中高温热源闪蒸-有机朗肯循环的热水联合发电测试系统

摘要

本发明公开了一种中高温热源闪蒸-有机朗肯循环的热水联合发电测试系统，该系统由热源子系统、冷源子系统、闪蒸循环发电子系统以及有机朗肯循环发电子系统构成。本发明的优点是：可以灵活地实现热水闪蒸循环发电系统、热水有机朗肯循环发电系统和两种循环的联合发电系统的切换测试；可以实现180℃以下、80kW以下小型中高温热源的有机朗肯循环发电系统的性能测试；可以实现不同循环的发电系统冷源和热源的共用，有效地降低了实验成本和占地面积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电循环测试系统，更具体地说，本发明涉及一种用于调 节和测试中高品位热源闪蒸发电系统、有机朗肯循环发电系统及其联合发电系 统的综合测试系统。

背景技术

近年来，地热能因其独特的稳定性及其广泛的分布性，受到了世界各国 学者的广泛关注。我国对于中、低温地热资源的直接利用规模一直位列全球 第一，而地热发电的规模则相对滞后。截至2014年底，我国地热直接利用的装 机容量高达17870MW，居世界首位。然而，地热发电方面，美国地热发电累计 装机已达到3150MW，而我国地热发电装机仅有27MW(目前正常运行的地热发电 站只有广东丰顺和西藏羊八井等几处)，与国外相比还有很大差距。因此，开发 适用于我国技术经济特点的可开采的中低温地热能，具有广泛且现实的意义。

一般的地热发电循环形式主要以闪蒸循环和有机朗肯循环为主，这类单级 利用系统存在地热水利用率低、系统发电产率低的问题，而地热闪蒸-有机朗 肯循环联合发电系统则能解决此问题，因此，在近几年内受到广泛关注。理论 研究表明，目前地热闪蒸-有机朗肯循环联合发电系统的电力产率可比单级闪 蒸或单级有机朗肯循环发电系统高出约20％。但实验研究缺乏，相对应的工程 验证尚属空白。

因此，搭建一种地热闪蒸循环和有机朗肯循环联合发电系统的测试系统，并 在灵活、高效且成本受约束的要求下，探究该联合系统运行参数和系统输出特 性之间的耦合关系，对我国地热能的发电利用将产生较大的影响。

发明内容

本发明的目的就是针对以上现有技术的情况，提供一种中高温热源闪蒸-有 机朗肯循环的热水联合发电测试系统，进而探究闪蒸发电系统、有机朗肯发电 系统及其构成的联合系统的发电特性。

本发明的技术方案是：

一种中高温热源闪蒸-有机朗肯循环的热水联合发电测试系统，包括热源子 系统、冷源子系统、闪蒸循环发电子系统和有机朗肯循环发电子系统，其中：

所述的热源子系统包括热水锅炉、第一热水泵、闪蒸器、蒸发器、预热器第 一、第二截止阀以及热水流量、温度、压力测量装置；所述热水锅炉产生的高 温高压热水通过第一截止阀进入闪蒸器或者通过第二截止阀进入蒸发器和预热 器，热水经过放热降温后经过第一热水泵重新泵入所述的热水锅炉加热，构成 热源水路的循环；

所述的冷源子系统包括冷却塔、冷却泵、凝汽器、冷凝器以及冷却水流量、 温度测试装置；所述冷却塔的回水经过与空气换热降温后由冷却泵供入对应 的凝汽器和冷凝器；

所述的闪蒸发电子系统包括闪蒸器、第一膨胀机、第一发电机、凝汽器、真 空泵、蒸发器、预热器、第一、第三、第八截止阀以及温度、压力、流量测试 装置；其独立运行的控制流程为：所述热水锅炉产生的高温高压热水通过第一 截止阀进入闪蒸器并在闪蒸器内部产生饱和蒸汽，饱和蒸汽经过第三截止阀进 入第一膨胀机膨胀做功并带动第一发电机发电，膨胀做功后的乏汽通过第八截 止阀进入凝汽器，被来自冷却塔的冷却水冷却降温为液态水并依靠其本身重力 通过管道供入冷却塔，所述的闪蒸器和凝汽器依靠与其连接的真空泵维持和调 控闪蒸压力和冷凝压力，经过闪蒸后的热水依次经过蒸发器和预热器由第一热 水泵泵入热水锅炉重新吸热；

所述的有机朗肯循环发电子系统包括预热器、蒸发器、第二膨胀机、第二 发电机、第二截止阀、第四截止阀、第七截止阀、第九截止阀、冷凝器、工质 泵、工质罐以及温度、压力和流量测试装置；其独立运行时的控制流程为：所 述热水锅炉产生的高温高压热水通过第二截止阀依次进入蒸发器和预热器作为 热源加热来自工质泵的液体有机工质，液态有机工质吸热后变为高温高压下的 有机蒸汽，有机蒸汽通过第四截止阀进入第二膨胀机做功并带动第二发电机发 电，膨胀后的低压状态有机蒸汽通过第九截止阀进入冷凝器被冷却水冷却成低 压状态下的饱和液体，饱和液体进入工质罐缓冲储存，达到一定液位后被工质 经第七截止阀重新泵入预热器和蒸发器实现有机工质的循环；

所述的闪蒸-有机朗肯联合发电系统同时包括上述闪蒸循环发电系统和有 机朗肯循环发电系统；当联合发电系统运行时，其控制流程为：第二截止阀 关闭，第一截止阀开启，且其余的截止阀全部开启；所述的热水锅炉产生的 高温高压热水首先通过第一截止阀进入闪蒸循环发电系统的闪蒸器，经过节 流降压降温后产生的蒸汽通过第三截止阀进入第一膨胀机并带动第一发电机 发电，剩余的液态水通过第二热水泵供入有机朗肯循环发电系统，并依次进 入有机朗肯循环的蒸发器和预热器作为热源加热所述蒸发器和预热器内部的 液体有机工质，产生的高压有机蒸汽通过第四截止阀进入第二膨胀机做功并 带动第二发电机发电；经过蒸发器和预热器吸热后的热水通过第一热水泵泵 入所述的热水锅炉重新被加热和用于再次循环，由冷却塔产生的冷却水供入 闪蒸循环发电系统的凝汽器并同时通过第十、第十一截止阀进入有机朗肯循 环发电子系统的冷凝器。

在以上设置中：

所述的热水锅炉由10组8kW的电加热组件构成，其台额定功率为80kW、 最高热水加热温度为180℃。

所述的冷却塔为15T的填料类开式冷却塔。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)可以灵活地实现热水闪蒸循环发电系统、热水有机朗肯循环发电系 统和两种循环的联合发电系统的切换测试；

(2)可以实现180℃以下、80kW以下小型中高温热源的有机朗肯循环发 电系统的性能测试；

(3)可以实现不同循环的发电系统冷源和热源的共用，有效地降低了实 验成本和占地面积。

附图说明

附图是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明 的技术方案作以详细说明。

参照附图，本发明的中高温热源闪蒸-有机朗肯循环的热水联合发电测试系 统，由热源子系统、冷源子系统、闪蒸循环发电子系统和有机朗肯循环发电子 系统组成，其中：

所述的热源子系统主要包括一台额定功率为80kW、最高热水加热温度为 180℃的模块化移动式的热水锅炉1，辅助设备为第一热水泵2及热水流量、温 度、压力测量装置。具体流程为：热水锅炉1产生的高温高压热水，进入闪蒸发 电子系统的闪蒸器14或者进入有机朗肯循环发电系统的蒸发器8和预热器3，热 水经过放热降温后，经过第一热水泵2重新泵入所述的热水锅炉1加热，构 成热源水路的循环。所述的热水锅炉1由10组8kW的电加热组件构成，因此可 以根据实验要求，灵活实现不同热源功率下的热源规模的快速调整。

所述的冷源子系统主要包括一台开式冷却塔7，辅助设备为冷却泵17及其 流量、温度测试装置。所述的冷却塔7为15T的填料类的开式冷却塔，其回水 经过与空气换热降温后(额定温降为5℃)由所述的冷却泵17根据流量需求及 发口开启状态供入对应的闪蒸发电子系统的凝汽器12和有机朗肯循环发电系 统的冷凝器6。

所述的闪蒸发电子系统包括一台闪蒸器14、第一膨胀机15、凝汽器12、真 空泵11及其温度、压力、流量的测试装置。当闪蒸发电子系统独立运行时，基 本的控制流程为：第一截止阀01、第三截止阀03开启，第二截止阀02关闭，由 热水锅炉产生的高温高压热水进入闪蒸器14，在闪蒸器14内部经过节流降 压降温后，产生的对应压力下的饱和蒸汽进入第一膨胀机15膨胀做功并带动 第一发电机16发电；此时第八截止阀08开启，膨胀做功后的乏汽进入凝汽器 12，被来自冷却塔7的冷却水冷却降温为液态水；随后，这些冷却水依靠其本 身重力通过管道供入冷却塔7，作为冷却塔7的补水，所述的闪蒸器14和凝汽 器12则依靠与其连接的真空泵11维持和调控闪蒸压力和冷凝压力；经过闪蒸 后的热水依次经过有机朗肯循环的蒸发器8和冷凝器6由第一热水泵泵入热水 锅炉1重新吸热。此时，有机朗肯循环发电系统不运行，其内部的第四截止阀 04、第五截止阀05、第六截止阀06、第七截止阀07、第九截止阀09关闭。

所述的有机朗肯循环发电子系统包括预热器3、蒸发器8、第二膨胀机9、冷 凝器6、工质泵4、工质罐5及其温度、压力和流量测试装置。当有机朗肯循环 发电子系统独立运行时，基本的控制流程为：第二截止阀02开启，第一截止阀 01关闭，所述的热水锅炉1产生的高温高压热水，直接依次进入有机朗肯循环 的蒸发器8和预热器3，作为热源加热所述的蒸发器8和预热器3内部的液体 有机工质，液体有机工质吸热后，变为高温高压下的有机蒸汽(此时，第四截 止阀04开启)，随后，有机蒸汽进入有机朗肯循环系统的第二膨胀机9，推动 第二膨胀机9并带动第二发电机18发电；经过所述膨胀机9膨胀后的有机蒸 汽变为低压状态下的有机蒸汽(此时，第九截止阀09开启)随后进入冷凝器 6被冷却水冷却成低压状态下的饱和液体，饱和液体进入工质罐5进行缓冲储 存，达到一定液位后被工质泵4重新泵入预热器3和蒸发器8(此时，第六截 止阀06、第七截止阀07开启)，实现有机工质的循环。经过所述冷凝器6吸 收有机蒸汽的热量后，来自冷却塔7的较低温度的冷却水重新通过冷却水泵 17泵入冷却塔7，并在所述的冷却塔7中与空气进行换交换后，重新泵入冷 凝器6，实现冷却水的循环。此时，闪蒸循环发电系统不运行，其内部的第三 截止阀03、第八截止阀08关闭。

所述的闪蒸-有机朗肯联合发电系统同时包括上述闪蒸循环发电系统和有机 朗肯循环发电系统。当联合发电系统运行时，基本的控制流程为：第二截止阀 02关闭，第一截止阀01开启，且其余的截止阀全部开启；所述的热水锅炉1 产生的高温高压热水首先进入闪蒸循环发电系统的闪蒸器14，经过节流降压降 温后产生的蒸汽进入第一膨胀机15进行发电，而剩余的液态水，则通过第二热 水泵13供入有机朗肯循环发电系统，依次进入有机朗肯循环的蒸发器8和预热 器3，作为热源加热蒸发器8和预热器3内部的液体有机工质，产生的高压高 温有机蒸汽进入第二膨胀机9做功发电；经过蒸发器8和预热器3吸热后的热 水通过第一热水泵2泵入所述的热水锅炉1，重新被加热用于实现循环。此时 由冷却塔7产生的冷却水供入闪蒸循环发电系统的凝汽器12并同时通过第十截 止阀010和第十一截止阀011进入有朗肯循环的冷凝器6。

本发明的特点是：

(1)针对不同的地热能发电方式，可以灵活的实现热水闪蒸发电系统、热 水有机朗肯循环发电系统或者两者联合系统的切换测试，模拟和分析不同温度 品位下的地热水发电方式的优劣，探究联合系统闪蒸温度与联合系统发电性能 之间的耦合关系；

(2)直接采用高温热水为热源，相比于目前有机朗肯循环试验台大多 采用导热油为中间介质的实验系统，省去了中间导热油回路，更加具有实用 性，可实现180℃以下、80kW以下热源品位的热水有机朗肯循环发电子系统 的性能测试；

(3)可以实现不同发电系统冷源和热源的共用，有效地降低了实验成本 和占地面积。

本发明通过系统中各个阀门的开启或关闭，同时实现闪蒸循环发电系 统、有机朗肯循环发电系统和闪蒸有机朗肯循环联合发电系统的测试试验，冷 热源共用实现不同目的的测试试验，有效地节省了系统空间和系统设备成 本，同时，热源直接采用承压热水锅炉，减少了导热油中间回路的复杂性，能 够在保证实验精度的条件下，实现试验系统功能的最大化。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没 有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特 征的设置方式均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设 计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节 变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。