CN113982714B - 一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统及其工作方法，燃烧器的二氧化碳出口与二氧化碳透平的入口相连，二氧化碳透平的出口与第一回热器的热端入口相连，第一回热器的热端出口分别与冷却器的入口和间冷换热器的热端入口相连，冷却器的出口与第一预热器的二氧化碳入口相连，第一预热器的二氧化碳出口和间冷换热器的热端出口均与第一回热器的冷端入口相连，第一回热器的冷端出口与燃烧器的二氧化碳入口相连；间冷换热器的冷端入口和第一预热器热端入口均与地热单元的放热端连接，间冷换热器的冷端出口和第一预热器热端出口均与地热单元的吸热端连接。有效利用地热能对冷凝后的超临界二氧化碳工质进行预热，提高能量利用效率。
Description
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳发电领域，涉及一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统及其工作方法。
背景技术
地热资源按赋存形式可分热水型、地压地热能、干热岩地热能和岩浆热能四种类型；根据地热水的温度，又可分为高温型(>l50℃)、中温型(90～150℃)和低温型(<90℃)三大类。地热能的开发利用可分为发电和非发电两个方面，高温地热资源主要用于地热发电，中、低温地热资源主要是直接利用，多用于采暖、干燥、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游及人民的日常生活等方面。我国地热资源以低温热水型地热田为主，其中温度在90℃左右的地热资源约占这类资源总量的90％，目前主要作建筑采暖、供应生活热水、保健疗养和种植养殖等直接利用。但由于大量的资源所处位置附近缺乏更多的热需求，又缺乏具有良好经济性的发电利用技术，而不能得到开发利用，造成资源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统及其工作方法，有效利用地热能对冷凝后的超临界二氧化碳工质进行预热，提高能量利用效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，包括燃烧器、二氧化碳透平、第一回热器、冷却器、第一预热器、间冷换热器和地热单元；
燃烧器的二氧化碳出口与二氧化碳透平的入口相连，二氧化碳透平的出口与第一回热器的热端入口相连，第一回热器的热端出口分别与冷却器的入口和间冷换热器的热端入口相连，冷却器的出口与第一预热器的二氧化碳入口相连，第一预热器的二氧化碳出口和间冷换热器的热端出口均与第一回热器的冷端入口相连，第一回热器的冷端出口与燃烧器的二氧化碳入口相连；
间冷换热器的冷端入口和第一预热器热端入口均与地热单元的放热端连接，间冷换热器的冷端出口和第一预热器热端出口均与地热单元的吸热端连接。
优选的，第一预热器和第一回热器之间设置有第二预热器，第一预热器的二氧化碳出口与第二预热器的二氧化碳入口相连，第二预热器的二氧化碳出口和间冷换热器的热端出口均与第一回热器的冷端入口相连；间冷换热器的冷端出口与第二预热器的热端入口连接，第二预热器的热端出口与地热单元的吸热端连接。
进一步，第一预热器的二氧化碳出口与第二预热器的二氧化碳入口之间连接有二氧化碳增压装置，二氧化碳增压装置的出口与第二预热器的二氧化碳入口相连。
优选的，第一回热器的热端出口连接有第二回热器的热端入口，第二回热器的热端出口分别与冷却器的入口和第一压缩机的入口相连，第一预热器的二氧化碳出口与第二回热器的冷端入口相连，第二回热器的冷端出口和间冷换热器的热端出口均与第一回热器的冷端入口相连。
优选的，第一回热器的热端出口连接有第一压缩机的入口，第一压缩机的出口与间冷换热器的热端入口相连。
优选的，间冷换热器的热端出口连接有第二压缩机的入口，第二压缩机的出口与第一回热器的冷端入口相连。
优选的，燃烧器入口连通有空气和天然气。
优选的，地热单元包括地热井和回灌井，地热井的地热水出口连接有气液分离器入口，气液分离器的水蒸气出口连接间冷换热器的冷端入口，间冷换热器的冷端出口连接回灌井的入口，气液分离器的水出口连接第一预热器的地热水入口，第一预热器的地热水出口连接回灌井的入口。
一种基于上述任意一项所述利用地热能的超临界二氧化碳发电系统的工作方法，包括以下过程：
燃烧器中产生热能，在第一回热器中回热后的超临界二氧化碳工质进入燃烧器被加热，然后超临界二氧化碳工质进入二氧化碳透平做功发电，出口超临界二氧化碳工质在第一回热器中进行余热回收后，一部分进入冷却器被冷凝，一部分进入进入间冷换热器；
从冷却器出来的超临界二氧化碳工质在第一预热器中被地热单元的放热端内的工质进行预热，预热后的超临界二氧化碳工质进入第一回热器进行回热后，再进入燃烧器完成一个循环；
从间冷换热器放热后的超临界二氧化碳工质，进入第一回热器进行回热后再进入燃烧器完成循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过超临界二氧化碳进行发电，超临界二氧化碳密度接近于液体，临界点附近二氧化碳的压缩因子只有0.2-0.5，实际压缩功大大减小，超临界二氧化碳具有很高的能量密度，即相同体积的工质具有更高的做功能力，做功后的超临界二氧化碳通过进行热量回收，提高能源利用效率，有效利用地热能对冷凝后的超临界二氧化碳工质进行预热，提高能量利用效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
其中：1-燃烧器；2-二氧化碳透平；3-第一回热器；4-第二回热器；5-冷却器；6-第一预热器；7-二氧化碳增压装置；8-第二预热器；9-第一压缩机；10-间冷换热器；11-第二压缩机；12-地热井；13-气液分离器；14-回灌井。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的利用中低温地热能的超临界二氧化碳发电系统，该系统包括：超临界二氧化碳发电单元、地热单元。
超临界二氧化碳发电单元用于将天然气燃烧产生的高温热能加热工质超临界二氧化碳，通过透平与发电机组将接收的热能转化为电能并输出。超临界二氧化碳发电单元包括：燃烧器1、二氧化碳透平2、第一回热器3、第二回热器4、冷却器5、第一预热器6、二氧化碳增压装置7、第二预热器8、第一压缩机9、间冷换热器10、第二压缩机11。
燃烧器1的二氧化碳出口与二氧化碳透平2的入口相连，二氧化碳透平2的出口与第一回热器3的热端入口相连，第一回热器3的热端出口与第二回热器4的热端入口相连，第二回热器4的热端出口分别与冷却器5的入口和第一压缩机9的入口相连，冷却器5的出口与第一预热器6的二氧化碳入口相连，第一预热器6的二氧化碳出口与二氧化碳增压装置7的入口相连，二氧化碳增压装置7的出口与第二预热器8的二氧化碳入口相连，第二预热器8的二氧化碳出口与第二回热器4的冷端入口相连，第二回热器4的冷端出口和第二压缩机11的出口均与第一回热器3的冷端入口相连，第一回热器3的冷端出口与燃烧器1的二氧化碳入口相连。第一压缩机9的出口与间冷换热器10的热端入口相连，间冷换热器10的热端出口与第二压缩机11的入口相连。
地热单元，提取中低温地热能，输送给超临界二氧化碳发电单元，进行热能利用后进行回灌。地热单元包括：地热井12；以及与地热井12的地热水出口相连的气液分离器13，气液分离器13的水蒸气出口连接间冷换热器10的冷端入口，间冷换热器10的冷端出口连接回灌井14的入口进行回灌，气液分离器13的水出口连接第一预热器6的地热水入口，第一预热器6的地热水出口连接回灌井14的入口进行回灌。
流程描述：天然气与空气在燃烧器1中燃烧产生热能，在第一回热器3中回热后的超临界二氧化碳工质进入燃烧器1被加热，然后高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平2做功发电，出口超临界二氧化碳分别在第一回热器3和第二回热器4中进行余热回收后，一部分进入冷却器5被冷凝，一部分进入第一压缩机9进行加压。从冷却器5出来的超临界二氧化碳工质首先在第一预热器6中被气液分离器13出来的地热水进行第一级预热，然后在二氧化碳增压装置7中加压，随后进入第二预热器8被吸收间冷热的地热蒸汽进行第二级预热，预热后的超临界二氧化碳工质依次进入第二回热器4、第一回热器3进行回热后，再进入燃烧器1完成一个循环。从第一压缩机9出来的超临界二氧化碳工质进入间冷换热器10放热后，再进入第二压缩机11进行压缩，然后进入第一回热器3进行回热后再进入燃烧器1完成循环。
有效利用中低温地热能，地热水对冷凝后的超临界二氧化碳工质进行第一级预热，地热蒸汽用于吸收压缩机间冷热后对超临界二氧化碳工质进行第二级预热，提高能量利用效率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括燃烧器（1）、二氧化碳透平（2）、第一回热器（3）、冷却器（5）、第一预热器（6）、间冷换热器（10）和地热单元；
燃烧器（1）的二氧化碳出口与二氧化碳透平（2）的入口相连，二氧化碳透平（2）的出口与第一回热器（3）的热端入口相连，第一回热器（3）的热端出口分别与冷却器（5）的入口和间冷换热器（10）的热端入口相连，冷却器（5）的出口与第一预热器（6）的二氧化碳入口相连，第一预热器（6）的二氧化碳出口和间冷换热器（10）的热端出口均与第一回热器（3）的冷端入口相连，第一回热器（3）的冷端出口与燃烧器（1）的二氧化碳入口相连；
间冷换热器（10）的冷端入口和第一预热器（6）热端入口均与地热单元的放热端连接，间冷换热器（10）的冷端出口和第一预热器（6）热端出口均与地热单元的吸热端连接；
第一预热器（6）和第一回热器（3）之间设置有第二预热器（8），第一预热器（6）的二氧化碳出口与第二预热器（8）的二氧化碳入口相连，第二预热器（8）的二氧化碳出口和间冷换热器（10）的热端出口均与第一回热器（3）的冷端入口相连；间冷换热器（10）的冷端出口与第二预热器（8）的热端入口连接，第二预热器（8）的热端出口与地热单元的吸热端连接；
第一预热器（6）的二氧化碳出口与第二预热器（8）的二氧化碳入口之间连接有二氧化碳增压装置（7），二氧化碳增压装置（7）的出口与第二预热器（8）的二氧化碳入口相连；
第一回热器（3）的热端出口连接有第二回热器（4）的热端入口，第二回热器（4）的热端出口分别与冷却器（5）的入口和第一压缩机（9）的入口相连，第一预热器（6）的二氧化碳出口与第二回热器（4）的冷端入口相连，第二回热器（4）的冷端出口和间冷换热器（10）的热端出口均与第一回热器（3）的冷端入口相连。
2.根据权利要求1所述的利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一回热器（3）的热端出口连接有第一压缩机（9）的入口，第一压缩机（9）的出口与间冷换热器（10）的热端入口相连。
3.根据权利要求1所述的利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，间冷换热器（10）的热端出口连接有第二压缩机（11）的入口，第二压缩机（11）的出口与第一回热器（3）的冷端入口相连。
4.根据权利要求1所述的利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，燃烧器（1）入口连通有空气和天然气。
5.根据权利要求1所述的利用地热能的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，地热单元包括地热井（12）和回灌井（14），地热井（12）的地热水出口连接有气液分离器（13）入口，气液分离器（13）的水蒸气出口连接间冷换热器（10）的冷端入口，间冷换热器（10）的冷端出口连接回灌井（14）的入口，气液分离器（13）的水出口连接第一预热器（6）的地热水入口，第一预热器（6）的地热水出口连接回灌井（14）的入口。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述利用地热能的超临界二氧化碳发电系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
燃烧器（1）中产生热能，在第一回热器（3）中回热后的超临界二氧化碳工质进入燃烧器（1）被加热，然后超临界二氧化碳工质进入二氧化碳透平（2）做功发电，出口超临界二氧化碳工质在第一回热器（3）中进行余热回收后，一部分进入冷却器（5）被冷凝，一部分进入间冷换热器（10）；
从冷却器（5）出来的超临界二氧化碳工质在第一预热器（6）中被地热单元的放热端内的工质进行预热，预热后的超临界二氧化碳工质进入第一回热器（3）进行回热后，再进入燃烧器（1）完成一个循环；
从间冷换热器（10）放热后的超临界二氧化碳工质，进入第一回热器（3）进行回热后再进入燃烧器（1）完成循环。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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