TWM520089U - 地熱發電水汽複循環系統 - Google Patents

Description

地熱發電水汽複循環系統

本新型關於一種地熱發電水汽複循環系統，尤指一種可以有效增加地熱整體熱能利用率的地熱發電技術。

地熱發電對於蘊藏豐富的國家或地區是特別值得受到政府及廠家的重視，因為以現今的技術，利用地熱可進行發電，其發電效率相較太陽能、風力及水力極具經濟效益。目前所知現有利用地熱發電的習知技術，依照目前世界各國與各地區，過去二十年來的發展，地熱發電廠的設計是由地熱流體的溫度來區分的，依地熱熱源的溫度及水汽狀態設計適用的發電設施，大致上有乾蒸汽式發電、閃發蒸汽式發電及雙循環式發電等技術。所謂的乾蒸汽式發電機組，係將來自地熱井之高溫乾蒸汽(約攝氏150度以上)導引至渦輪機組，以帶動渦輪機組旋轉，進而推動發電機運轉而產生電力。無論是乾蒸汽式發電、閃發蒸汽式發電、雙循環式發電或其他各式的流體歧路循環輸送等技術都是透過管路、閥體及幫浦配合電氣邏輯順序控制將工作流體做有效或最佳的方式輸送。

所謂的雙循環式發電，是利用地熱的「生產井」(Production Well)所得到的地熱流體(熱水或是水蒸氣)，來當作一個熱源，用以加熱 一個沸點很低的工作流體，亦即將自地底取得略高溫(約攝氏130度以上)的熱水輸入至熱交換蒸發器以加熱工作流體，使工作流體氣化，再將氣化的工作流體經由管路導引至渦輪機或膨脹螺桿，以推動發電機運轉而產生電力，而推動渦輪機或膨脹螺桿放熱後的工作流體則液化並循環再利用。因為這種發電方式使用到雙重的流體，並用到兩組循環的流體，故稱之為「雙循環」發電。圖4所示係一組雙循環的地熱發電機組的示意圖。生產井將提供適量的地熱流體，且不論這個地熱流體是地熱水或是水蒸氣，都將被導入蒸發器(Evaporator)90中。蒸發器90裡頭，則裝有真正推動渦輪發電的工作流體。如前面所述，這個工作流體有著較低溫的沸點，所以當我們導入攝氏100到150度左右的地熱流體時，工作流體會在蒸發器90裡相變成高壓的氣態形式。這個高壓的氣態工作流體，將會被導入至渦輪機(Turbine)91或膨脹螺桿，來推動氣葉片來帶動發電機(Generator)92。然後，這些氣態的工作流體將被冷凝機(Condenser)93回收，讓工作流體再次相變為液態。最後這個液態的工作流體，會被回流幫浦(Fluid Circulation Pump)94帶回至蒸發器90中，以重新利用。首先注意到地熱流體的路徑。先前提過地熱流體於雙循環發電系統中，是沒有用於直接推動渦輪發電機的，而是用來加熱低沸點的工作流體。所以，在圖4中，地熱流體於經過蒸發器90放熱後，這些變成低溫的地熱流體將被導入注入井(Re-injection Well)中，重新導入地底下，用來還原地下水的資源。

接著，深層地熱由於相較於淺層地熱，比較難掌握地下水資源的流向與來源補注。一般而言，都會將發電使用過後的地熱流體重新導入地底，以補注地下水資源。由於在深層地熱的發電中，鑿井是一項花費 巨大經費與時間的工程，尤其深度需達地底下5~10公里。而且，因為前期探勘的不確定性，也不能保證鑿井位置就如同預測的結果得到豐富的地熱資源。所以，深層鑿井確實屬於高風險的規劃，尤其是單一垂直向鑿井取地熱，雖可取得攝氏300度的地熱，但如同前述的不確定因素及非閉迴路水源的循環系統，確實有著其投資開發的高風險。

所謂的閃發蒸汽式發電，是將自地底取得的略高溫的熱水(約攝氏150度)經由單段或多段擴容而成仍混含有一定量熱水的蒸汽，再利用分離器將熱水去除而取出其中的蒸汽，將蒸汽經由管路導引至蒸汽渦輪發電機，以推動蒸汽渦輪發電機運轉而產生電力。這種發電機組的設計，是深層地熱發電時候，會預期遇到的情形。主要因為深層地熱發電，所探勘鑿井的深度將會超過地表下3000~4000公尺，所以一般預期的地熱源：其地底岩石層應屬高溫度梯度的熱源，希望能達到超過攝氏300度的高溫。如果順利取得上述高溫的地熱流體，以絕佳的絕緣保溫方式，將此地熱流體順利取至地表，則於發電設施的熱力學觀點中，前處理所遇到的流體就是水與蒸汽兩相接存在的混相流。圖5所示就是一組(一次)閃發式地熱發電系統的示意圖。在這個系統當中，因為地熱流體本身的溫度夠高，所以此系統中，不需要使用另外一種低沸點的工作流體，而可以直接使用地熱流體與渦輪機整合發電。圖5中生產井所得到的地熱流體，就是混相水汽。這種地熱發電，其道理與雙循環地熱發電類似的地方，就是一樣要進入到閃發器(Flash tank)95。閃發器95中唯一的流體就是地熱水汽。因為閃發器95具有一個巨大的低壓空間，故高溫高壓的地熱水汽於此空間中將快速降壓，閃發形成水與水蒸氣的分離。故閃發器95有時於文獻中也稱之為分離 器(Separator)，即是將飽和的水汽分離為熱水與高壓的非飽和水蒸氣。圖4中分離後的非飽和高壓水蒸氣在系統中為發電所需的工作流體。所以將此高壓水蒸氣導入渦輪機96來帶動發電機97發電。而後於渦輪機96後端，此水蒸氣即利用冷凝機98來回凝成水。閃發器95分離後的熱水，若其溫度已經偏低，則可以和前述的冷凝水一起回注至注入井(Re-injection well)中。此法與上一章節中的雙循環地熱發電系統相同，即是以當初由地底所取得的地熱流體，重新補注入地底，以免產生地下水資源不足之情形。在閃發式地熱發電，我們可以利用同樣的節省鑿井概念，來將生產井與注入井合併。以節省鑿兩個深井的時間與金錢。

除此之外，地熱發電常利用有機朗肯循環作為熱功轉換之裝置，習知的有機朗肯循環裝置，主要包含有加熱模組、發電模組、冷凝模組及加壓泵浦。加熱模組包括鍋爐與熱源(如地熱)，熱源是用以將流經熱交換器內的液態工作流體加熱成高壓氣態工作流體。發電模組包括有膨脹螺桿與發電機，由加熱模組產生之高壓氣態工作流體來推動膨脹螺桿作功，進而帶動發電機產生電力。冷凝模組包括冷凝器與冷卻水塔，作功後的中壓氣態工作流體進入冷凝器，被冷卻水塔循環之冰水冷凝為液態工作流體，最後經加壓泵浦增壓後送入加熱模組，而不斷地循環。工作流體採用有機碳氫化合物、無機小分子化合物(如CO 2及NH 3等)或含氟氯碳之化合物。如此便可將低階的熱能轉換為有用的電能或機械能。低階熱能的溫度較低，整體裝置的熱效率不高，通常只作為產生電力使用。

再者，現今有提升整體系統效能的技術被開發，如中華民國發明第209954號專利案所揭露的能量產生方法，其係利用包括有三個熱交換 蒸發器的蒸發模組、包括有兩個渦輪的渦輪發電機組、冷凝模組、及包括有兩個加壓泵浦的增壓泵組，以形成單迴路多重壓力的系統，藉由工作流體多重壓力循環及熱交換蒸發器的安排，以降低熱源及系統之不可逆性，且其多重壓力循環使用混合器，能有效利用過熱蒸汽而提升能源使用率及熱效率。該專利可藉由多重壓力循環與多級串接之混合器的建置，雖然可在較高溫之地熱能的供應情況下，可以有效提升熱效率；惟，在相對溫度較低之地熱能供應情況下，則無法有效形成單迴路多重壓力的系統，以致工作流體無法實現多重壓力循環及熱交換作用，因此，在較低溫之地熱能供應情況下，確實無法有效提升熱能轉換電能的效率，致使無法有效增加地熱整體熱能的利用率，因而該專利確實未臻完善仍有再改善的必要性。

緣是，因鑑於目前尚無一種可以真正有效完全利用地熱之整體能源之地熱發電系統的產品問世以及相關專利或是論文的提出，因此，本新型創作人等乃積極投入研發，經不斷的研究、設計、實作與試驗，終而有本新型的研發成果。

本新型之主要目的在於，提供一種地熱發電水汽複循環系統，主要是藉由地熱能多次循環利用的機能建置，僅需使用同一生產井所供應之地熱蒸汽及熱水即可有效驅動二組或是二組以上之渦輪發電機組運轉而產生電力，不僅可以降低鑿井風險及設備成本，並可增加地熱整體熱能的利用率與熱效率以及提升地熱發電效能。達成本新型主要目的之技術手段，係包括地熱流體輸送模組、工作流體輸送模組、全流式渦輪發電機組、複循環渦輪發電機組及熱交換器。地熱流體輸送模組用以輸送生產井 之熱水蒸汽。工作流體輸送模組用以輸送工作流體。全流式渦輪發電機組包括水輪機及第一發電機；水輪機接收熱水蒸汽以驅動該第一發電機運轉，再將熱水蒸汽分離出熱水與熱汽。熱交換器利用分離的熱水與熱汽對工作流體進行熱交換，以將工作流體加熱成氣液混合蒸氣，再以氣液混合蒸氣驅動複循環渦輪發電機組之第二發電機運轉。

1‧‧‧地熱熱源

1a‧‧‧生產井

1b‧‧‧注入井

10‧‧‧熱流體輸送模組

20‧‧‧工作流體輸送模組

21‧‧‧泵浦

30‧‧‧全流式渦輪發電機組

31‧‧‧水輪機

32‧‧‧第一發電機

33‧‧‧第二汽輪機

34‧‧‧第三發電機

40‧‧‧複循環渦輪發電機組

41‧‧‧汽輪機

42‧‧‧第二發電機

50‧‧‧熱交換器

60‧‧‧市電併聯器

70‧‧‧冷卻模組

71‧‧‧冷凝器

72‧‧‧冷卻塔

90‧‧‧蒸發器

91‧‧‧渦輪機

92‧‧‧發電機

93、98‧‧‧冷凝機

94‧‧‧回流幫浦

95‧‧‧閃發器

96‧‧‧渦輪機

97‧‧‧發電機

圖1係本新型基本實施例的實施示意圖。

圖2係本新型具體實施例的實施示意圖。

圖3係本新型具體實施例的另一應用實施示意圖。

圖4係習知雙循環的地熱發電機組的示意圖。

圖5係習知閃發式地熱發電系統的示意圖。

為讓 貴審查委員能進一步瞭解本新型整體的技術特徵與達成本新型目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明：在考量不同的地熱流體時，首要的參考指標是工作流體的溫度。而其次重要的指標為此地熱流體的壓力。因為在地熱流體中，主要的成分為水，所以如果參考地熱水源於地表取得時的溫度與壓力，則可以利用水的物理三相圖表(固態、液態及氣態)來知道這個水汽的飽和分壓。而且，如果配合探勘的量測現場地熱流體的流量，即可估算這個地熱工作流體可以產出的熱總量。地熱流體的工作溫度是一個最重要的指標。為了要取得有效的地熱來適用現行的地熱發電系統，一般鑿井的願景是希望可 以取得愈加高溫的地底熱水，惟鑿井後的結果常事與願違。於是，本新型構想在於能開採台灣地區經常有的地熱工作流體(溫度約攝氏150度且水多於氣)，使二組渦輪發電機組可分別利用同一生產井所產出之地熱蒸汽及熱水進行發電，以降低鑿井風險及設備成本，以降低鑿井風險及設備成本。

如下之表1所示，我們假設這些不同的地熱工作流體都處於一個適切的工作壓力狀態。台灣身處板塊擠壓的環太平洋地震帶，本就擁有豐富的地熱資源，這種低溫的地熱水即為常見的溫泉水。因此，本新型著重在應用於開採自台灣地區經常有的溫泉水，使二組渦輪發電機組可分別利用同一生產井所產出之地熱蒸汽及熱水進行發電，以降低鑿井風險及設備成本。

由於在地熱的發電中，鑿井是一項花費巨大經費與時間的工程。而且，因為前期探勘的不確定性，也不能保證鑿井位置就如同預測的結果得到豐富的地熱資源。所以，鑿井的量確實屬於高風險的規劃。在本新型中，我們提出一個利用單一井口來同時扮演「生產井」與「注入井」的開發方向。除此，工作流體的選擇也是有其特性的。因為各種不同溫度的地熱水，其適用的低沸點工作流體也不盡相同，我們用表2來總結列出目 前所知常見的工作流體選擇。

請參看圖1所示為本新型的基本實施例，係包括地熱流體輸送模組10、工作流體輸送模組20、全流式渦輪發電機組30、複循環渦輪發電機組40及熱交換器50等技術特徵。地熱流體輸送模組10用以輸送來自連通至一地熱熱源1的一生產井1a之熱水蒸汽。工作流體輸送模組20用以輸送低沸點之工作流體(如氨水或是其他冷媒)，工作流體輸送模組20包括一用以循環輸送工作流體的泵浦21。全流式渦輪發電機組30包括一水輪機31及一與水輪機31連動的第一發電機32，該水輪機31接收地熱流體輸送模組10所供應之熱水蒸汽，一方面驅動第一發電機32運轉而產生第一電力以供利用，另一方面，利用其葉片的水汽分離功能而將熱水蒸汽分離出熱水與熱汽。複循環渦輪發電機組40包括汽輪機41及一與汽輪機41連動的第二發電機42。熱交換器50利用水輪機31所分離的熱水與熱汽對工作流體輸送模組20送來的工作流體進行熱交換，以將工作流體予以加熱成氣液混合蒸氣，氣液混合蒸氣用以驅動汽輪機41，並使第二發電機42運轉而產生第二電力以供利用。如圖1所示，第一發電機32與第二發電機42分別與市電併聯器60電性連接，以將第一電力與第二電力輸送至供電網路(AC)中。

為避免汽輪機41因長期接觸工作流體造成腐蝕，故本新型的汽輪機41係採用一種耐蝕汽輪機。於具體運作時，上述氣液混合蒸氣會先驅動汽輪機41後，接著再連動第二發電機42運轉；通過汽輪機41的氣液混合蒸氣再經一冷卻模組70冷卻後再藉由工作流體輸送模組20循環輸送至熱交換器50，該冷卻模組70包括一冷凝器71及一冷卻塔72。

再請參看圖2所示的實施例中，為提升發電效能，本新型一種更佳實施例，全流式渦輪發電機組30更包括與第一發電機32連動的一第二汽輪機33，該第二汽輪機33接收水輪機31將熱水蒸汽所分離出的熱汽而驅動第一發電機32運轉，接著，通過第二汽輪機33的熱汽再進到熱交換器50中，以對透過工作流體輸送模組20而進入熱交換器50的工作流體進行熱交換，並將工作流體加熱成氣液混合蒸氣，此氣液混合蒸氣可以驅動汽輪機41，並使第二發電機42運轉而產生第二電力。另一方面，冷凝器71及冷卻塔72則將此氣液混合蒸氣予以冷卻為低溫液態的工作流體，於此重覆循環。此外，水輪機31所分離的熱水與熱汽於熱交換器50進行熱交換之後所產生水則被回注至地熱熱源1的注入井1b。

此外，請參看圖3所示的實施例中，該全流式渦輪發電機組更包括與一第三發電機34連動的一第二汽輪機33；第二汽輪機33接收水輪機31將熱水蒸汽所分離出的熱汽驅動第三發電機34運轉而產生可供應用的第三電力；同時，通過第二汽輪機33的熱汽再進到熱交換器50中，而且第一發電機32、第二發電機42及第三發電機34分別與市電併聯器60電性連接，以將第一電力、第二電力及第三電力輸送至供電網路(AC)中。

因此，藉由上述本新型技術特徵的建置，本新型確實可藉由 地熱能多次循環利用的機能建置，僅需使用同一生產井所供應之地熱蒸汽及熱水即可有效驅動二組或是二組以上之渦輪發電機組運轉而產生電力，因而具有降低鑿井風險及設備成本、增加地熱整體熱能的利用率與熱效率、提升地熱發電效能、充份利用地熱以及大幅降地機組設備成本等特點。本新型未見於同類習知技術，且具增進功效，並能供產業充份利用，已符合新型專利要件，爰依法具文提出申請，祁請 鈞局早日依法核准專利，以維護本申請人合法之權益。

以上圖示例說明，僅為本新型之一可行實施例，並非用以限定本新型之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本新型之專利範圍內。

1‧‧‧地熱熱源

1a‧‧‧生產井

1b‧‧‧注入井

10‧‧‧熱流體輸送模組

20‧‧‧工作流體輸送模組

21‧‧‧泵浦

30‧‧‧全流式渦輪發電機組

31‧‧‧水輪機

32‧‧‧第一發電機

40‧‧‧複循環渦輪發電機組

41‧‧‧汽輪機

42‧‧‧第二發電機

50‧‧‧熱交換器

60‧‧‧市電併聯器

70‧‧‧冷卻模組

71‧‧‧冷凝器

72‧‧‧冷卻塔

Claims (15)

1. 一種地熱發電水汽複循環系統，其包括：一地熱流體輸送模組，其用以輸送來自連通至一地熱熱源的一生產井之熱水蒸汽；一工作流體輸送模組，其用以輸送低沸點之工作流體；一全流式渦輪發電機組，其包括一水輪機及一與該水輪機連動的第一發電機；該水輪機接收該地熱流體輸送模組所供應之熱水蒸汽，一方面驅動該第一發電機運轉而產生第一電力以供利用，另一方面將熱水蒸汽分離出熱水與熱汽；一複循環渦輪發電機組，其包括一第二發電機；及一熱交換器，其利用該水輪機所分離的熱水與熱汽對該工作流體輸送模組送來的工作流體進行熱交換，以將工作流體予以加熱成氣液混合蒸氣，氣液混合蒸氣用以驅動該第二發電機運轉而產生第二電力以供利用。
2. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該複循環渦輪發電機組包括一與該第二發電機連動的汽輪機；氣液混合蒸氣先驅動該汽輪機再連動該第二發電機運轉；通過該汽輪機的氣液混合蒸氣再經一冷卻模組冷卻後再藉由該工作流體輸送模組循環輸送至該熱交換器。
3. 如請求項2所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該汽輪機為一耐蝕汽輪機。
4. 如請求項2所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該冷卻模組包括一冷凝器及一冷卻塔，該冷凝器及該冷卻塔用以將該氣液混合蒸氣予以冷卻。
5. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該工作流體為 氨水。
6. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該水輪機所分離的熱水與熱汽於該熱交換器進行熱交換後所產生水被回注至該地熱熱源。
7. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該全流式渦輪發電機組更包括與該第一發電機連動的一第二汽輪機；該第二汽輪機接收該水輪機將熱水蒸汽所分離出的熱汽而驅動該第一發電機運轉或驅動一第三發電機運轉；通過該第二汽輪機的熱汽再進到該熱交換器中。
8. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該全流式渦輪發電機組更包括與一第三發電機連動的一第二汽輪機；該第二汽輪機接收該水輪機將熱水蒸汽所分離出的熱汽驅動該第三發電機運轉而產生第三電力；通過該第二汽輪機的熱汽再進到該熱交換器中。
9. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該地熱流體輸送模組更包含設置在該地熱熱源之該生產井中的一蒸汽產生器，用以供應該熱水蒸汽。
10. 如請求項1所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該第一發電機與該第二發電機分別與一市電併聯器電性連接，以將該第一電力與該第二電力輸送至供電網路(AC)中。
11. 一種地熱發電水汽複循環系統，其包括：一地熱流體輸送模組，其用以輸送來自連通至一地熱熱源的一生產井之熱水蒸汽；一工作流體輸送模組，其用以輸送低沸點之工作流體；一全流式渦輪發電機組，其包括一水輪機及一與該水輪機連動的第一發電機；該水輪機接收該地熱流體輸送模組所供應之熱水蒸汽，一方面驅動 該第一發電機運轉而產生第一電力以供利用，另一方面將熱水蒸汽分離出熱水與熱汽；一複循環渦輪發電機組，其包括一汽輪機及一與該汽輪機連動的第二發電機；一熱交換器，其利用該水輪機所分離的熱水與熱汽蒸，對該工作流體輸送模組送來的工作流體進行熱交換而將工作流體予以加熱成氣液混合蒸氣，氣液混合蒸氣先驅動該汽輪機再連動該第二發電機運轉而產生第二電力以供利用；通過該汽輪機的氣液混合蒸氣再經一冷卻模組冷卻後再藉由該工作流體輸送模組循環輸送至該熱交換器。
12. 如請求項11所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該冷卻模組包括一冷凝器及一冷卻塔，該冷凝器及該冷卻塔用以將該氣液混合蒸氣予以冷卻。
13. 如請求項11所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該水輪機所分離的熱水與熱汽蒸於該熱交換器進行熱交換後所產生水被回注至該地熱熱源。
14. 如請求項11所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該全流式渦輪發電機組更包括與該第一發電機連動的一第二汽輪機；該第二汽輪機接收該水輪機將熱水蒸汽所分離出的熱汽而驅動該第一發電機運轉；通過該第二汽輪機的熱汽再進到該熱交換器中。
15. 如請求項11所述之地熱發電水汽複循環系統，其中，該全流式渦輪發電機組更包括與一第三發電機連動的一第二汽輪機；該第二汽輪機接收該水輪機將熱水蒸汽所分離出的熱汽驅動該第三發電機運轉而產生第三電力；通過該第二汽輪機的熱汽再進到該熱交換器中。