CN112727558A - 一种蓄热发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蓄能发电技术领域，尤其涉及一种蓄热发电系统及方法。该蓄热发电系统包括干热岩热储水池、蓄热器、蒸发器、透平膨胀机和发电机，蓄热器的进水口通过第一输水管道与干热岩热储水池相连通，蓄热器的出水口通过第二输水管道与蒸发器的进水口相连通，蒸发器的工质出口通过蒸汽管道与透平膨胀机的高温蒸汽进口相连通，透平膨胀机与发电机相连。本发明提供的蓄热发电系统及方法，能够有效利用干热岩的热能进行储能并发电，实现了电能的清洁存储和再生，系统运行过程清洁且无碳排放，电换电效率可达120％以上，能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。

Description

一种蓄热发电系统及方法
技术领域
本发明涉及蓄能发电技术领域，尤其涉及一种蓄热发电系统及方法。
背景技术
我国的干热岩资源十分丰富，但目前缺乏有效手段对其进行开发和利用。干热岩发电是一种具有潜力的干热岩开发利用形式，如果能够将干热岩发电技术用于可再生能源波动平抑和电网峰谷调节，将大大拓展干热岩资源应用范围，并有助于降低常规化石燃料在能源结构中的占比。
一般认为高于200℃干热岩资源为优质干热岩资源，但该温度与常规的热力发电系统热源温度相比仍然十分低，因此，如何有效利用干热岩资源进行储能发电，是目前干热岩资源应用领域的需要解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种蓄热发电系统及方法，解决现有技术难以有效利用干热岩资源进行储能发电的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蓄热发电系统，包括干热岩热储水池、蓄热器、蒸发器、透平膨胀机和发电机，所述蓄热器的进水口通过第一输水管道与所述干热岩热储水池相连通，所述蓄热器的出水口通过第二输水管道与所述蒸发器的进水口相连通；所述蒸发器的工质出口通过蒸汽管道与所述透平膨胀机的高温蒸汽进口相连通，所述透平膨胀机与所述发电机相连。
进一步地，还包括回热器和冷凝器，所述透平膨胀机的低温排气口通过排气管道与所述回热器的冷凝进口相连通，所述回热器的冷凝出口通过第一冷凝管道与所述冷凝器的工质进口相连通，所述冷凝器的工质出口通过第二冷凝管道与所述回热器的工质进口相连通，所述回热器的工质出口通过工质输送管道与所述蒸发器的工质进口相连通。
进一步地，还包括冷水塔，所述冷水塔的进水口与所述冷凝器的出水口相连通，所述冷水塔的出水口与所述冷凝器的进水口相连通。
具体地，所述第二冷凝管道上设有循环泵。
具体地，所述第二输水管道上设有热水泵。
进一步地，还包括与所述干热岩热储水池相连通的注水管道，所述注水管道上设有高压泵。
具体地，所述蒸发器的出水口通过回水管道与所述注水管道相连通。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种蓄热发电方法，该方法包括储能步骤和发电步骤；
所述储能步骤具体包括：
向干热岩热储水池中注入常温水，将常温水加热为高温水；
将所述干热岩热储水池中的高温水通过第一输水管道输送至蓄热器进行存储；
所述发电步骤具体包括：
将所述蓄热器中的高温水通过第二输水管道输送至蒸发器，用于对所述蒸发器中的R236ea液体进行加热，将R236ea液体加热为3～4MPa的饱和R236ea蒸汽；
所述蒸发器将饱和R236ea蒸汽通过蒸汽管道输送至透平膨胀机，使所述透平膨胀机膨胀做功，并带动发电机运转发电。
进一步地，所述的蓄热发电方法还包括：
所述透平膨胀机排出的R236ea乏气通过排气管道输送至回热器；
所述回热器对所述R236ea乏气放热冷却后通过第一冷凝管道输送至冷凝器；
所述冷凝器将所述R236ea乏气冷凝为R236ea液体后通过第二冷凝管道输送至所述回热器进行预热；
所述回热器将预热后的R236ea液体通过工质输送管道输送至所述蒸发器。
具体地，所述干热岩热储水池的温度不低于200℃；
具体地，所述蓄热器的蓄热系数为180～200℃，所述蓄热器中的压力为2.7～3.0MPa；
具体地，所述蒸发器中输出的饱和R236ea蒸汽允许存在不超过5℃的过热度；
具体地，所述冷凝器输出的R236ea液体温度大于环境温度，且所述冷凝器输出的R236ea液体允许存在不超过5℃的过冷度。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供的蓄热发电系统及方法，通过干热岩热储水池将常温水加热为高温水，并通过蓄热器对高温水进行存储，然后蒸发器能够利用高温水的热能将R236ea液体加热为饱和R236ea蒸汽，再通过饱和R236ea蒸汽带动透平膨胀机膨胀做功，进而通过透平膨胀机带动发电机运转发电。由此，本发明提供的蓄热发电系统及方法，能够有效利用干热岩的热能进行储能并发电，实现了电能的清洁存储和再生，系统运行过程清洁且无碳排放，电换电效率可达120％以上，能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。
附图说明
图1是本发明实施例蓄热发电系统的结构示意图。
图中：1：干热岩热储水池；2：蓄热器；3：蒸发器；4：透平膨胀机；5：发电机；6：第一输水管道；7：第二输水管道；8：蒸汽管道；9：回热器；10：冷凝器；11：排气管道；12：第一冷凝管道；13：第二冷凝管道；14：工质输送管道；15：冷水塔；16：循环泵；17：热水泵；18：注水管道；19：高压泵；20：回水管道。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
如图1所示，本发明实施例提供一种蓄热发电系统，包括干热岩热储水池1、蓄热器2、蒸发器3、透平膨胀机4和发电机5。
蓄热器2的进水口通过第一输水管道6与干热岩热储水池1相连通，蓄热器2的出水口通过第二输水管道7与蒸发器3的进水口相连通。蒸发器3的工质出口通过蒸汽管道8与透平膨胀机4的高温蒸汽进口相连通，透平膨胀机4与发电机5相连。
其中，干热岩热储水池1能够利用干热岩的热能将常温水加热为高温水，蓄热器2能够对加热后的高温水进行存储，从而实现对干热岩热能的开发和存储。
其中，蒸发器3能够利用高温水的热能来对有机工质液体进行加热，将有机工质液体加热为有机工质蒸汽。透平膨胀机4能够利用有机工质蒸汽进行膨胀做功，进而带动发电机5运转发电，从而将干热岩的热能最终转化为电能。
本发明实施例所述的蓄热发电系统，能够有效利用干热岩的热能进行储能并发电，实现了电能的清洁存储和再生，系统运行过程清洁且无碳排放，电换电效率可达120％以上，能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。
在本发明的进一步实施例中，所述的蓄热发电系统还包括回热器9和冷凝器10，透平膨胀机4的低温排气口通过排气管道11与回热器9的冷凝进口相连通，回热器9的冷凝出口通过第一冷凝管道12与冷凝器10的工质进口相连通，冷凝器10的工质出口通过第二冷凝管道13与回热器9的工质进口相连通，回热器9的工质出口通过工质输送管道14与蒸发器3的工质进口相连通。
其中，透平膨胀机4做功后排出的低温乏气输入回热器9，回热器9能够利用低温乏气的余热对有机工质液体进行预热，实现低温乏气与有机工质液体之间的热量交换。预热后的有机工质液体再次进入蒸发器3。
其中，降温冷却后的低温乏气输送至冷凝器10，冷凝器10能够对低温乏气进行降温冷凝，从而形成有机工质液体，然后，再将该有机工质液体输送至回热器9预热。
也即，有机工质能够在蒸发器3、透平膨胀机4、回热器9和冷凝器10之间循环流动，从而实现热能的转化利用。
在本发明的进一步实施例中，所述的蓄热发电系统还包括冷水塔15，冷水塔15的进水口与冷凝器10的出水口相连通，冷水塔15的出水口与冷凝器10的进水口相连通。
也即，冷水塔15与冷凝器10之间形成闭环回路，通过冷水塔15中输送的冷却水能够与冷凝器10中的低温乏气进行换热，从而将冷凝器10中的低温乏气降温冷凝成有机工质液体。
在本发明的具体实施例中，第二冷凝管道13上设有循环泵16，从而为有机工质的循环流动提供动力。
在本发明的具体实施例中，第二输水管道7上设有热水泵17，通过热水泵17能够驱动蓄热器2中的高温水输入至蒸发器3，从而实现高温水与有机工质之间的换热。
在本发明的进一步实施例中，所述的蓄热发电系统还包括与干热岩热储水池1相连通的注水管道18，注水管道18上设有高压泵19。
其中，注水管道18用于将常温水注入至干热岩热储水池1中，高压泵19用于驱动注水管道18中的常温水进入干热岩热储水池1中。
在本发明的具体实施例中，蒸发器3的出水口与回水管道20相连通，蒸发器3中的高温水经过放热降温成为常温水，并通过回水管道20排出。
其中，可以将回水管道20与注水管道18相连通，从而实现常温水的循环利用，更加经济环保。
本发明实施例还提供了一种蓄热发电方法，该方法包括储能步骤和发电步骤。
储能步骤在电网负荷低谷时或可再生能源电力并网受限时进行。储能步骤具体包括：
启动高压泵19，通过注水管道18向干热岩热储水池1中注入常温水，利用干热岩的热能将常温水加热为高温水。
将干热岩热储水池1中的高温水通过第一输水管道6输送至蓄热器2中进行存储。在此过程中，电网负荷低谷或可再生能源并网受限的电能转化为蓄热器2中易储存的热能。
发电步骤在有短时电力供应需求时进行。发电步骤具体包括：
启动热水泵17，将蓄热器2中的高温水通过第二输水管道7输送至蒸发器3中，用于对蒸发器3中的R236ea液体进行加热，从而将R236ea液体加热为3～4MPa的饱和R236ea蒸汽。在此过程中，采用氮气向蓄热器2中增压以避免高温水沸腾。
蒸发器3将饱和R236ea蒸汽通过蒸汽管道8输送至透平膨胀机4，从而使透平膨胀机4膨胀做功，进而通过透平膨胀机4带动发电机5运转发电。
本发明实施例所述的蓄热发电方法，能够有效利用干热岩的热能进行储能并发电，实现了电能的清洁存储和再生，系统运行过程清洁且无碳排放，同时，与高温水进行换热的有机工质采用R236ea液体，并将R236ea液体加热为3～4MPa的饱和R236ea蒸汽后进行透平膨胀机4的膨胀做功，从而能够更有效的利用干热岩的热源温度，电换电效率可达120％以上，能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。
在本发明的进一步实施例中，所述的蓄热发电方法还包括：
透平膨胀机4排出的R236ea乏气通过排气管道11输送至回热器9。回热器9对R236ea乏气放热冷却后通过第一冷凝管道12输送至冷凝器10。冷凝器10中的R236ea乏气与冷水塔15输送的冷却水进行换热，将R236ea乏气冷凝为R236ea液体后，通过第二冷凝管道13输送至回热器9进行预热。回热器9将预热后的R236ea液体通过工质输送管道14输送至蒸发器3。也即，R236ea有机工质能够在蒸发器3、透平膨胀机4、回热器9和冷凝器10之间循环流动，从而有效利用R236ea有机工质，更好的实现热能的转化利用。
具体来说，干热岩热储水池1的温度不低于200℃，从而确保具有足够的热能来对R236ea有机工质进行加热，进而保证热能与电能的转化效率。
具体来说，蓄热器2的蓄热系数为180～200℃，进而保证存储在蓄热器2中的高温水的温度能够达到180～200℃。
具体来说，蓄热器2中的压力控制在2.7～3.0MPa，从而有效避免蓄热器2中的高温水沸腾。
具体来说，蒸发器3中输出的饱和R236ea蒸汽允许存在不超过5℃的过热度，进而确保饱和R236ea蒸汽能够有效带动透平膨胀机4膨胀做功。
具体来说，冷凝器10输出的R236ea液体温度大于环境温度，而且冷凝器10输出的R236ea液体允许存在不超过5℃的过冷度，进而确保R236ea液体与高温水之间的有效换热。
综上所述，本发明实施例所述的蓄热发电系统及方法，能够有效利用干热岩的热能进行储能并发电，实现了电能的清洁存储和再生，系统运行过程清洁且无碳排放，电换电效率可达120％以上，能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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，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。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种蓄热发电系统，其特征在于，包括干热岩热储水池、蓄热器、蒸发器、透平膨胀机和发电机，所述蓄热器的进水口通过第一输水管道与所述干热岩热储水池相连通，所述蓄热器的出水口通过第二输水管道与所述蒸发器的进水口相连通；所述蒸发器的工质出口通过蒸汽管道与所述透平膨胀机的高温蒸汽进口相连通，所述透平膨胀机与所述发电机相连。
2.根据权利要求1所述的蓄热发电系统，其特征在于，还包括回热器和冷凝器，所述透平膨胀机的低温排气口通过排气管道与所述回热器的冷凝进口相连通，所述回热器的冷凝出口通过第一冷凝管道与所述冷凝器的工质进口相连通，所述冷凝器的工质出口通过第二冷凝管道与所述回热器的工质进口相连通，所述回热器的工质出口通过工质输送管道与所述蒸发器的工质进口相连通。
3.根据权利要求2所述的蓄热发电系统，其特征在于，还包括冷水塔，所述冷水塔的进水口与所述冷凝器的出水口相连通，所述冷水塔的出水口与所述冷凝器的进水口相连通。
4.根据权利要求2所述的蓄热发电系统，其特征在于，所述第二冷凝管道上设有循环泵。
5.根据权利要求1所述的蓄热发电系统，其特征在于，所述第二输水管道上设有热水泵。
6.根据权利要求1所述的蓄热发电系统，其特征在于，还包括与所述干热岩热储水池相连通的注水管道，所述注水管道上设有高压泵。
7.根据权利要求6所述的蓄热发电系统，其特征在于，所述蒸发器的出水口通过回水管道与所述注水管道相连通。
8.一种蓄热发电方法，其特征在于，包括储能步骤和发电步骤；
所述储能步骤具体包括：
向干热岩热储水池中注入常温水，将常温水加热为高温水；
将所述干热岩热储水池中的高温水通过第一输水管道输送至蓄热器进行存储；
所述发电步骤具体包括：
将所述蓄热器中的高温水通过第二输水管道输送至蒸发器，用于对所述蒸发器中的R236ea液体进行加热，将R236ea液体加热为3～4MPa的饱和R236ea蒸汽；
所述蒸发器将饱和R236ea蒸汽通过蒸汽管道输送至透平膨胀机，使所述透平膨胀机膨胀做功，并带动发电机运转发电。
9.根据权利要求8所述的蓄热发电方法，其特征在于，还包括：
所述透平膨胀机排出的R236ea乏气通过排气管道输送至回热器；
所述回热器对所述R236ea乏气放热冷却后通过第一冷凝管道输送至冷凝器；
所述冷凝器将所述R236ea乏气冷凝为R236ea液体后通过第二冷凝管道输送至所述回热器进行预热；
所述回热器将预热后的R236ea液体通过工质输送管道输送至所述蒸发器。
10.根据权利要求9所述的蓄热发电方法，其特征在于，
所述干热岩热储水池的温度不低于200℃；
所述蓄热器的蓄热系数为180～200℃，所述蓄热器中的压力为2.7～3.0MPa；
所述蒸发器中输出的饱和R236ea蒸汽允许存在不超过5℃的过热度；
所述冷凝器输出的R236ea液体温度大于环境温度，且所述冷凝器输出的R236ea液体允许存在不超过5℃的过冷度。
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