TWM562340U - 全流式熱水渦輪地熱發電系統 - Google Patents

Abstract

本新型係有關一種全流式熱水渦輪地熱發電系統，其包括地熱流體供應模組、水輪機發電模組及溫差用冷卻模組。地熱流體供應模組自地熱熱源生產井中供應兩相或兩相混和的地熱流體。水輪機發電模組包含水輪機及發電機組。水輪機包括水輪機渦輪、位於水輪機渦輪二端的輸入段與排出段及位於輸入段與排出段之間的空腔。溫差用冷卻模組包括與排出段連通的冷卻組件。當地熱流體由輸入至水輪機發電模組時，地熱流體則噴向水輪機渦輪，並由輸入段經空腔而流至排出段，再經冷卻組件的冷卻作用，使輸入段及排出段之間產生溫度差，藉由溫度差而使輸入段及排出段之間產生壓力差，再藉由壓力差來驅動水輪機渦輪運轉而致使發電機組運轉產生電力。

Description

全流式熱水渦輪地熱發電系統

本新型係有關一種全流式熱水渦輪地熱發電系統，尤指一種同時使用熱水及蒸汽，以多個高壓噴霧之環狀配置之噴嘴來使渦輪葉片前後產生大壓力差，以驅動水輪機渦輪，而使發電機組運轉產生電力的地熱發電技術。

按，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，利用地熱可以進行發電，其發電效率相較於太陽能、及海上風力發電更具經濟效益，且供電穩定可當作基載電力。尤其是，台灣很多地區蘊含豐富的地熱資源，若利用地熱來發電，是可以以較低的總合成本來做有效的發電。台灣若是能夠充份地發展地熱發電，確實能夠有效解決電力不足的問題，進而替代核能或火力發電，減少溫室氣體排放，進而創造台灣永續生存的機會。

不同地點的地熱工作流體都處於一個適切的工作壓力狀態。這個適切的工作壓力，是讓地熱流體處於相對的穩定的流體狀態。這代表著，當地熱流體來到地表時，管流中的出口壓力，足夠提供這個工作流體的穩定性。一般而言，這代表著這個壓力足夠讓地熱流體自地底順利上升至地面，保持著飽和蒸汽或過飽和蒸汽熱水兩相流的狀態。地熱流體在地表上都是一般的「可壓縮流體」(Compressible fluid)，並以濕蒸氣的形 式湧出。全世界只有不到二十分之一的地熱田直接產生乾蒸氣。台灣身處板塊擠壓的環太平洋地震帶，本身就擁有豐富的地熱資源，但除了大屯火山區外全部都是這種200度C以下相對低溫的濕蒸氣地熱流體，工作流體中蒸氣的百分比在20%以下。因此，如何有效利用濕蒸氣地熱流體來發電，對於台灣未來能源的自主與綠色經濟，確實具有關鍵性的影響，故而如何有效開發利用台灣地區的濕蒸氣地熱資源，已成為綠色電力未來能否實現的重要因素。

按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加以區分，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、閃發蒸汽式及雙循環式等地熱發電技術。

所謂的乾蒸汽式發電機組，係將來自地熱源「生產井」(Production Well)之高溫乾蒸汽(約攝氏200度以上)導引至蒸汽渦輪機組，以推動渦輪機組旋轉，進而驅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」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80度到150度)的熱水輸入至熱交換器以加熱工作流體，使工作流體氣化，再將氣化的高壓工作流體經由管 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回收再利用。圖7所示係為一組雙循環的地熱發電機組的示意圖。地熱源生產井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，都將被導入熱交換蒸發器(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，所以當導入攝氏80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或膨脹螺桿91，來推動氣葉片或膨脹螺桿的主軸轉動並帶動發電機(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，以重新循環利用。此為朗肯循環熱功轉換之裝置，通常這個工作流體多為有機物如R245fa，故雙循環式發電系統多為有機朗肯循環(ORC)地熱發電系統。

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，並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。圖8所示就是一組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來推動渦輪機運轉發電。圖中地熱源生產井所得到的地熱流 體，就是攝氏超過150度的混相水汽流體。這種混相水汽地熱流體的發電系統，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中唯一的流體就是混相水汽地熱流體。因為閃發器95具有一個巨大的低壓空間，故高溫高壓的混相水汽地熱流體於此空間中將快速擴容閃發，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)，即是將飽和的或過飽和的水汽分離為熱水與高壓的非飽和水蒸氣。圖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蒸氣渦輪機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。

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，而次要的指標則是地熱流體的壓力。由於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，則可利用已知的水的物理三相圖表來得知水汽的飽和分壓分佈情形。可見，地熱流體的工作溫度是一個最重要的指標；此外，「乾度」是指工作流體中蒸氣的百分比(以質量計算)。

雖然上述乾蒸汽式、閃發蒸汽式及有機朗肯雙循環等地熱發電系統皆可接受地熱熱源(如熱水、蒸汽或是汽液兩相工作流體)而驅動渦輪或膨脹螺桿及發電機運轉產生電力，然而，該等習知地熱發電系統確實未臻完善，仍存在著下列所述的缺失：

1.由於該等地熱發電系統僅具備一組熱源噴發口，通常無法讓地熱流體有效均勻地噴發至渦輪機的各個葉片中，以致降低渦輪機的機 械效率，從而影響地熱發電的效能。

2.該等地熱發電系統無法應用到熱水蒸汽混合之地熱流體的濕蒸氣地熱形態的全部可用能，以致於閃發式地熱電系統只用蒸氣推動蒸汽渦輪而將大量未閃發之熱水回注；至於雙循環式需經過熱交換器並用膨脹螺桿或氣渦輪來承受氣態工作流體的驅動而致使發電機發電，而熱交換器損失不少可用能。

3.由於台灣地區的地熱資源多屬熱水蒸汽的混合流體的熱水型濕蒸氣地熱田，所以該等地熱發電系統確實是未將台灣地熱田特徵做最佳化的發電設計，雖然閃發式地熱發電系統可將部分熱水閃發為蒸汽，但是終究還是以蒸汽渦輪來承受蒸汽的驅動，而未閃發的熱水則棄置不使用，以致會因熱效率不佳而降低地熱發電的效能。

由上述歸納分析得知，該等習知地熱發電系統確實未臻完善仍然有再改善的必要性，因此，如何開發出一套可以解決上述缺失並可依據台灣地區熱水型濕蒸氣地熱田所專屬量身訂製的地熱發電系統，實已成為台灣相關之產官學界所急欲解決與挑戰的技術課題。

本新型主要目的在於，提供一種全流式熱水渦輪地熱發電系統，主要是藉由可增加溫度差距與壓力差距等機能設置，除了提升水輪發電模組的運轉效能之外，並可增加水輪機發電模組輸入段與排出段之間的溫度與壓力差距，故可有效利用地熱流體作功前後的溫度與壓力大幅差距來提升地熱發電的運轉效能。達成主要目的之技術手段，係包括地熱流體供應模組、水輪機發電模組及溫差用冷卻模組。地熱流體供應模組自地熱熱源生產井中供應兩相或兩相混和的地熱流體。水輪機發電模組包含水輪機及發電機組。水輪機包括水輪機渦輪、位於水輪機渦輪二端的輸入段與排出段及位於輸入段與排出段之間的空腔。溫差用冷卻模組包括與排出段 連通的冷卻組件。當地熱流體由輸入至水輪機發電模組時，地熱流體則噴向水輪機渦輪，並由輸入段經空腔而流至排出段，再經冷卻組件的冷卻作用，使輸入段及排出段之間產生溫度差，藉由溫度差而使輸入段及排出段之間產生壓力差，再藉由壓力差來驅動水輪機渦輪運轉而致使發電機組運轉產生電力。

1‧‧‧地熱熱源生產井

10‧‧‧地熱流體供應模組

11‧‧‧穩壓模組

110‧‧‧洩汽模組

12‧‧‧熱水輸入管路

13‧‧‧熱水輸出管路

14‧‧‧增壓管路

15‧‧‧空壓機

16‧‧‧排水管路

17‧‧‧真空泵浦

18‧‧‧熱水泵浦

19‧‧‧抽取管路

20‧‧‧水輪機發電模組

21‧‧‧噴射組件

210‧‧‧盤座

210a‧‧‧通口

211‧‧‧噴嘴

211a‧‧‧熱水注入段

211b‧‧‧注氣段

211c‧‧‧匯集噴發段

211d‧‧‧熱水注入口

211e‧‧‧注氣口

212‧‧‧增壓分配模組

212a‧‧‧環形管體

212b‧‧‧輸入端

212c‧‧‧輸出端

22‧‧‧水輪機

220‧‧‧水輪機渦輪

221‧‧‧輸入段

222‧‧‧排出段

223‧‧‧空腔

224‧‧‧排放管路

23‧‧‧發電機組

24‧‧‧機體

25‧‧‧主軸

30‧‧‧溫差用冷卻模組

31‧‧‧冷卻組件

310‧‧‧集水槽

310a‧‧‧抽氣段

310b‧‧‧集水段

311‧‧‧散熱器

312‧‧‧冷卻管路

34‧‧‧負壓空腔

312a‧‧‧伸入段

312b‧‧‧冷凝段

312c‧‧‧廢熱段

90‧‧‧熱交換蒸發器

91‧‧‧渦輪機

92‧‧‧發電機

93‧‧‧冷凝機

94‧‧‧回流幫浦

95‧‧‧閃發器

96‧‧‧渦輪機

97‧‧‧發電機

98‧‧‧冷凝機

圖1為本新型水輪機發電模組部分元件的分解示意圖。

圖2為本新型水輪機發電模組的局部組合實施示意圖。

圖3為本新型水輪機與發電機組同軸連動的管路連結實施示意圖。

圖4為本新型水輪機與發電機組異軸連動的管路連結實施示意圖。

圖5為本新型噴射組件的分解示意圖。

圖6為本新型噴射組件的組合示意圖。

圖7習知雙循環地熱發電的管路連結實施示意圖。

圖8為習知閃發式地熱發電系統的管路連結實施示意圖。

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：

請參看圖1~4所示，為本新型基本技術特徵及達成本新型主要目的之實施例，係包括地熱流體供應模組10、水輪機發電模組20，及溫差用冷卻模組30等技術特徵。地熱流體供應模組10用以自一地熱熱源生產井1中供應發電所需之熱水或熱水蒸汽兩相混和的地熱流體。水輪機發電模組20包括一水輪機22及一發電機組23；水輪機22包括一水輪機渦輪220及分別位於水輪機渦輪220之兩端的一輸入段221、一排出段222及一位於輸入段221 與排出段222之間的空腔223。發電機組23係與水輪機渦輪220的主軸25以同軸(如圖3所示)或異軸(如圖4所示)的方式連動。溫差用冷卻模組30包括一冷卻組件31，此冷卻組件31與水輪機渦輪220之排出段222連通。

具體的，上述水輪機發電模組20更包括一噴射組件21，於具體的運作實施例中，當地熱熱源生產井1中的地熱流體由地熱流體供應模組10輸入至水輪機發電模組20中，經噴射組件21之複數個噴嘴221以高速噴向水輪機渦輪220，並由輸入段221經空腔223而流至排出段222，再經冷卻組件31的冷卻作用，使輸入段221及排出段222之間產生一至少攝氏60度的溫度差，藉由溫度差而使輸入段221及排出段222之間產生一至少4bar的壓力差，再藉由此壓力差來驅動水輪機渦輪220運轉而致使發電機組23運轉產生電力。再者，由已知的技術文獻得知，渦輪機組之輸入端與輸出端之間的溫度差距愈大，代表渦輪機組的熱功轉換效率愈佳，連帶使得渦輪機組的運轉效能得以有效提升。

承上所述，圖3、4所示的實施例中，地熱流體供應模組10係包括一穩壓模組11、一熱水輸入管路12，及一熱水輸出管路13。穩壓模組11用以調整來自地熱熱源生產井中1的地熱流體，穩壓模組11係以一熱水輸入管路12來輸入地熱流體，並以一熱水輸出管路13將熱水與蒸汽穩定供應至水輪機發電模組20中。不僅如此，本新型穩壓模組11更包括一用以將地熱流體轉換分離為熱水與蒸汽的汽液分離模組，及一洩汽模組110。此汽液分離模組可以是一種閃發器；或是穩壓桶，但是不以此為限；此穩壓桶的下半段可以穩定供給高壓熱水的功能。至於洩汽模組110可以是一種洩壓閥，當穩壓桶內之蒸汽地熱流體的壓力過高時，洩汽模組110則可將蒸汽地熱流體經由一抽取管路19導引排出。

再請參看圖1~6所示的實施例，上述噴射組件21更包括一盤座210、一設於盤座210而相對渦輪環佈配置的複數個噴嘴211，及一增壓分配模組212等技術特徵。圖6所示之每一噴嘴211係包含一熱水注入段211a、一注氣段211b，及一匯集噴發段211c。熱水注入段211a一端貫通至盤座210頂面而形成一與熱水輸出管路132對應連通的熱水注入口211d，其末端則口徑逐漸縮小而往下斜向延伸。再請參看圖3~6所示之每一注氣段211b一端突出於盤座210頂面而形成一與增壓管路14連通的注氣口211e，其末端連通熱水注入段211a末端；此外，匯集噴發段211c一端連通熱水注入段211a末端且口徑逐擴大往下斜向延伸而貫通至盤座210底面，如圖5所示。

請參看圖3~6所示，地熱流體供應模組10更包括一空壓機15；此外，噴射組件21更包括一增壓分配模組212，此增壓分配模組212包含一內部具有相通之環形氣道的環形管體212a，環形管體212a係環設於盤座210之一通口210a的內緣，環形管體212a具有至少一個輸入端212b，及複數個輸出端212c。輸入端212b透過增壓管路14與空壓機15連通，複數個輸出端212c則分別與各注氣口211e連通；當空壓機15輸出增壓氣體時，則透過增壓管路14自環形管體212a之輸入端212b注入，經環形氣道後分配至各輸出端212c，再由各注氣口211e噴出，藉由增壓氣體的增壓催化作用，使熱水注入段211a內的熱水的水珠得以微小化。

具體而言，請參看圖5、6所示，噴嘴211的數量為16組，環形管體212a之輸入端212b為四組，輸出端212c為16組，則代表每一輸出端212c必須銜接連通4個注氣口211e；亦即，為1對4增壓氣體的分配效果。除此之外，噴嘴211除可噴射熱水之外，地熱流體經穩壓桶時所產生之蒸氣亦可與壓縮空氣混和後高壓送進噴嘴211入口後一起噴到渦輪葉片上，如此高壓噴 霧式噴嘴211的目的是使噴出的水珠直徑在一微米(1 micro meter)以下。

請參看圖1~4所示的實施例，上述冷卻組件31係包含一透過一排放管路224而與排出段連通的集水槽310、一散熱器311，及一冷卻管路312等技術特徵。集水槽310包含位於頂部的抽氣段310a，及位於底部的集水段310b。抽氣段310a接設一抽取管路19，集水段310b接設一排水管路16，抽取管路19接設一用以將空腔223及抽氣段310a抽成負壓狀態的真空泵浦17；而排水管路16則接設一用以將集水段310b內作功完之地熱流體排出的熱水泵浦18。具體來說，排水管路16可將已利用之低溫地熱流體回注至地熱源同軸管生產井1之外管中；或是將已利用之低溫地熱流體注入至注入井中。而上述散熱器311可以是一種具風扇致冷效果的散熱水塔，冷卻管路312則可以運送冷卻水進入至集水槽310的集水段310b，以進行熱交換作用。如圖3、4所示的冷卻管路312係包含一位於集水槽310之集水段310b以實現快速散熱作用的伸入段312a、一連接伸入段312a入口端的冷凝段312b，及一連接伸入段312a出口端的廢熱段312c。伸入段312a可將來自冷凝段312b所運送冷卻水輸入至排出段222中，以進行熱交換作用，而達到快速散熱降溫之目的；然後，再由廢熱段312c將吸熱後之冷卻水輸送至散熱器311進行降溫之處理，接著，再重覆循環上述的冷卻步驟。

具體而言，如圖1~4所示之水輪機發電模組20更包含一用以容設噴射組件21及水輪機22的機體24，而輸入段221係位於機體24的上半部，排出段222則位於機體24的下半段，至於空腔223則位於機體24的中段位置。一般來說，輸送至輸入段221的地熱流體的溫度約為至少攝氏120度且壓力約為5大氣壓(5bar)；至於輸送至排出段222的地熱流體的溫度則是小於攝氏60度且壓力小於1bar；較佳的，本新型可藉由真空幫浦將排出段222的壓 力抽至降為0.2bar以下，於此，即可使排出段222實現快速降溫的效果。此外，必須說明的是，真空泵浦17除了可將熱水輸出管路13多餘的蒸汽地熱流體抽出以外，並可透過真空吸力將排出段222內的地熱流體抽出。

除此之外，再請參看圖3、4所示的實施例中，本新型水輪機發電模組20係呈直立式地配置，水輪機渦輪220之主軸25的軸線與一鉛垂線的夾角約介於0~5度之間，於此，即可使主軸傳動效能更為穩定順暢，以提升地熱電效能。

以上圖示例說明，僅為本新型的一種可行實施例，並非用以限定本新型的專利範圍，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。

Claims (10)

1. 一種全流式熱水渦輪地熱發電系統，其包括：一地熱流體供應模組，其用以自一地熱熱源生產井中供應發電所需之熱水或熱水蒸汽兩相或兩相混和的地熱流體；一水輪機發電模組，其包括一水輪機及一發電機組，該水輪機包括一水輪機渦輪及分別位於該水輪機渦輪之兩端的一輸入段、一排出段及一位於該輸入段與該排出段之間的空腔，該發電機組與該水輪機渦輪的一主軸連動；及一溫差用冷卻模組，其包括一冷卻組件，該冷卻組件與該水輪機渦輪之該排出段連通；其中，當該地熱流體輸入至該水輪機發電模組時，該地熱流體則由該輸入段經該空腔而流至該排出段，再經該冷卻組件的冷卻作用，使該輸入段及該排出段之間產生一溫度差，藉由該溫度差而使該輸入段及該排出段之間產生一壓力差，再藉由該壓力差來驅動該水輪機渦輪運轉，以驅使該發電機組運轉產生電力。
2. 如請求項1所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該水輪機發電模組更包含一具有複數個噴嘴的噴射組件，用以於該地熱流體輸入至該水輪機發電模組時，以該複數個噴嘴將該地熱流體高速噴向該水輪機渦輪。
3. 如請求項2所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該噴射組件包括一盤座及設於該盤座而相對該渦輪環佈配置的複數個該噴嘴，每一該噴嘴包含一熱水注入段、一注氣段及一匯集噴發段，該熱水注入段一端貫通至該盤座頂面而形成一與該地熱流體供應模組之一熱水輸出管路連通的熱水注入口，其末端則口徑逐漸縮小而往下斜向延伸；每一該注氣段一 端突出於該盤座頂面而形成一與一增壓管路連通的注氣口，其末端連通該熱水注入段末端；該匯集噴發段一端連通該熱水注入段末端且口徑逐擴大往下斜向延伸而貫通至該盤座底面。
4. 如請求項3所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該地熱流體供應模組更包括一空壓機；該噴射組件更包括一增壓分配模組，該增壓分配模組包含一內部具有相通之環形氣道的環形管體，該環形管體環設於該盤座之一通口的內緣，該環形管體具有至少一個輸入端及複數個輸出端，該輸入端經該增壓管路與該空壓機連通，該複數個輸出端則分別與各該注氣口連通；當該空壓機輸出增壓氣體時，則透過該增壓管路自該環形管體之該輸入端注入，經該環形氣道後分配至各該輸出端，再由該注氣口噴出，藉由該增壓氣體的增壓催化作用，使該熱水注入段內的該熱水的水珠得以微小化。
5. 如請求項4所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該水珠的直徑為1微米以下。
6. 如請求項1所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該溫度差為至少攝氏60度，該壓力差為至少4bar。
7. 如請求項1所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，輸送至該輸入段的該地熱流體的溫度為至少攝氏120度且壓力為至少5ar，而輸送至該排出段的該地熱流體的溫度則小於攝氏60度且壓力小於1bar。
8. 如請求項1所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該冷卻組件包含一與該排出段連通的集水槽，該集水槽包含位於頂部的抽氣段及位於底部的集水段，該抽氣段設有一抽取管路，該集水段設有一排水管路，該抽取管路接設一用以將該空腔及該抽氣段抽成負壓狀態的真空泵浦；該 排水管路接設一用以將該集水段內作功完之該地熱流體排出的熱水泵浦。
9. 如請求項1所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該地熱流體供應模組包括一穩壓模組，該穩壓模組用以調整來自該地熱熱源生產井中的該地熱流體，該穩壓模組係以一熱水輸入管路輸入該地熱流體，並以一熱水輸出管路將該熱水與該蒸汽穩定供應至該水輪機發電模組中。
10. 如請求項9所述之全流式熱水渦輪地熱發電系統，其中，該穩壓模組更包括一用以將該地熱流體穩定分離為熱水與蒸汽的汽液分離模組，該汽液分離模組係選自閃發器以及穩壓桶的其中一種。