CN212838197U - 一种基于co2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，包括地热生产井、同轴套管换热器、汽轮机、冷凝器、工质泵、地热水注入泵及地热水回灌井，同轴套管换热器设置在地热生产井中。同轴套管换热器由内管和外套管组成，混合工质从内管和外套管之间注入，形成环状下降流，利用重力场实现增压吸热过程，与地热流体换热完成后，从换热器底部经内管向上流出，然后进入汽轮机做功，做功后的汽轮机排汽进入冷凝器放热冷凝后经工质泵再次注入井内同轴套管换热器，形成循环。本系统主要针对干热岩地热资源，但不限于此，所述发电系统也同样适用于其他双循环(binary cycle)地热发电系统的应用场合。

Description

一种基于CO2混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电 系统

技术领域

本实用新型属于能源应用技术领域，涉及地热能转换为机械能的一种新型热力循环系统，尤其是一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统。

背景技术

目前，节能减排是国家扶持发展的重点对象，中低温发电技术是研究的热点之一，也是产业化推广的方向。对中低温地热能来说，由于其能源品位较低因此其能源利用效率不高。如何更有效地利用中低温地热资源成为了目前国际上一个主要的研究方向。

中低温地热资源主要应用于发电、工业加工、采暖、温室和医疗等领域。在中低温地热发电方面，主要发电方式包括ORC(有机郎肯循环)和TRC(跨临界朗肯循环)。在TRC的吸热过程中，工质经历的是增温过程，相较于普通ORC来说，和热源有着更好的匹配性。另外，CO₂具有良好的流动性和传热性能，被认为是地下采热的理想工质。CO₂的密度随温度变化较大，使用CO₂作为地热井内的采热工质会出现浮力驱动的热虹吸现象(thermosiphoneffect)，并由此减少对泵功的消耗。

但完全依靠热虹吸效应驱动的CO₂纯工质一般仅能维持较小的循环流量，因此从地热井中带走的热量也就有限。另外，因为CO₂的临界温度较低，通常采用的CO₂发电循环是超临界的布雷顿(Brayton)循环，循环受制于采用价格昂贵的紧凑型大面积换热器，采用布雷顿循环时CO₂透平出口压力往往在临界压力以上，循环效率也被进一步限制。因此，需要开发一种使用干热岩地热流体发电的新型热力循环及系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，是一种将地热能转换为机械能的新型热力循环系统，通过使用井下同轴套管换热器实现超临界工质增压吸热，使用CO₂混合工质实现跨临界热力循环。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，包括地热生产井、同轴套管换热器、汽轮机、冷凝器、工质泵、地热水注入泵及地热水回灌井，所述的同轴套管换热器设置在地热生产井中，同轴套管换热器的出口连接汽轮机的入口，汽轮机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接工质泵的入口，工质泵的出口连接同轴套管换热器的入口，地热生产井的出口连接地热水注入泵的入口，地热水注入泵的出口连接地热水回灌井的入口。

而且，所述的冷凝器入口包括混合工质入口和冷却水入口，所述的冷凝器出口包括混合工质出口和冷却水出口，汽轮机的出口连接冷凝器的混合工质入口，冷凝器的混合工质出口连接工质泵的入口。

而且，所述冷凝器外接冷却装置。

而且，所述的冷却装置为冷却塔。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型涉及的发电循环采用CO₂混合工质，可以提高循环效率，并有利于减少冷却系统的投资。由于所采用混合工质的临界点高于纯CO₂的临界点，可实现有相变的降温冷凝过程，因此系统仍可采用传统的冷凝器，不必像CO₂布雷顿(Brayton)循环受制于采用紧凑型大面积换热器，可节省相应投资。另外，不等温的冷凝过程与冷源(冷却水)吸热温度有更好的匹配，可以减少与冷源的换热温差，从而减少换热不可逆性，提高循环效率。

2、本实用新型系统利用重力场实现增压吸热过程，使循环吸热量增加，提高了循环发电量。此外，下降管与上升管的重力差可产生浮力驱动的热虹吸效应，导致换热器出口工质压力比其入口压力不减反增，可以有效节省泵功。

3、本实用新型系统使用井下同轴套管换热器，可以增加吸热量，提高循环效率。循环工质在井下同轴套管换热器中可接触到深处更高温度的地热水，从而达到了提高换热器工质出口温度的效果。加之循环为跨临界，为增压、增温吸热过程，与热源(地热水)放热温度有更好的匹配，可以减少与热源的换热温差，从而减少换热不可逆性，提高循环效率。

4、本实用新型提出了一种适用于干热岩发电的新型热力循环及系统，循环的热源换热器是一个放入地热生产井中同轴套管换热器，循环工质采用CO₂和有机工质的二元混合物，此二元混合工质通过加压泵后被注入同轴套管换热器，与生产井中上升流动的地热水换热。同轴套管换热器由内管和外套管组成，混合工质从内管和外套管之间注入，形成环状下降流，利用重力场实现增压吸热过程，与地热流体换热完成后，从换热器底部经内管向上流出，然后进入汽轮机做功，做功后的汽轮机排汽进入冷凝器放热冷凝。本系统主要针对干热岩地热资源，但不限于此，所述发电系统也同样适用于其他双循环(binarycycle)地热发电系统的应用场合。汽轮机的机械能既可直接作为机械能使用，也可以通过发电装置将其转化为电能。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图中，1代表井下同轴套管换热器，1-1代表换热器混合工质入口，1-2代表换热器混合工质出口，2代表汽轮机，2-1代表汽轮机混合工质入口，2-2代表汽轮机混合工质出口，3代表冷凝器，3-1代表冷凝器冷却水入口，3-2代表冷凝器冷却水出口，3-3代表冷凝器混合工质入口，3-4代表冷凝器混合工质出口，4代表工质泵，4-1代表工质泵混合工质入口，4-2代表工质泵混合工质出口，5代表地热水生产井，5-1代表地热水入口，5-2代表地热水出口，6代表地热水注入泵，6-1代表注入泵地热水入口，6-2代表注入泵地热水出口，7代表地热水回灌井，7-1代表回灌井入口，7-2代表回灌井出口，8代表冷却装置，8-1代表冷却水入口，8-2代表冷却水出口。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，如图1所示，包括井下同轴套管换热器1，汽轮机2，冷凝器3，工质泵4，地热生产井5，地热水注入泵6，地热水回灌井7及冷却装置8；所述井下同轴套管换热器包括：换热器混合工质入口1-1，换热器混合工质出口1-2；所述汽轮机包括：汽轮机混合工质入口2-1，汽轮机混合工质出口2-2；所述冷凝器包括：冷凝器冷却水入口3-1，冷凝器冷却水出口3-2，冷凝器混合工质入口3-3，冷凝器混合工质出口3-4；所述工质泵包括：工质泵混合工质入口4-1，工质泵混合工质出口4-2；所述地热水生产井包括：地热水入口5-1，地热水出口5-2；所述地热水注入泵包括：注入泵地热水入口6-1，注入泵地热水出口6-2；所述地热水回灌井包括：回灌井入口7-1，回灌井出口7-2；所述冷却装置包括：冷却水入口8-1，冷却水出口8-2，本实施例中冷却装置为冷却塔。

所述换热器混合工质出口1-2与汽轮机混合工质入口2-1相连；所述汽轮机混合工质出口2-2与冷凝器混合工质入口3-3相连；所述冷凝器混合工质出口3-4与工质泵混合工质入口4-1相连；所述工质泵混合工质出口4-2与换热器混合工质入口1-1相连；所述生产井出口5-2与注入泵地热水入口6-1相连；所述注入泵地热水出口6-2与回灌井入口7-1相连；所述冷却水入口8-1与冷凝器冷却水出口3-2相连；所述冷却水出口8-2与冷凝器冷却水入口3-1相连。

本实施例中热源为地热井中上升流动的地热水，整个系统由以下三个循环构成：

(一)地热水循环(热源)：地热水由生产井地热水入口5-1流入地热生产井5中放热，从生产井地热水出口5-2流出进入地热水注入泵6，然后进入回灌井7，从回灌井出口7-2进入人造热储裂隙吸热，再从生产井入口5-1进入生产井5形成地热水循环。

(二)混合工质循环：循环采用CO₂和有机工质组成的二元混合物为循环工质，此混合工质经工质泵4加压至临界压力以上，从同轴套管换热器1的混合工质入口1-1注入，注入的混合工质在内管和外套管之间形成环状下降流，利用重力场实现增压吸热过程，与生产井中上升流动的地热水进行换热，完成换热后，混合工质从换热器底部经内管向上流动，从换热器混合工质出口1-2流出，然后从汽轮机混合工质入口2-1进入汽轮机2做功，做功后的排汽从汽轮机混合工质出口2-2流出，通过冷凝器混合工质入口3-3进入冷凝器3中放热冷凝至饱和液态，冷凝后的工质从冷凝器混合工质出口3-4流出，随后通过工质泵混合工质入口4-1进入工质泵4加压至临界压力以上，从工质泵混合工质出口4-2流出，经换热器混合工质入口1-1再次进入井下同轴套管换热器1换热，形成混合工质循环。

(三)冷却水循环(冷源)：冷却水从冷却水出口8-2流出冷却装置(冷却塔)8，通过冷凝器冷却水入口3-1进入冷凝器3，在冷凝器中吸热后从冷凝器冷却水出口3-2流出，然后从冷却水入口8-1返回到冷却装置8，被冷却后的冷却水又从冷却水出口8-2流出冷却装置8，再次进入冷凝器3，形成冷却水循环。

所述系统可以实现热力发电循环的四个必要过程，即压缩过程、吸热过程、膨胀(做功)过程、及放热过程。所述混合工质循环通过汽轮机输出轴功，带动发电机发电。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：该系统包括地热生产井、同轴套管换热器、汽轮机、冷凝器、工质泵、地热水注入泵及地热水回灌井，所述的同轴套管换热器设置在地热生产井中，同轴套管换热器的出口连接汽轮机的入口，汽轮机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接工质泵的入口，工质泵的出口连接同轴套管换热器的入口，地热生产井的出口连接地热水注入泵的入口，地热水注入泵的出口连接地热水回灌井的入口。

2.根据权利要求1所述的一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：所述的冷凝器入口包括混合工质入口和冷却水入口，所述的冷凝器出口包括混合工质出口和冷却水出口，汽轮机的出口连接冷凝器的混合工质入口，冷凝器的混合工质出口连接工质泵的入口。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：所述冷凝器外接冷却装置。

4.根据权利要求3所述的一种基于CO₂混合工质的增压吸热跨临界循环干热岩地热发电系统，其特征在于：所述的冷却装置为冷却塔。

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