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CN102562496B - 基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统 - Google Patents

基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统。主要技术结构体现在：通过地热供水管路将ORC、吸收式制冷、直接和间接热利用这四个系统串接起来。具体是：地热供水依次接入第一蒸发器、发生器、板式换热器、第三蒸发器后，并联接至第一冷凝器与第二蒸发器的进口，第一冷凝器出水接至地热回灌井。板式换热器低温侧出水分为二路：一路接至热水储水箱；另一路接至直接热利用系统的末端装置后由水泵返回板式换热器的低温进水口。第一冷凝器与第二蒸发器的水侧之间依次串接有阀门和水泵。本发明采用地热尾水作为热源，符合节能减排的要求，有利于环保。除提高了地热资源的利用效率外，对减少污染物排放也具有显著效果。

Description

基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统
技术领域
本发明属于可再生能源利用，具体涉及一种与有机郎肯循环、吸收式制冷和地热尾水利用相耦合的热能综合利用系统。
背景技术
有机朗肯循环是用有机物代替水作为工质的朗肯动力循环，它利用中低品位热能来加热有机工质，使其产生蒸汽，后推动汽轮机发电机组发电。有机朗肯循环(ORC)系统的热源温度通常在90℃以上，发电后地热水温度一般高于75℃，若该部分能量不经利用而直接回灌，会产生很大的浪费，因此通过合理利用地热水可以提高发电效率和系统的技术经济性。而冬季室外气温较低，发电系统的冷凝温度也较低，发电效率较高；又因此时热需求巨大，地热水利用效率较高。在其他季节，情况正好相反，尤其是夏季，由于环境温度高，发电效率低，热需求较冬季小，因而回灌温度高，地热利用效率低。此外，环境温度昼夜及季节性变化，使系统运行状态瞬时变化，这严重影响设备使用寿命。所以如何解决上述问题便成为中低温地热资源利用领域的热点和焦点。
本系统正是针对上述问题而开发的，它可以有效克服上述缺点，提高地热发电效率、系统运行稳定性及地热水综合利用效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，以弥补春夏秋三季中低温地热发电系统效率较低、运行工况多变和地热综合利用效率低的缺陷，达到提高发电效率、运行的稳定性及提升地热综合利用效率等目的。
为了实现上述目标，本发明采取了下述技术解决方案：一种基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，包括：蒸发器、汽轮机、发动机、冷凝器、水泵、工质泵、溶液泵、发生器、节流阀、吸收器、冷却塔、板式换热器、热水储水箱、压缩机以及阀门等。由第一蒸发器的工质侧、汽轮机、第一冷凝器以及工质泵通过管路按顺序连接、并包括发电机以及第一水泵组成有机朗肯循环发电系统；由第二蒸发器、第二节流阀、第二冷凝器、发生器以及吸收器按顺序连接、并包括第一节流阀、溶液泵、第二水泵以及冷却塔组成吸收式制冷系统；由第三蒸发器工质侧与压缩机、第三冷凝器以及第三节流阀通过管路依次按顺序连接构成水源热泵机组；由板式换热器、热水储水箱、第四水泵按顺序连接、热水储水箱串接第三水泵构成直接热利用系统。由热泵机组第三冷凝器的水侧串接第五水泵组成间接热利用系统。
在系统连接上：来自地热抽水井的供水管依次接入第一蒸发器(进水侧)、发生器、板式换热器高温侧、第三蒸发器的水侧后，经第六阀门并联接至第一冷凝器与第二蒸发器的水侧进口。第一冷凝器水侧出口管路经第七阀门接至地热回灌井。板式换热器低温侧出水分为二路：一路经第八阀门接至热水储水箱；另一路经第九阀门接至直接热利用系统的末端装置后经第四水泵返回板式换热器的低温进水口。第一冷凝器与第二蒸发器的水侧之间依次串接第四阀门、第五阀门和第一水泵。
本发明的主要技术结构体现在：通过地热供水管路将ORC、吸收式制冷、直接热利用和间接热利用这四个系统串接起来，如何通过相应阀门的切换达到提高发电效率、保持系统运行的稳定性以及提升地热综合利用效率的目的。采用地热尾水和吸收式制冷机组的冷冻水分别作为冬季和其它季节发电系统的冷源，以取代冷却塔。这样可降低发电系统的冷凝温度，从而提高机组的发电效率，使系统(免受环境温度瞬态变化)稳定运行。将ORC系统发电后的地热水又作为(冬季直接和间接两级热利用，其它季节仅直接热利用)热源，由此可以更好提升地热资源利用率。
本发明的特点以及产生的有益效果是，本发明与传统的单一地热发电系统和地热热利用系统相比：
(1)采用地热尾水作为冬季发电系统的冷源，与冷却塔不同，地热尾水靠余压驱动，节省了运行能耗，由于系统为闭式循环，运行过程中不需要补水，减少了水资源消耗。
(2)采用地热尾水作为热利用系统的热源，符合节能减排的要求，有利于环保。
(3)采用吸收式制冷机组制取冷冻水作为非冬季发电系统的冷源，不同于现有发电系统采用冷却塔作为冷源。冷冻水温度低可提高发电效率，且免受环境温度多瞬态变化的影响，使系统运行工况稳定，提高了设备的使用寿命。
(4)采用热电耦合联供系统，合理科学的利用地热资源，最大限度利用地热水中的热量，除提高了地热水的利用效率和技术经济性外，对于缓解电力供需矛盾和减少污染物排放，具有十分显著的效果。
附图说明
图1为本发明系统原理以及部件连接示意图。
图2为本发明冬季工况运行时系统原理以及部件连接示意图。
图3为本发明非冬季工况运行时系统原理以及部件连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例对本发明的原理以及部件连接结构作进一步的说明。需要说明的是，本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。
基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统(如图1)，由第一蒸发器1-1的工质侧、汽轮机2、第一冷凝器4-1以及工质泵3通过管路按顺序连接、并包括发电机14以及第一水泵5-1组成有机朗肯循环发电系统。由第二蒸发器1-2、第二节流阀7-2、第二冷凝器4-2、发生器6以及吸收器8按顺序连接、并包括第一节流阀7-1、溶液泵15、第二水泵5-2以及冷却塔9组成吸收式制冷系统。由板式换热器10、热水储水箱11、第四水泵5-4按顺序连接、热水储水箱11串接第三水泵5-3构成直接热利用系统。由第三蒸发器1-3工质侧与压缩机12、第三冷凝器4-3以及第三节流阀7-3通过管路依次按顺序连接构成水源热泵机组。热泵机组第三冷凝器的水侧串接第五水泵5-5组成间接热利用系统。
地热抽水井的供水温度为90℃以上。来自地热抽水井的供水管依次接入第一蒸发器1-1的水侧、发生器6、板式换热器10高温侧、第三蒸发器1-3的水侧后，经第六阀门13-6并联接至第一冷凝器4-1与第二蒸发器1-2的水侧进口。第一冷凝器4-1水侧出口管路经第七阀门13-7接至地热回灌井。板式换热器10低温侧出水分为二路：一路经第八阀门13-8接至热水储水箱11；另一路经第九阀门13-9接至直接热利用系统的末端装置后，经第六水泵5-6返回板式换热器10的低温进水口。第一冷凝器4-1与第二蒸发器1-2的水侧之间依次串接第四阀门13-4、第五阀门13-5和第一水泵5-1。第三冷凝器的水侧接至间接热利用系统的末端装置。
第一蒸发器1-1水侧进出口设有第一阀门13-1；发生器6的进口、以及进出口之间分别设有第二和第三阀门；板式换热器10的进口、以及进出口之间分别设有第十和第十一阀门；第三蒸发器1-3出口与地热回灌井之间设有第十二阀门13-12。第一冷凝器4-1通过第四、第五、第六、第七阀门完成不同运行工况的转换。冬季：第一、第三、第四、第五、第八阀门关闭；第二、第六、第七、第九阀门开启(如图2)。其他季节：第一、第三、第四、第五、第八阀门开启；第二、第六、第七、第九阀门关闭(如图3)。
本发明系统的实施过程：
冬季工况(如图2)，采用地热尾水作为发电系统的冷源，发电后的地热水经过直接和间接两级热利用系统：第一、第二、第六、第七、第九、第十一阀门开启；第三、第八、第十、第十二阀门关闭。
第一阀门关闭，地热给水首先进入第一蒸发器与工质进行换热，使得工质由液态成为过热蒸气推动汽轮机膨胀做功，驱动发电机产生电能。做功后的乏气在第一冷凝器中被(温度较低的)地热尾水冷凝为液体。此时第四和第五阀门关闭、第六和第七阀门开启，循环工质经工质泵加压后流回到第一蒸发器，开始下一个循环。第一蒸发器(发电后)的地热水进入直接热利用系统。
此时第二、第九阀门开启、第三、第八阀门关闭。地热水进入板式换热器与直接热利用系统的末端装置(采暖系统)的回水进行热量交换，采暖系统的循环水由第四水泵5-4驱动。
地热水经过直接热利用系统后，进入间接热利用系统中的水源热泵机组。此时第十阀门关闭、第十一阀门开启，地热水在第三蒸发器中，与水源热泵中的循环工质进行热交换。循环工质吸热汽化经压缩机后变为高温高压的气体，工质的热量在第三冷凝器中释放给间接热利用系统末端装置(采暖系统)的回水。循环工质经第三节流阀降压后，再进入第三蒸发器开始下一循环。间接热利用系统的采暖回水被第三冷凝器加热升温，作为间接热利用系统的热源，由第五水泵驱动提供给热用户。此时第三蒸发器出口(地热水)的温度较低，是发电系统理想的冷源。此时第六、第七阀门开启，第十二阀门关闭，地热水又作为ORC系统的冷源进入第一冷凝器，吸收热量后返回地热水回灌井。
非冬季工况(如图3)：采用吸收式制冷机组制取的冷冻水作为发电系统的冷源，发电后的地热水依次经过吸收式制冷系统和直接热利用系统：第一、第四、第五、第八、第十、第十二阀门开启；第六、第七、第九、第十一阀门关闭。
地热给水进入第一蒸发器与工质进行换热，使工质由液态成为过热蒸气推动汽轮机膨胀做功，驱动发电机产生电能。做功后的乏气在第一冷凝器中(与吸收式制冷系统的冷冻水换热)冷凝为液体，冷冻水由第一水泵驱动。循环工质经工质泵加压回到第一蒸发器开始下一个循环。
与冬季工况不同的是，由于第一阀门开启，使得一小部分地热给水经旁路(第一)阀门与第一蒸发器出口的地热水混合后进入发生器，对(浓度较低的)溴化锂溶液进行加热，沸腾形成一定压力和浓度的水蒸汽，进入第二冷凝器，被冷却塔排出的冷却水，冷凝为液体。然后经第二节流阀节流后进入第二蒸发器，吸收ORC系统冷却水的热量而汽化。气化后的溶液水蒸汽进入吸收器中被溴化锂浓溶液吸收，溴化锂溶液浓度降低变为稀溶液。稀溶液由溶液泵加压进入发生器，在发生器中溶液不断气化，溴化锂稀溶液变为浓溶液，然后经第一节流阀降压后进入吸收器，与第二蒸发器的冷却水换热，从而开始下一个循环。
从发生器出来的地热给水进入板式换热器中，与直接热利用系统末端装置(生活热水)的回水进行热交换，此时第八阀门开启、第九阀门关闭。生活热水进入热水储水箱11(在第四水泵入口前端有补水)，并由第四水泵加压回到板式换热器。第三水泵驱动生活热水在热水储水箱与系统之间循环流动。从板式换热器出来的地热尾水直接回灌至地热回灌井。

Claims (4)

1.一种基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，包括：蒸发器、汽轮机、发动机、冷凝器、水泵、工质泵、溶液泵、发生器、节流阀、吸收器、冷却塔、板式换热器、热水储水箱、压缩机以及阀门，
由第一蒸发器（1-1）的工质侧、汽轮机（2）、第一冷凝器（4-1）以及工质泵（3）通过管路按顺序连接、并包括发电机（14）以及第一水泵（5-1）组成有机朗肯循环发电系统；
由第二蒸发器（1-2）、第二节流阀（7-2）、第二冷凝器（4-2）、发生器（6）以及吸收器（8）按顺序连接、并包括第一节流阀（7-1）、溶液泵（15）、第二水泵（5-2）以及冷却塔（9）组成吸收式制冷系统；
由第三蒸发器（1-3）工质侧与压缩机（12）、第三冷凝器（4-3）以及第三节流阀（7-3）通过管路依次按顺序连接构成水源热泵机组，
其特征是：由板式换热器（10）、热水储水箱（11）、第四水泵（5-4）按顺序连接、热水储水箱（11）串接第三水泵（5-3）构成直接热利用系统，来自地热抽水井的供水管依次接入第一蒸发器（1-1）的水侧、发生器（6）、板式换热器（10）高温侧、第三蒸发器（1-3）的水侧后，经第六阀门（13-6）并联接至第一冷凝器（4-1）与第二蒸发器（1-2）的水侧进口，第一冷凝器（4-1）水侧出口管路经第七阀门（13-7）接至地热回灌井，板式换热器（10）低温侧出水分为二路：一路经第八阀门（13-8）接至热水储水箱（11）；另一路经第九阀门（13-9）接至直接热利用系统的末端装置后经第四水泵（5-4）返回板式换热器（10）的低温进水口，第一冷凝器（4-1）与第二蒸发器（1-2）的水侧之间依次串接第四阀门（13-4）、第五阀门（13-5）和第一水泵（5-1），第一蒸发器水侧进出口设有第一阀门（13-1）；发生器的进口、以及进出口之间分别设有第二和第三阀门（13-2、13-3）；板式换热器的进口、以及进出口之间分别设有第十和第十一阀门（13-10、13-11）；第三蒸发器出口与地热回灌井之间设有第十二阀门（13-12）。
2.按照权利要求1所述的基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，其特征是所述热泵机组第三冷凝器（4-3）的水侧串接第五水泵（5-5）组成间接热利用系统，第三冷凝器接至间接热利用系统的末端装置。
3.按照权利要求1所述的基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，其特征是所述地热抽水井的供水温度为90℃以上。
4.按照权利要求1或2所述的基于有机朗肯循环的中低温地热高效热电耦合联供系统，其特征是所述第一冷凝器（4-1）通过第四阀门（13-4）、第五阀门（13-5）、第六阀门（13-6）、第七阀门（13-7）完成不同运行工况的转换，冬季：第一阀门（13-1）、第二阀门（13-2）、第六阀门（13-6）、第七阀门（13-7）、第九阀门（13-9）、第十一阀门（13-11）开启；第三阀门（13-3）、第八阀门（13-8）、第十阀门（13-10）、第十二阀门（13-12）关闭，其他季节：第一阀门（13-1）、第四阀门（13-4）、第五阀门（13-5）、第八阀门（13-8）、第十阀门（13-10）、第十二阀门（13-12）开启；第六阀门（13-6）、第七阀门（13-7）、第九阀门（13-9）、第十一阀门（13-11）关闭。
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