CN210371045U - 一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统系统包括：干热岩循环子系统、光热循环子系统和发电子系统，光热循环子系统，所述光热循环子系统包括光热工质泵、集热器、和储热单元；集热器的出口分为两路，一路与高温换热器的第一进口连接，高温换热器的第一出口与集热器的进口连接；集热器的出口另一路与储热单元连接用于光线充足时进行多余热量的储存，储热单元还与高温换热器连接用于无光照时与对高温换热器的介质进行预热；三个系统协同，循环往复，即实现了具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统连续发电。该系统有效解决了单纯干热岩发电温度低、光热发电成本高、占地面积大等问题。

Description

一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统

技术领域

本实用新型涉及可再生能源发电技术领域，具体涉及一种干热岩与光热耦合发电系统。

背景技术

能源是国民经济发展的重要基础。大量使用煤炭等化石能源存在如下两方面问题：一方面，由于化石能源的不可再生性，随着时间的推移终会消耗殆尽；另一方面，化石能源的使用会产生大量二氧化碳，同时也伴随产生大量如硫化物、氮氧化物等污染物，造成严重的环境问题。因此，发展新能源以逐步取代传统化石能源成为必然趋势。

随着用能方式的多样化，干热岩和光热资源由于总量丰富、环境友好、可再生等优点，越来越受到青睐。然而，无论地热还是光热资源，由于资源禀赋、开发利用技术条件的不同，均存在技术不成熟、发电效率低、投资高等一系列问题。

实用新型内容

针对现有技术中干热岩和光热无法高效利用和投资高的问题，本实用新型在充分研究现有地热和太阳能发电系统的基础上，提出了一种新型具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，充分利用了干热岩和光热的优点，有效解决了如单纯干热岩发电温度低、发电成本高、占地面积大等问题，且系统稳定、高效、环保。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，包括：

干热岩循环子系统，所述干热岩循环子系统包括干热岩缓冲罐、注入泵、干热岩注入井、干热岩回收井及回热器，干热岩压裂带上的干热岩回收井连接低温换热器的第一进口，低温换热器的第一出口连接回热器的第一进口，回热器的第一出口依次连接干热岩缓冲罐、注入泵和干热岩注入井；

光热循环子系统，所述光热循环子系统包括集热器、和储热单元；集热器的出口分为两路，一路与高温换热器的第一进口连接，高温换热器的第一出口与集热器的进口连接；储热单元与高温换热器并联连接，用于光线充足时进行多余热量的储存；储热单元还与高温换热器连接用于无光照时与对高温换热器的介质进行加热；

和发电子系统，所述发电子系统包括透平、发电机、凝汽器、凝结水泵、除氧器和给水泵；高温换热器的第二出口依次连接透平、凝汽器及凝结水泵；凝结水泵连接回热器的第二进口，回热器的第二出口依次连接除氧器和给水泵；给水泵连接低温换热器的第二进口，低温换热器的第二出口连接高温换热器的第二进口。

优选地，当储热介质与镜场循环工质不同时，所述储热单元包括储热换热器、热罐和冷罐；

集热器的出口与储热换热器的第一接口连接，储热换热器的第二接口分为两路，一路通过光热工质泵连接集热器的进口；另一路连接高温换热器第一出口；

储热换热器的第三接口与热罐的旁路管道和主路管道均连接；热罐的主路管道上设置有热罐熔盐泵；

储热换热器的第四接口与冷罐的旁路管道和主路管道均连接；冷罐的主路管道上设置有冷罐熔盐泵。

优选地，集热器的出口设置有第二阀门，第二阀门出口分为两路，一路与高温换热器的第一进口连接；另一路与储热换热器的第一接口连接，储热换热器的第二接口分为两路，一路通过第四阀门连接集热器的进口，集热器的进口上设置有阀门；另一路通过第三阀门连接光热工质泵进口母管；高温换热器第一出口连接光热工质泵的进口母管；

热罐的主路管道上设置有热罐主路阀，热罐的旁路管道上设置有热罐旁路阀；

冷罐的主路管道上设置有冷罐主路阀，冷罐的旁路管道上设置有冷罐旁路阀。

优选地，所述光热工质泵所在的管道上还旁路设置有光热稳压罐。

优选地，当储热介质与镜场循环工质相同时，所述储热单元包括热罐和冷罐；

集热器的出口与热罐的旁路管道连接，热罐的主路管道通过热罐熔盐泵与高温换热器的第一进口连接；

高温换热器的第一出口与冷罐的旁路管道连接，冷罐的主路管道通过冷罐熔盐泵与集热器的进口连接。

优选地，集热器的出口设置有第二阀门，第二阀门出口分为两路，一路与高温换热器的第一进口连接；另一路与热罐的旁路管道和主路管道均连接，热罐的主路管道上设置有热罐主路阀，热罐的旁路管道上设置有热罐旁路阀；

高温换热器的第一出口分为两路，一路通过第一阀门、光热工质泵与集热器的进口连接；高温换热器第一出口的另一路与冷罐的旁路管道和主路管道均连接，冷罐的主路管道通过第四阀门连接集热器的进口，冷罐的主路管道上设置有冷罐主路阀，冷罐的旁路管道上设置有冷罐旁路阀。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型针对干热岩资源温度较低、光热资源能够产生较高温度的特点，提出了一种高、低温搭配的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，将中低温干热岩与高温光热系统相结合，充分利用了两种资源的优势，使系统具有较高效率。采用中低温干热岩将给水加热至200℃左右，然后进入光热系统加热，可以有效减小光热镜场规模，节约用钢量及占地面积。中低温干热岩和高温光热资源均为可再生绿色能源，环境友好且取之不尽用之不竭。无论干热岩循环子系统还是光热循环子系统，每个子系统均可以采用多种循环工质。有效解决了如单纯干热岩、光热发电温度低、成本高、占地面积大等问题，且系统稳定、高效、环保。

进一步，通过增加储能单元，使发电系统能够连续稳定地输出电能。

附图说明

图1是储热介质与镜场循环工质不同的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统示意图。

图2是储热介质与镜场循环工质相同的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统示意图。

图中代号含义：1-干热岩缓冲罐；2-注入泵；3-干热岩注入井；4-干热岩压裂带；5-干热岩回收井；6-低温换热器；7-回热器；8-光热工质泵；9-第一阀门；10-集热器；11-第二阀门；12-高温换热器；13-储热换热器；14-第三阀门；15-光热稳压罐；16-第四阀门；17-热罐；18-热罐熔盐泵；19-热罐主路阀；20-热罐旁路阀；21-冷罐；22-冷罐熔盐泵；23-冷罐主路阀；24-冷罐旁路阀；25-透平；26-发电机；27-凝汽器；28-凝结水泵；29-除氧器；30-给水泵。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构和工作原理作进一步详细说明。

本实用新型一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，包括：

干热岩循环子系统，所述干热岩循环子系统包括干热岩缓冲罐1、注入泵2、干热岩注入井3、干热岩回收井5及回热器7，干热岩压裂带4上的干热岩回收井5连接低温换热器6的第一进口，低温换热器6的第一出口连接回热器7的第一进口，回热器7的第一出口依次连接干热岩缓冲罐1、注入泵2和干热岩注入井3；

光热循环子系统，所述光热循环子系统包括集热器10、和储热单元；集热器10的出口分为两路，一路与高温换热器12的第一进口连接，高温换热器12的第一出口与集热器10的进口连接；储热单元与高温换热器12并联连接，用于光线充足时进行多余热量的储存，储热单元还与高温换热器12连接用于无光照时与对高温换热器12的介质进行加热；

发电子系统，所述发电子系统包括透平25、发电机26、凝汽器27、凝结水泵28、除氧器29和给水泵30；高温换热器12的第二出口依次连接透平25、凝汽器27及凝结水泵28；凝结水泵28连接回热器7的第二进口，回热器7的第二出口依次连接除氧器29和给水泵30；给水泵30连接低温换热器6的第二进口，低温换热器6的第二出口连接高温换热器12的第二进口。

本实用新型具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统的控制方法，包括以下步骤：

对于干热岩循环子系统，采用注入泵将来自干热岩缓冲罐的取热工质注入到干热岩压裂带，在干热岩压裂带内与干热岩换热后，加热的取热工质经由回收井回收，通过低温换热器与除氧后的发电系统给水换热，而后进入回热器与发电系统中的凝结水换热进一步冷却，最后进入干热岩缓冲罐，此时，干热岩循环系统完成了一次循环。在干热岩循环系统中，循环工质可以是水、超临界二氧化碳、氨等。

对于光热循环子系统，当循环工质和储热工质不同时(图1结构)，在有光照的条件下，循环工质通过光热工质泵输送至集热器，在集热器内被加热后的循环工质流出集热器后分为两路，分别进入高温换热器和储热换热器。在高温换热器内，工质与经过干热岩循环系统加热后的给水进一步换热，将给水加热至过热蒸汽状态。另一部分工质在储热换热器中与储热介质换热，将热量传递给储热系统，通过高温换热器和储热换热器换热后的工质汇合成为一根母管进入光热工质泵，在光热工质泵前母管上并列设置有光热稳压罐，以储存循环工质和维持系统压力稳定。此时，供热循环系统完成了一次循环。当循环工质和储热工质相同时(图2结构)，与图1所示系统的不同之处在于取消了储热换热器，储热单元和集热器直接连通，集热器出口工质可以直接进入热盐罐，冷盐罐内工质也可以进入集热器，其他设置与图1结构基本相同。

对于发电子系统，经过高温换热器加热后的过热蒸汽进入透平，驱动透平机组发电，做功后的乏汽进入凝汽器中凝结。凝结后的水经过凝结水泵加压和回热器加热后进入除氧器。通过除氧器除氧后，由给水泵加压后依次通过与干热岩系统耦合的低温换热器和与光热系统耦合的高温换热器加热为过热蒸汽，此时发电系统完成了一次循环。

三个系统协同，循环往复，即实现了具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统连续发电。

以下结合具体实施例和附图对本实用新型进行详细说明。

实施例1

光热子系统中循环工质和储热工质不同，参见图1发电系统包含：由干热岩缓冲罐1、注入泵2、干热岩注入井3、干热岩回收井5、回热器7等组成的干热岩循环子系统；光热工质泵8、集热器10、储热换热器13、热罐17、冷罐21等组成的光热循环子系统；透平25、发电机26、凝汽器27、凝结水泵28、除氧器29、给水泵30等设备组成的蒸汽发电子系统。三个子系统通过低温换热器6和高温换热器12耦合成为一个联合发电系统，以实现连续稳定地输出电能的目的。

对于干热岩循环子系统，其循环工质可以是水、超临界CO₂、氨等，无论采用哪种循环工质，系统基本相同，因此接下来以水循环系统为例进行介绍。

采用注入泵2将来自干热岩缓冲罐1内的水加压后，通过深入到干热岩压裂带4的干热岩注入井3注入干热岩压裂带4，高压水通过干热岩压裂带4的岩石缝隙时，与干热岩换热并被加热，然后通过干热岩回收井5回收。输出地面后，加热的水通过低温换热器6与来自发电子系统的给水换热，将发电子系统中的给水加热至200℃左右，换热后的干热岩循环子系统循环水进入回热器7中，与来自发电子系统凝汽器27中的凝结水换热，以提高系统的循环效率，然后进入干热岩缓冲罐1中。此时，系统完成了一次循环。此处，干热岩缓冲罐1具有稳定系统压力和储存工质的作用。

对于光热循环子系统，集热器可以是塔式系统，也可是槽式系统等。系统储热介质一般为熔盐等，循环工质可以是导热油、熔盐等。假设循环工质为导热油、储热介质为熔盐。

其中，集热器10的出口设置有第二阀门11，第二阀门11出口分为两路，一路与高温换热器12的第一进口连接；另一路与储热换热器13的第一接口连接，储热换热器13的第二接口分为两路，一路通过第四阀门16连接光热工质泵8出口，另一路通过第三阀门14连接光热工质泵8进口母管；高温换热器12第一出口连接光热工质泵8进口母管；热罐17的主路管道上设置有热罐熔盐泵18和热罐主路阀19，热罐17的旁路管道上设置有热罐旁路阀20；冷罐21的主路管道上设置有冷罐熔盐泵22和冷罐主路阀23，冷罐21的旁路管道上设置有冷罐旁路阀24。光热工质泵8所在的管道上还旁路设置有光热稳压罐15。

光照充足时，由来自集热器10的热量加热通过低温换热器6加热后的给水，并将多余的热量储存到储热单元中。具体工作流程为：第四阀门16关闭，工质泵8将导热油通过第一阀门9所在管路打入集热器10。导热油在集热器10中被加热后通过第二阀门11所在管路返回，并在第二阀门11后分为两路分别进入高温换热器12和储热换热器13中。在高温换热器12中，导热油与经过低温换热器6加热后的给水换热，将其加热成为过热蒸汽；在储热换热器13中，导热油与冷罐熔盐泵22从冷罐21中抽出的冷盐换热，换热后的熔盐通过热罐旁路阀20所在管道注入热罐17中并存储。此过程中，储热单元的热罐主路阀19和冷罐旁路阀24处于关闭状态。通过高温换热器12和储热换热器13换热后的导热油汇集成为一根母管后进入工质泵8中，工质泵8前母管上设置有光热缓冲罐15用于储存导热油和稳定工质泵8前管路压力。此时光照条件下的系统完成了一次循环。

当无光照时，由来自储热单元中的热量继续加热通过低温换热器6预热后的给水。具体工作流程为：热罐旁路阀20和冷罐主路阀23处于关闭状态，热罐17中存储的高温熔盐由热罐熔盐泵18抽出，流经储热换热器13与导热油换热，将热量传递给导热油，换热后的熔盐经由冷罐旁路阀24所在的旁路进入冷罐21中。油系统中第一阀门9、第二阀门11和第三阀门14关闭，在储热换热器13中被加热的导热油经由管路进入高温换热器12中与低温换热器6中流出的给水换热，将给水加热至过热状态。换热后的导热油经由管路进入光热工质泵8中，经光热工质泵加压后，通过第四阀门16所在管路重新进入储热换热器13中与熔盐换热。此时，在无光照条件下光热系统完成了一次循环。

蒸汽侧循环方式与常规火力发电子系统相同，通过高温换热器12加热后的过热蒸汽在透平25内膨胀做功后进入凝汽器27中，由凝结水泵28驱动经过回热器7后进如除氧器29，除氧后由给水泵30加压后依次通过低温换热器6和高温换热器12变为过热蒸汽，透平25驱动发电机26产生电能并对外供电，此时，水侧也完成了一次循环。

三个子系统协同，循环往复，即可实现本系统的连续发电。

实施例2

如果循环工质和储热介质相同，系统如图2所示。相对于图1所示系统，图2所示系统仅减少了储热换热器13、光热缓冲罐15、第三阀门14所在支路，其他无差别。

假设循环工质为熔盐。

其中，集热器10的出口设置有第二阀门11，第二阀门11出口分为两路，一路与高温换热器12的第一进口连接；另一路与热罐17的旁路管道和主路管道均连接，热罐17的主路管道上设置有热罐熔盐泵18和热罐主路阀19，热罐17的旁路管道上设置有热罐旁路阀20。

高温换热器12的第一出口分为两路，一路通过第一阀门9、光热工质泵8与集热器10的进口连接；高温换热器12第一出口的另一路与冷罐21的旁路管道和主路管道均连接，冷罐21的主路管道上设置有冷管熔盐泵22和冷罐主路阀23，冷罐21的旁路管道上设置有冷罐旁路阀24。

光照充足时，由来自集热器10的热量加热通过低温换热器6加热后的给水，并将多余的热量储存到储热单元中。具体工作流程为：第三阀门14关闭，工质泵8将高温换热器12所在管路中的熔盐打入通过第一阀门9所在管路打入集热器10；同时冷罐熔盐泵22将冷罐21中的冷盐通过第四阀门16所在管路及第一阀门9所在管路打入集热器10。熔盐在集热器10中被加热后通过第二阀门11所在管路返回，并在第二阀门11后分为两路分别进入高温换热器12和热罐17中。在高温换热器12中，熔盐与经过低温换热器6加热后的给水换热，将其加热成为过热蒸汽；熔盐进入热罐17中存储。此过程中，储热单元的热罐主路阀19和冷罐旁路阀24处于关闭状态。通过高温换热器12换热后的熔盐进入工质泵8中。此时光照条件下的系统完成了一次循环。

当无光照时，由来自储热单元中的热量继续加热通过低温换热器6预热后的给水。具体工作流程为：热罐旁路阀20和冷罐主路阀23处于关闭状态，热罐17中存储的高温熔盐由热罐熔盐泵18抽出，进入高温换热器12与低温换热器6中流出的给水换热；高温换热器12中的换热后的低温熔盐经过冷罐旁路阀24进入冷罐21中。系统中第一阀门9、第二阀门11和第四阀门16关闭。此时，在无光照条件下光热系统完成了一次循环。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，包括：

干热岩循环子系统，所述干热岩循环子系统包括干热岩缓冲罐(1)、注入泵(2)、干热岩注入井(3)、干热岩回收井(5)及回热器(7)，干热岩压裂带(4)上的干热岩回收井(5)连接低温换热器(6)的第一进口，低温换热器(6)的第一出口连接回热器(7)的第一进口，回热器(7)的第一出口依次连接干热岩缓冲罐(1)、注入泵(2)和干热岩注入井(3)；

光热循环子系统，所述光热循环子系统包括集热器(10)、和储热单元；集热器(10)的出口分为两路，一路与高温换热器(12)的第一进口连接，高温换热器(12)的第一出口与集热器(10)的进口连接；储热单元与高温换热器(12)并联连接，用于光线充足时进行多余热量的储存；储热单元还与高温换热器(12)连接用于无光照时与对高温换热器(12)的介质进行加热；

和发电子系统，所述发电子系统包括透平(25)、发电机(26)、凝汽器(27)、凝结水泵(28)、除氧器(29)和给水泵(30)；高温换热器(12)的第二出口依次连接透平(25)、凝汽器(27)及凝结水泵(28)；凝结水泵(28)连接回热器(7)的第二进口，回热器(7)的第二出口依次连接除氧器(29)和给水泵(30)；给水泵(30)连接低温换热器(6)的第二进口，低温换热器(6)的第二出口连接高温换热器(12)的第二进口。

2.根据权利要求1所述的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，当储热介质与镜场循环工质不同时，所述储热单元包括储热换热器(13)、热罐(17)和冷罐(21)；

集热器(10)的出口与储热换热器(13)的第一接口连接，储热换热器(13)的第二接口分为两路，一路通过光热工质泵(8)连接集热器(10)的进口；另一路连接高温换热器(12)第一出口；

储热换热器(13)的第三接口与热罐(17)的旁路管道和主路管道均连接；热罐(17)的主路管道上设置有热罐熔盐泵(18)；

储热换热器(13)的第四接口与冷罐(21)的旁路管道和主路管道均连接；冷罐(21)的主路管道上设置有冷罐熔盐泵(22)。

3.根据权利要求2所述的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，集热器(10)的出口设置有第二阀门(11)，第二阀门(11)出口分为两路，一路与高温换热器(12)的第一进口连接；另一路与储热换热器(13)的第一接口连接，储热换热器(13)的第二接口分为两路，一路通过第四阀门(16)连接集热器(10)的进口，集热器(10)的进口上设置有阀门(9)；另一路通过第三阀门(14)连接光热工质泵(8)进口母管；高温换热器(12)第一出口连接光热工质泵(8)的进口母管；

热罐(17)的主路管道上设置有热罐主路阀(19)，热罐(17)的旁路管道上设置有热罐旁路阀(20)；

冷罐(21)的主路管道上设置有冷罐主路阀(23)，冷罐(21)的旁路管道上设置有冷罐旁路阀(24)。

4.根据权利要求3所述的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，所述光热工质泵(8)所在的管道上还旁路设置有光热稳压罐(15)。

5.根据权利要求1所述的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，当储热介质与镜场循环工质相同时，所述储热单元包括热罐(17)和冷罐(21)；

集热器(10)的出口与热罐(17)的旁路管道连接，热罐(17)的主路管道通过热罐熔盐泵(18)与高温换热器(12)的第一进口连接；

高温换热器(12)的第一出口与冷罐(21)的旁路管道连接，冷罐(21)的主路管道通过冷罐熔盐泵(22)与集热器(10)的进口连接。

6.根据权利要求5所述的具有储热功能的干热岩光热耦合发电系统，其特征在于，集热器(10)的出口设置有第二阀门(11)，第二阀门(11)出口分为两路，一路与高温换热器(12)的第一进口连接；另一路与热罐(17)的旁路管道和主路管道均连接，热罐(17)的主路管道上设置有热罐主路阀(19)，热罐(17)的旁路管道上设置有热罐旁路阀(20)；

高温换热器(12)的第一出口分为两路，一路通过第一阀门(9)、光热工质泵(8)与集热器(10)的进口连接；高温换热器(12)第一出口的另一路与冷罐(21)的旁路管道和主路管道均连接，冷罐(21)的主路管道通过第四阀门(16)连接集热器(10)的进口，冷罐(21)的主路管道上设置有冷罐主路阀(23)，冷罐(21)的旁路管道上设置有冷罐旁路阀(24)。

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