔2中，完成氨水回路循环。

对于家用热水回路，首先环境温度下的水作为冷却水进入第一冷凝器8中 吸收氨蒸气冷凝过程释放的热量，然后再进入到吸收器4中吸收稀氨溶液吸收 饱和氨蒸气过程释放的热量，最后进入到第二冷凝器12中吸收地热水流体回灌 之前的剩余热量，最终温度达到70℃，送往用户作为家用热水用。

对于冷媒水回路，环境温度下的水进入到蒸发器11中，被低温两相氨流体 直接冷却到5℃，然后作为冷媒水送往用户处供中央空调或其他使用。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描 述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明 的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于地热能的冷热电联供系统，其特征在于，包括闪蒸器(1)、精馏塔(2)、吸收器(4)、蒸汽透平(6)、第一冷凝器(8)、蒸发器(11)、第二冷凝器(12)、热用户回路和冷用户回路；闪蒸器(1)的入口与地热井连接，闪蒸器(1)的饱和蒸汽出口与蒸汽透平(6)连接，蒸汽透平(6)连接有发电机(7)，闪蒸器(1)的饱和液体出口与精馏塔(2)热源进口连接，蒸汽透平(6)和精馏塔(2)的热源出口与第二冷凝器(12)连接，第二冷凝器(12)与回灌井连接；精馏塔(2)的氨蒸气出口与第一冷凝器(8)连接，第一冷凝器(8)与蒸发器(11)连接，蒸发器(11)与吸收器(4)的气相入口连接，吸收器(4)的液相入口与精馏塔(2)的稀氨溶液出口连接；吸收器(4)的出口与精馏塔(2)的浓氨溶液入口连接；

热用户回路流经第一冷凝器(8)、吸收器(4)和第二冷凝器(12)后与热用户连接；冷用户回路流经蒸发器(11)后与冷用户连接。

2.根据权利要求1所述的基于地热能的冷热电联供系统，其特征在于，吸收器(4)的出口与精馏塔(2)的浓氨溶液入口之间设有增压泵(5)。

3.根据权利要求1所述的基于地热能的冷热电联供系统，其特征在于，吸收器(4)的入口与精馏塔(2)的稀氨溶液出口之间设有第一节流阀(3)。

4.根据权利要求1所述的基于地热能的冷热电联供系统，其特征在于，精馏塔(2)的热源出口与第二冷凝器(12)之间设有第二节流阀(9)。

5.根据权利要求1所述的基于地热能的冷热电联供系统，其特征在于，第一冷凝器(8)与蒸发器(11)之间设有第三节流阀(10)。

6.根据权利要求1～5任意一项所述基于地热能的冷热电联供系统的工作方法，其特征在于，包括：

地热水从地热井抽出后进入闪蒸器(1)后产生两相流体，该两相流体分离出饱和蒸汽和饱和液体，饱和蒸汽进入蒸汽透平(6)中膨胀做功，驱动发电机(7)发电，饱和液体进入精馏塔(2)作为热源释放热量，经降压后与透平排汽混合后进入第二冷凝器(12)中释放剩余热量后，回灌至回灌井中；

浓氨溶液进入精馏塔(2)中经蒸发、提馏和精馏后，氨蒸气经精馏塔(2)的蒸气出口进入第一冷凝器(8)，剩余的稀氨溶液从精馏塔(2)的稀氨溶液出口进入吸收器(4)；氨蒸气在第一冷凝器(8)中被冷却为液态氨，经过降压降温后生成低温两相氨流体后进入蒸发器(11)中蒸发吸热，冷却冷媒水，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨蒸气后进入吸收器(4)；稀氨溶液降压后进入吸收器(4)中吸收饱和氨蒸气，同时释放出热量，重新生成浓氨溶液经增压泵(5)升压后再次进入精馏塔(2)；

热用户回路中的水依次在第一冷凝器(8)、吸收器(4)和第二冷凝器(12)中吸收热量后供给热用户；冷用户回路中的水在蒸发器(11)中被冷却后供给冷用户。

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