CN217602733U - 一种中深层地源热电连供循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中深层地源热电连供循环系统，包括地源热循环传输系统、生活用热交换器、发电热泵热交换器、发电系统以及外循环冷却系统，地源热循环传输系统的输出端和输入端之间设有热循环管路，热循环管路依次通过发电热泵热交换器和生活用热交换器进行热交换，发电热泵热交换器邻近地源热循环传输系统输出端布置，生活用热交换器邻近地源热循环传输系统的输入端布置；发电热泵热交换器与发电系统连接，发电系统与外循环冷却系统连接。通过地源热循环传输系统利用导热介质的密闭循环，将中深层的地热能提升到地面，使介质通过发电热泵热交换器放温发电后进入生活用热交换器进行二次放热，再将导热介质导回地下取热，完成一次取放热循环。

Description

一种中深层地源热电连供循环系统

技术领域

本实用新型涉及中深层地能利用相关技术领域，绝具体涉及一种中深层地源热电连供循环系统。

背景技术

目前世界上主要的发电形式是水力发电、火力发电和核能发电。全世界火力发电所占比重约为63％，水利发电所占比重约为20％，核能发电所占比重约为15％。美、俄、英、意、日、德、中国等国以火力发电为主。

火力发电一般是指利用可燃物(主要为煤炭和天然气)燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式的总称。火力发电采用朗肯循环，进入发电机的蒸汽温度为540℃至550℃，热效率(发电机组的发电量折算成热量与输入热量之比)可达到45％。卡琳娜循环是在朗肯循环基础上的一种“改进”，是将“纯”的循环介质(通常为水)变成了氨同水的“混合物”，循环对于热源温度降低到149℃-204℃，从而实现低温(一般指200℃以下)发电。

地热发电系统主要有3种类型：干蒸汽发电系统、扩容蒸汽发电系统、双循环式(中间介质法)发电系统。

干蒸汽就是从地下喷出的无热水的纯蒸汽。干蒸汽从蒸汽井中引出，经过分离器分离出固体杂质(≥10μm)后，就直接进入汽轮机做功，驱动发电机发电。干蒸汽电站所用发电设备基本上与常规火电设备相同。干蒸汽发电系统的工作原理就是从蒸汽井中直接导出160℃或更高的地热蒸汽(纯蒸汽)，经过分离器将杂志大于10μm的固体杂质分离后引入汽轮机，高压蒸汽在汽轮机中驱动汽轮机运转将热能转换为动能，通过发电机将动能转换为电能。蒸汽做功冷却后排放到冷凝器，蒸汽变回冷却水，沿管道将冷凝水导回深井，重新加热循环生产。

干蒸汽发电系统存在以下局限性：由于干蒸汽发电所需的蒸汽温度较高，所以地热埋藏深度较深，且干蒸汽地热资源十分有限，开采技术难度较大，开采中所用钻进泥浆需要能耐高温和高压，钻进成井较困难，目前利用较少。干蒸汽发电的热效率通常约为10～15％，厂内用电率约为12％。

扩容蒸汽发电系统是将地下高压热水吸入低压罐，形成闪蒸蒸汽，闪蒸蒸汽进入汽轮机做功带动发电机发电。扩容蒸汽发电系统的工作原理为，发电需要的地下热水或蒸汽一般都要再150℃以上，地热水导入闪蒸器，使其降压闪蒸并产生低压蒸汽，蒸汽送入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电，做功冷却后的水导回地下重新加热循环生产。

扩容蒸汽发电系统存在以下局限性：适用于压力、温度较高的地热资源，要求地热井输出的汽水混合物的温度较高，地热能利用率低。扩容蒸汽发电系统需要排放尾水，因此存在一定的环境污染，如果不进行地热水回灌，会导致地热田的枯竭和产生地面塌陷及沉降问题。由于该系统直接以地下热水、蒸汽为工质，资源相对有限，常用提取手段热损失大，对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。扩容蒸汽发电的热效率很低，热效率仅为1.5～4％，厂内用电率约为16％。

双循环式(中间介质法)发电系统是利用地下热水来加热某种低沸点工质，使其进入汽轮机工作的地热发电系统，又称中间介质法或低沸点工质循环。它是为克服闪蒸地热发电系统的缺点而出现的一种循环系统。工作原理为：地下热水用深井泵抽到地面进入电站内的蒸发器，加热某一种低沸点介质(如氟里昂11)，使之变为低沸点介质蒸汽，然后通入汽轮机做功发电，汽轮机排出的乏汽经凝汽器冷凝成液体，用工质泵再打回蒸发器重新加热，循环使用。

双循环式(中间介质法)发电系统存在以下局限性：双循环指地热水提升至地面自循环和工质采热、蒸发、发电、冷却的自循环。其地热提取仍然需要寻找地下热水，受限于地下热水资源相对有限的影响。双循环发电系统的热效率约为10％～13％。

综上，全世界利用地热能发电站，对地热能温度的要求为≥150℃，采取地热方式为直接提取地热水、地热蒸汽，或利用提取地热水将地热转换给特定工质。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种中深层地源热电连供循环系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种中深层地源热电连供循环系统，包括地源热循环传输系统、生活用热交换器、发电热泵热交换器、发电系统以及外循环冷却系统，所述地源热循环传输系统的输出端和输入端之间设有热循环管路，所述热循环管路依次通过发电热泵热交换器和生活用热交换器进行热交换，所述发电热泵热交换器邻近所述地源热循环传输系统的输出端布置，所述生活用热交换器邻近所述地源热循环传输系统的输入端布置；所述发电热泵热交换器与发电系统连接，所述发电系统与所述外循环冷却系统连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的中深层地源热电连供循环系统，利用导热介质的密闭循环，通过地源热循环传输系统将中深层的地热能提升到地面，使介质通过发电热泵热交换器放温发电后进入生活用热交换器进行二次放热，再将导热介质导回地下取热，完成一次取放热循环过程。本实用新型利用地源热循环传输系统开采的地下热源在供给发电系统发电后，余温仍然可以供给建筑的采暖和生活热水使用，地热能利用效率高，能够同时满足发电和取暖的需求。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述发电系统包括蒸汽发生器和工质循环系统，所述蒸汽发生器与所述发电热泵热交换器之间通过热泵循环管路连接，所述热泵循环管路上设有油泵；所述蒸汽发生器与所述工质循环系统连接，所述工质循环系统与所述外循环冷却系统连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：所有循环系统均为独立密闭循环系统，各循环系统之间只有热传导的能量传导过程，不会对热源或冷源造成污染，也不会造成其他资源损耗。

进一步，所述工质循环系统包括工质分离器、高温回热器、工质透平和发电机，所述工质分离器分别通过第一工质输入管路和第二工质输入管路与外循环冷却系统的输入端连接，所述第一工质输入管路上连接有高温回热器，所述第二工质输入管路上连接有工质透平，所述工质透平与发电机连接；所述外循环冷却系统的输出端连接有工质输出管路，所述工质输出管路的末端与工质分离器连接，所述工质输出管路沿工质流动方向依次连接高温回热器和蒸汽发生器。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过高温回热器对于工质的热回收，可以达到更好的热利用效果，使工质在冷却后，在需要加热做功时可以逐步升温，有效增加热源的热利用，使同温度热源做更多的功。

进一步，所述第一工质输入管路和第二工质输入管路分别连接混合器后，再与外循环冷却系统的输入端连接。

进一步，所述高温回热器下游的第一工质输入管路上设有第一减压阀，所述工质分离器与工质透平之间的第二工质输入管路上设有第二减压阀。

进一步，所述外循环冷却系统包括低温回热器、冷源循环系统和工质泵，所述发电系统的输出端和输入端分别通过低温回热器与冷却循环回路连接，所述工质泵设置在所述冷却循环回路上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过低温回收器对于工质的热回收，既可以将带有余热的工质首次降温，还可以对需加热的工质进行首次升温，是对余热的有效利用，使同温度热源、冷源起到更好的升温或降温效果。

进一步，所述冷却循环回路上设有冷源循环系统和工质储液罐，所述工质储液罐位于所述冷源循环系统的下游。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过冷源冷却的工质温度满足发电机对于工质的低温要求，同时体积会减小到工质循环的最低点，对于储液罐的容积要求减小。

进一步，所述冷源循环系统的冷源为城市或自然水域冷水源。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用城市或自然水域冷水源作为冷源，冷源可以使用饮用水及消防用水，发电工质封闭输送，不影响水质，冷源利用后仍作为生活给水。自然水域作为冷源时，水在做完热交换后，会送入原水域，不会造成水源污染。

进一步，所述地源热循环传输系统包括地下井和中深层地热导管，所述中深层地热导管的热源输出端和冷源输入端之间设有热循环管路。

进一步，所述发电系统为卡琳娜循环发电系统；所述地源热循环传输系统为独立密闭循环系统，所述地源热循环传输系统内设有导热循环介质。

附图说明

图1为本实用新型中深层地源热电连供循环系统的原理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、地源热循环传输系统；11、中深层地热导管；

2、生活用热交换器；21、生活热水热利用器末端；

3、发电热泵热交换器；31、油泵；

4、发电系统；41、蒸汽发生器；42、工质分离器；43、高温回热器；44、工质透平；45、发电机；46、第一工质输入管路；47、第二工质输入管路；48、混合器；49、第一减压阀；490、第二减压阀；

5、外循环冷却系统；51、低温回热器；52、冷却器；53、工质泵；54、工质储液罐；55、冷源。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本实施例的一种中深层地源热电连供循环系统，包括地源热循环传输系统1、生活用热交换器2、发电热泵热交换器3、发电系统4以及外循环冷却系统5，所述地源热循环传输系统1的输出端和输入端之间设有热循环管路，所述热循环管路依次通过发电热泵热交换器3和生活用热交换器2进行热交换，所述发电热泵热交换器3邻近所述地源热循环传输系统1的输出端布置，所述生活用热交换器2邻近所述地源热循环传输系统1的输入端布置；所述发电热泵热交换器3与发电系统4连接，所述发电系统4与所述外循环冷却系统5连接。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述发电系统4为卡琳娜循环发电系统；所述地源热循环传输系统1为独立密闭循环系统，所述地源热循环传输系统1内设有导热循环介质。

如图1所示，本实施例的发电系统的一个具体方案为，所述发电系统4包括蒸汽发生器41和工质循环系统，所述蒸汽发生器41与所述发电热泵热交换器3之间通过热泵循环管路连接，所述热泵循环管路上设有油泵31；所述蒸汽发生器41与所述工质循环系统连接，所述工质循环系统与所述外循环冷却系统5连接。所有循环系统均为独立密闭循环系统，各循环系统之间只有热传导的能量传导过程，不会对热源或冷源造成污染，也不会造成其他资源损耗。

具体的，如图1所示，所述工质循环系统包括工质分离器42、高温回热器43、工质透平44和发电机45，所述工质分离器42分别通过第一工质输入管路46和第二工质输入管路47与外循环冷却系统5的输入端连接，所述第一工质输入管路46上连接有高温回热器43，所述第二工质输入管路47上连接有工质透平44，所述工质透平44与发电机45连接；所述外循环冷却系统5的输出端连接有工质输出管路，所述工质输出管路的末端与工质分离器42连接，所述工质输出管路沿工质流动方向依次连接高温回热器43和蒸汽发生器41。高温回热器对于工质的热回收，可以达到更好的热利用效果，使工质在冷却后，在需要加热做功时可以逐步升温，有效增加热源的热利用，使同温度热源做更多的功。

如图1所示，本实施例的一个优选方案为，所述第一工质输入管路46和第二工质输入管路47分别连接混合器48后，再与外循环冷却系统5的输入端连接。

如图1所示，本实施例的一个优选方案为，所述高温回热器43下游的第一工质输入管路46上设有第一减压阀49，所述工质分离器42与工质透平44之间的第二工质输入管路47上设有第二减压阀490。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述外循环冷却系统5包括低温回热器51、冷源循环系统和工质泵53，所述发电系统4的输出端和输入端分别通过低温回热器51与冷却循环回路连接，所述工质泵53设置在所述冷却循环回路上。低温回收器对于工质的热回收，既可以将带有余热的工质首次降温，还可以对需加热的工质进行首次升温，是对余热的有效利用，使同温度热源、冷源起到更好的升温或降温效果。

如图1所示，本实施例的一个具体方案为，所述冷却循环回路上设有冷源循环系统和工质储液罐54，所述工质储液罐54位于所述冷源循环系统的下游。通过冷源冷却的工质温度满足发电机对于工质的低温要求，同时体积会减小到工质循环的最低点，对于储液罐的容积要求减小。

如图1所示，本实施例的一个优选方案为，所述冷源循环系统的冷源55为城市或自然水域冷水源。采用城市或自然水域冷水源作为冷源，冷源可以使用饮用水及消防用水，发电工质封闭输送，不影响水质，冷源利用后仍作为生活给水。自然水域作为冷源时，水在做完热交换后，会送入原水域，不会造成水源污染。

如图1所示，所述地源热循环传输系统1包括地下井和中深层地热导管11，所述中深层地热导管11的热源输出端和冷源输入端之间设有热循环管路，所述中深层地热导管11伸入所述地下井2500米以下，具体伸入深度可以根据实际情况来确定，例如可以为3000-4000米，对于地热能深度较浅地区，井深可适当减小。实际上，在有地下热资源的情况下，还可以不受深度限制。

本实施例工质循环系统中的工质一般选用相对于水沸点低的专用工质，例如选用氨水，可以根据工况调整氨+水的比例，进而调整沸点。

本实施例的发电系统的发电过程为，发电热泵热交换器通过导热油将发电机内的工质提温，工质在加温变成蒸汽后进入工质分离器，液态工质进入高温回热器，气态工质送往汽轮机膨胀做功，使其旋转进而带动发电机进行发电。发电后工质降温，与经过高温回热器的液态工质混合进入低温回热器进行二次放热。二次放热后的工质，再经过城市供水系统或自然水域冷水冷却，进入工质储液罐存储。工质泵将工质储液罐内的工质输送到低温回热器进行一次升温，再输送到高温回热器进行二次升温，最后进入蒸汽发生器进行三次升温后进入发电机，完成一个发电循环。

本实施例的中深层地源热电连供循环系统，通过地源热循环传输系统(一般采用地热采集井)中的导热介质将地热能提升至地面，地热能给发电机组工质加热，使工质汽化后带动发电机发电。地热能在对发电机组提温后，余温进行生活供热。发电机组发电后，工质做功降温，导入外循环冷却系统，由外循环冷却系统对工质降温冷却，待工质冷却后导回到蒸汽发生器加温做功。

采用本实施例的中深层地源热电连供循环系统，低温发电系统是从75℃～150℃之间的热能进行发电，能够有效利用中低温地热能，热源温度在75℃～150℃以下仍有较高的发电率及利用余热进行得热利用(例如建筑采暖、农业设施采暖、生活热水等)，由于本实施例利用的是中深层地下热岩的温度，不受地下水、蒸汽资源限制，也不用地下高温的特殊资源(比如干热岩)等，在地下区位选择不受限制。发电后余温可用于社区供水、供热，对地热发挥了最大限度的热利用，增加投资效益。地热能循环为密闭循环，对于环境影响为零。外循环冷源系统容易取得，且为密闭循环，对冷源无污染。

本实施例的中深层地源热电连供循环系统，利用导热介质的密闭循环，通过地源热循环传输系统将中深层的地热能提升到地面，使介质通过发电热泵热交换器放温发电后进入生活用热交换器进行二次放热，再将导热介质导回地下取热，完成一次取放热循环过程。本实施例利用地源热循环传输系统开采的地下热源在供给发电系统发电后，余温仍然可以供给建筑的采暖和生活热水使用，地热能利用效率高，能够同时满足发电和取暖的需求。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，包括地源热循环传输系统、生活用热交换器、发电热泵热交换器、发电系统以及外循环冷却系统，所述地源热循环传输系统的输出端和输入端之间设有热循环管路，所述热循环管路依次通过发电热泵热交换器和生活用热交换器进行热交换，所述发电热泵热交换器邻近所述地源热循环传输系统的输出端布置，所述生活用热交换器邻近所述地源热循环传输系统的输入端布置；

所述发电热泵热交换器与发电系统连接，所述发电系统与所述外循环冷却系统连接。

2.根据权利要求1所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述发电系统包括蒸汽发生器和工质循环系统，所述蒸汽发生器与所述发电热泵热交换器之间通过热泵循环管路连接，所述热泵循环管路上设有油泵；所述蒸汽发生器与所述工质循环系统连接，所述工质循环系统与所述外循环冷却系统连接。

3.根据权利要求2所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述工质循环系统包括工质分离器、高温回热器、发电机，所述工质分离器分别通过第一工质输入管路和第二工质输入管路与外循环冷却系统的输入端连接，所述第一工质输入管路上连接有高温回热器，所述第二工质输入管路上连接有发电机；所述外循环冷却系统的输出端连接有工质输出管路，所述工质输出管路的末端与工质分离器连接，所述工质输出管路沿工质流动方向依次连接高温回热器和蒸汽发生器。

4.根据权利要求3所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述第一工质输入管路和第二工质输入管路分别连接混合器后，再与外循环冷却系统的输入端连接。

5.根据权利要求3所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述高温回热器下游的第一工质输入管路上设有第一减压阀，所述工质分离器与工质透平之间的第二工质输入管路上设有第二减压阀。

6.根据权利要求1所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述外循环冷却系统包括低温回热器、冷源循环系统和工质泵，所述发电系统的输出端和输入端分别通过低温回热器与冷却循环回路连接，所述工质泵设置在所述冷却循环回路上。

7.根据权利要求6所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述冷却循环回路上设有冷源循环系统和工质储液罐，所述工质储液罐位于所述冷源循环系统的下游。

8.根据权利要求6所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述冷源循环系统的冷源为城市或自然水域冷水源。

9.根据权利要求1所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述地源热循环传输系统包括地下井和中深层地热导管，所述中深层地热导管的热源输出端和冷源输入端之间设有热循环管路。

10.根据权利要求1所述一种中深层地源热电连供循环系统，其特征在于，所述发电系统为卡琳娜循环发电系统；所述地源热循环传输系统为独立密闭循环系统，所述地源热循环传输系统内设有导热循环介质。

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