基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統的製作方法

2023-08-05 09:08:26 1

專利名稱：基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於可再生能源利用，具體涉及一種與有機郎肯循環、吸收式製冷和地熱尾水利用相耦合的熱能綜合利用系統。
背景技術：
有機朗肯循環是用有機物代替水作為工質的朗肯動力循環，它利用中低品位熱能來加熱有機工質，使其產生蒸汽，後推動汽輪機發電機組發電。有機朗肯循環(ORC)系統的熱源溫度通常在90°C以上，發電後地熱水溫度一般高於75°C，若該部分能量不經利用而直接回灌，會產生很大的浪費，因此通過合理利用地熱水可以提高發電效率和系統的技術經濟性。而冬季室外氣溫較低，發電系統的冷凝溫度也較低，發電效率較高；又因此時熱需求巨大，地熱水利用效率較高。在其他季節，情況正好相反，尤其是夏季，由於環境溫度高，發電效率低，熱需求較冬季小，因而回灌溫度高，地熱利用效率低。此外，環境溫度晝夜及季節性變化，使系統運行狀態瞬時變化，這嚴重影響設備使用壽命。所以如何解決上述問題便成為中低溫地熱資源利用領域的熱點和焦點。本系統正是針對上述問題而開發的，它可以有效克服上述缺點，提高地熱發電效率、系統運行穩定性及地熱水綜合利用效率。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，以彌補春夏秋三季中低溫地熱發電系統效率較低、運行工況多變和地熱綜合利用效率低的缺陷，達到提高發電效率、運行的穩定性及提升地熱綜合利用效率等目的。為了實現上述目標，本發明採取了下述技術解決方案一種基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，包括蒸發器、汽輪機、發動機、冷凝器、水泵、工質泵、 溶液泵、發生器、節流閥、吸收器、冷卻塔、板式換熱器、熱水儲水箱、壓縮機以及閥門等。由第一蒸發器的工質側、汽輪機、第一冷凝器以及工質泵通過管路按順序連接、並包括發電機以及第一水泵組成有機朗肯循環發電系統；由第二蒸發器、第二節流閥、第二冷凝器、發生器以及吸收器按順序連接、並包括第一節流閥、溶液泵、第二水泵以及冷卻塔組成吸收式製冷系統；由第三蒸發器工質側與壓縮機、第三冷凝器以及第三節流閥通過管路依次按順序連接構成水源熱泵機組；由板式換熱器、熱水儲水箱、第四水泵按順序連接、熱水儲水箱串接第三水泵構成直接熱利用系統。由熱泵機組第三冷凝器的水側串接第五水泵組成間接熱利用系統。在系統連接上來自地熱抽水井的供水管依次接入第一蒸發器(進水側)、發生器、板式換熱器高溫側、第三蒸發器的水側後，經第六閥門並聯接至第一冷凝器與第二蒸發器的水側進口。第一冷凝器水側出口管路經第七閥門接至地熱回灌井。板式換熱器低溫側出水分為二路一路經第八閥門接至熱水儲水箱；另一路經第九閥門接至直接熱利用系統的末端裝置後經第四水泵返回板式換熱器的低溫進水口。第一冷凝器與第二蒸發器的水側之間依次串接第四閥門、第五閥門和第一水泵。本發明的主要技術結構體現在通過地熱供水管路將0RC、吸收式製冷、直接熱利用和間接熱利用這四個系統串接起來，如何通過相應閥門的切換達到提高發電效率、保持系統運行的穩定性以及提升地熱綜合利用效率的目的。採用地熱尾水和吸收式制冷機組的冷凍水分別作為冬季和其它季節發電系統的冷源，以取代冷卻塔。這樣可降低發電系統的冷凝溫度，從而提高機組的發電效率，使系統(免受環境溫度瞬態變化)穩定運行。將ORC 系統發電後的地熱水又作為(冬季直接和間接兩級熱利用，其它季節僅直接熱利用)熱源， 由此可以更好提升地熱資源利用率。本發明的特點以及產生的有益效果是，本發明與傳統的單一地熱發電系統和地熱熱利用系統相比(1)採用地熱尾水作為冬季發電系統的冷源，與冷卻塔不同，地熱尾水靠餘壓驅動，節省了運行能耗，由於系統為閉式循環，運行過程中不需要補水，減少了水資源消耗。(2)採用地熱尾水作為熱利用系統的熱源，符合節能減排的要求，有利於環保。(3)採用吸收式制冷機組製取冷凍水作為非冬季發電系統的冷源，不同於現有發電系統採用冷卻塔作為冷源。冷凍水溫度低可提高發電效率，且免受環境溫度多瞬態變化的影響，使系統運行工況穩定，提高了設備的使用壽命。(4)採用熱電耦合聯供系統，合理科學的利用地熱資源，最大限度利用地熱水中的熱量，除提高了地熱水的利用效率和技術經濟性外，對於緩解電力供需矛盾和減少汙染物排放，具有十分顯著的效果。


圖1為本發明系統原理以及部件連接示意圖。圖2為本發明冬季工況運行時系統原理以及部件連接示意圖。圖3為本發明非冬季工況運行時系統原理以及部件連接示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖以及實施例對本發明的原理以及部件連接結構作進一步的說明。需要說明的是，本實施例是敘述性的，而不是限定性的，不以此實施例限定本發明的保護範圍。基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統(如圖1)，由第一蒸發器 1-1的工質側、汽輪機2、第一冷凝器4-1以及工質泵3通過管路按順序連接、並包括發電機 14以及第一水泵5-1組成有機朗肯循環發電系統。由第二蒸發器1-2、第二節流閥7-2、第二冷凝器4-2、發生器6以及吸收器8按順序連接、並包括第一節流閥7-1、溶液泵15、第二水泵5-2以及冷卻塔9組成吸收式製冷系統。由板式換熱器10、熱水儲水箱11、第四水泵 5-4按順序連接、熱水儲水箱11串接第三水泵5-3構成直接熱利用系統。由第三蒸發器1-3 工質側與壓縮機12、第三冷凝器4-3以及第三節流閥7-3通過管路依次按順序連接構成水源熱泵機組。熱泵機組第三冷凝器的水側串接第五水泵5-5組成間接熱利用系統。地熱抽水井的供水溫度為90°C以上。來自地熱抽水井的供水管依次接入第一蒸發器1-1的水側、發生器6、板式換熱器10高溫側、第三蒸發器1-3的水側後，經第六閥門13-6並聯接至第一冷凝器4-1與第二蒸發器1-2的水側進口。第一冷凝器4-1水側出口管路經第七閥門13-7接至地熱回灌井。板式換熱器10低溫側出水分為二路一路經第八閥門13-8接至熱水儲水箱11 ；另一路經第九閥門13-9接至直接熱利用系統的末端裝置後， 經第六水泵5-6返回板式換熱器10的低溫進水口。第一冷凝器4-1與第二蒸發器1-2的水側之間依次串接第四閥門13-4、第五閥門13-5和第一水泵5-1。第三冷凝器的水側接至間接熱利用系統的末端裝置。第一蒸發器1-1水側進出口設有第一閥門13-1 ；發生器6的進口、以及進出口之間分別設有第二和第三閥門；板式換熱器10的進口、以及進出口之間分別設有第十和第十一閥門；第三蒸發器1-3出口與地熱回灌井之間設有第十二閥門13-12。第一冷凝器4-1 通過第四、第五、第六、第七閥門完成不同運行工況的轉換。冬季第一、第三、第四、第五、第八閥門關閉；第二、第六、第七、第九閥門開啟(如圖幻。其他季節第一、第三、第四、第五、 第八閥門開啟；第二、第六、第七、第九閥門關閉(如圖3)。本發明系統的實施過程冬季工況(如圖2)，採用地熱尾水作為發電系統的冷源，發電後的地熱水經過直接和間接兩級熱利用系統第一、第二、第六、第七、第九、第十一閥門開啟；第三、第八、第十、第十二閥門關閉。第一閥門關閉，地熱給水首先進入第一蒸發器與工質進行換熱，使得工質由液態成為過熱蒸氣推動汽輪機膨脹做功，驅動發電機產生電能。做功後的乏氣在第一冷凝器中被(溫度較低的)地熱尾水冷凝為液體。此時第四和第五閥門關閉、第六和第七閥門開啟， 循環工質經工質泵加壓後流回到第一蒸發器，開始下一個循環。第一蒸發器(發電後)的地熱水進入直接熱利用系統。此時第二、第九閥門開啟、第三、第八閥門關閉。地熱水進入板式換熱器與直接熱利用系統的末端裝置(採暖系統)的回水進行熱量交換，採暖系統的循環水由第四水泵5-4 驅動。地熱水經過直接熱利用系統後，進入間接熱利用系統中的水源熱泵機組。此時第十閥門關閉、第十一閥門開啟，地熱水在第三蒸發器中，與水源熱泵中的循環工質進行熱交換。循環工質吸熱汽化經壓縮機後變為高溫高壓的氣體，工質的熱量在第三冷凝器中釋放給間接熱利用系統末端裝置(採暖系統)的回水。循環工質經第三節流閥降壓後，再進入第三蒸發器開始下一循環。間接熱利用系統的採暖回水被第三冷凝器加熱升溫，作為間接熱利用系統的熱源，由第五水泵驅動提供給熱用戶。此時第三蒸發器出口(地熱水)的溫度較低，是發電系統理想的冷源。此時第六、第七閥門開啟，第十二閥門關閉，地熱水又作為 ORC系統的冷源進入第一冷凝器，吸收熱量後返回地熱水回灌井。非冬季工況(如圖3)採用吸收式制冷機組製取的冷凍水作為發電系統的冷源， 發電後的地熱水依次經過吸收式製冷系統和直接熱利用系統第一、第四、第五、第八、第十、第十二閥門開啟；第六、第七、第九、第十一閥門關閉。地熱給水進入第一蒸發器與工質進行換熱，使工質由液態成為過熱蒸氣推動汽輪機膨脹做功，驅動發電機產生電能。做功後的乏氣在第一冷凝器中(與吸收式製冷系統的冷凍水換熱)冷凝為液體，冷凍水由第一水泵驅動。循環工質經工質泵加壓回到第一蒸發器開始下一個循環。
與冬季工況不同的是，由於第一閥門開啟，使得一小部分地熱給水經旁路(第一) 閥門與第一蒸發器出口的地熱水混合後進入發生器，對(濃度較低的)溴化鋰溶液進行加熱，沸騰形成一定壓力和濃度的水蒸汽，進入第二冷凝器，被冷卻塔排出的冷卻水，冷凝為液體。然後經第二節流閥節流後進入第二蒸發器，吸收ORC系統冷卻水的熱量而汽化。氣化後的溶液水蒸汽進入吸收器中被溴化鋰濃溶液吸收，溴化鋰溶液濃度降低變為稀溶液。稀溶液由溶液泵加壓進入發生器，在發生器中溶液不斷氣化，溴化鋰稀溶液變為濃溶液，然後經第一節流閥降壓後進入吸收器，與第二蒸發器的冷卻水換熱，從而開始下一個循環。從發生器出來的地熱給水進入板式換熱器中，與直接熱利用系統末端裝置(生活熱水)的回水進行熱交換，此時第八閥門開啟、第九閥門關閉。生活熱水進入熱水儲水箱 11 (在第四水泵入口前端有補水)，並由第四水泵加壓回到板式換熱器。第三水泵驅動生活熱水在熱水儲水箱與系統之間循環流動。從板式換熱器出來的地熱尾水直接回灌至地熱回灌井。
權利要求
1.一種基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，包括蒸發器、汽輪機、發動機、冷凝器、水泵、工質泵、溶液泵、發生器、節流閥、吸收器、冷卻塔、板式換熱器、熱水儲水箱、壓縮機以及閥門，由第一蒸發器(1-1)的工質側、汽輪機O)、第一冷凝器以及工質泵C3)通過管路按順序連接、並包括發電機(14)以及第一水泵(5-1)組成有機朗肯循環發電系統；由第二蒸發器(1-2)、第二節流閥(7-2)、第二冷凝器0-2)、發生器(6)以及吸收器 (8)按順序連接、並包括第一節流閥(7-1)、溶液泵(15)、第二水泵(5- 以及冷卻塔(9)組成吸收式製冷系統；由第三蒸發器(1- 工質側與壓縮機(12)、第三冷凝器G-3)以及第三節流閥(7-3) 通過管路依次按順序連接構成水源熱泵機組，其特徵是由板式換熱器(10)、熱水儲水箱(11)、第四水泵(5-4)按順序連接、熱水儲水箱(11)串接第三水泵(5- 構成直接熱利用系統，來自地熱抽水井的供水管依次接入第一蒸發器(1-1)的水側、發生器(6)、板式換熱器(10)高溫側、第三蒸發器(1- 的水側後， 經第六閥門(13-6)並聯接至第一冷凝器(4-1)與第二蒸發器(1- 的水側進口，第一冷凝器水側出口管路經第七閥門(13-7)接至地熱回灌井，板式換熱器(10)低溫側出水分為二路一路經第八閥門(13-8)接至熱水儲水箱(11)；另一路經第九閥門(13-9)接至直接熱利用系統的末端裝置後經第四水泵(5-4)返回板式換熱器(10)的低溫進水口，第一冷凝器(4-1)與第二蒸發器(1-2)的水側之間依次串接第四閥門(13-4)、第五閥門(13-5) 和第一水泵(5-1)。
2.按照權利要求1所述的基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，其特徵是所述第一蒸發器(1-1)水側進出口設有第一閥門(13-1)；所述發生器(6)的進口、 以及進出口之間分別設有第二和第三閥門(13-2、13-；3)；所述板式換熱器(10)的進口、以及進出口之間分別設有第十和第十一閥門(13-10、13-11)；所述第三蒸發器(1-3)出口與地熱回灌井之間設有第十二閥門(13-12)。
3.按照權利要求1所述的基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，其特徵是所述熱泵機組第三冷凝器G-3)的水側串接第三水泵(5- 組成間接熱利用系統， 第三冷凝器接至間接熱利用系統的末端裝置。
4.按照權利要求1所述的基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，其特徵是所述地熱抽水井的供水溫度為90°C以上。
5.按照權利要求1或2所述的基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統，其特徵是所述第一冷凝器通過第四閥門(13-4)、第五閥門(13-5)、第六閥門(13-6)、第七閥門(13-7)完成不同運行工況的轉換，冬季第一閥門(13-1)、第二閥門(13-2)、第六閥門(13-6)、第七閥門(13-7)、第九閥門(13_9)、第i^一閥門(13-11)開啟；第三閥門(13-3)、第八閥門(13-8)、第十閥門(13-10)、第十二閥門(13-12)關閉，其他季節第一閥門(13-1)、第四閥門(13-4)、第五閥門(13-5)、第八閥門(13_8)、第十閥門 (13-10)、第十二閥門(13-12)開啟；第六閥門(13-6)、第七閥門(13_7)、第九閥門(13_9)、 第十一閥門(13-11)關閉。
全文摘要
本發明涉及一種基於有機朗肯循環的中低溫地熱高效熱電耦合聯供系統。主要技術結構體現在通過地熱供水管路將ORC、吸收式製冷、直接和間接熱利用這四個系統串接起來。具體是地熱供水依次接入第一蒸發器、發生器、板式換熱器、第三蒸發器後，並聯接至第一冷凝器與第二蒸發器的進口，第一冷凝器出水接至地熱回灌井。板式換熱器低溫側出水分為二路一路接至熱水儲水箱；另一路接至直接熱利用系統的末端裝置後由水泵返回板式換熱器的低溫進水口。第一冷凝器與第二蒸發器的水側之間依次串接有閥門和水泵。本發明採用地熱尾水作為熱源，符合節能減排的要求，有利於環保。除提高了地熱資源的利用效率外，對減少汙染物排放，也具有顯著效果。
文檔編號F03G4/00GK102562496SQ201210014170
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者張偉, 朱家玲, 李太祿 申請人:天津大學