一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置及联合循环系统

摘要

本发明提出一种温差发电‑有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置及联合循环系统。所述温差发电‑有机朗肯联合循环系统用于中低温地热流体，所述地热流体循环装置包括生产井、回注井、蒸发器、预热器、供给泵、膨胀机、发电机和温差发电模块。本发明将温差发电‑有机朗肯联合循环用于中低温地热发电，在引入TEG的情况下，尽可能的减小其对于系统带来的整体影响，使得各部分发电技术都处于最优的工作区间，大大提高了发电效率及系统寿命。同时，通过使用TEG组件为供给泵供电，使得系统“自给自足”，在紧急情况下最大程度的保证了被动安全性，对未来将温差发电‑有机朗肯联合循环系统使用于其他工况提供了有效借鉴。

说明书

技术领域

本发明属于热力学循环结构设计技术领域，尤其集中于地热能发电技术领域，特别是涉及一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置及联合循环系统。

背景技术

温差发电有机朗肯联合循环(TEG-ORC)对比传统有机朗肯循环具有效率更高，运行温度区间更广的优点，适用于地热发电，船舶尾气余热回收等环境友好型热能利用场景，随着TEG的热电材料性能的快速提高，TEG-ORC联合循环受到越来多人的关注。该系统具体结构设计可分为热源部分、有机朗肯循环部分和温差发电器件。在当前常见的温差发电-有机朗肯联合循环系统结构设计上，当热源为内燃机废气等温度较高时，TEG-ORC联合循环中TEG主要置于ORC循环之前来降低热源温度到ORC适合的范围，如图1所示。然而，此系统在引入TEG后会影响原有的ORC系统性能，提高TEG的性能需要提高其冷热两端换热能力，增强TEG的换热能力通常会增大流动阻力，在TEG-ORC联合循环中，会加大ORC工质的流动阻力和循环泵的能量消耗，系统整体的寿命及紧急情况下的被动安全性有待提高。同时，对于基于中低温(90-200℃)地热流体的温差发电-有机朗肯联合循环中，由于热源温度已处于ORC工质可行温度范围内，故不需要在的中低温热源下前置TEG来进行降温。将温差发电-有机朗肯联合循环用于中低温地热发电，能够实现能量的梯级利用，提高发电效率，另外，通过循环结构的组合和优化，使得每项发电技术都处于较优的温度工作区间，可提高系统整体的寿命及被动安全性。鉴于此，有必要提出一种新型的基于中低温地热流体的温差发电-有机朗肯联合循环系统。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置及联合循环系统。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置，所述温差发电-有机朗肯联合循环系统用于中低温地热流体，所述地热流体循环装置包括生产井、回注井、蒸发器、预热器、供给泵、膨胀机、发电机和温差发电模块；

所述生产井：用于在地热资源丰富的地区进行钻孔，通过循环泵抽取中低温地热流体；

所述回注井：用于在经过多级能量利用之后，通过工质泵将地热水重新注入地下，以保证地下水资源质量及数量；

所述蒸发器：用于有机工质通过在蒸发器中与地热流体进行非混合高温热交换，从液体转变为可推动膨胀机的气体；

所述预热器：用于经过蒸发器中高温热交换的地热流体在蒸发器前对有机工质进行非混合低温热交换，达到预热效果，同时实现能量的多级利用；

所述供给泵：用于为有机朗肯循环中的有机工质提供循环动力；

所述膨胀机：用于气体有机工质通过膨胀降压放热，向外输出机械功，同时降低气体温度使其成为乏汽；

所述发电机：用于利用膨胀机输出的机械功带动发电，向外输出功率；

所述温差发电模块：由温差发电单元构成，实现温差发电，进一步实现能量多级利用，降低有机工质温度，向外输出功率。

进一步地，所述中低温为90-200℃。

进一步地，在所述地热流体循环装置中进行地热水循环，具体为：通过循环泵从生产井中将地热水抽出，经蒸发器与预热器分别进行高温热交换与低温热交换后，重新由循环泵通过回注井注入地下。

进一步地，在所述地热流体循环装置中进行有机工质循环，具体为：有机工质通过供给泵提高压强，同时获得循环动力，在预热器与蒸发器中分别进行低温热交换与高温热交换后汽化，经膨胀机降压、放热、做功后，输出机械功，然后作为温差发电模块热源，进一步实现能量的多级利用。

进一步地，在所述地热流体循环装置中进行功率输出，温差发电模块为供给泵进行能量供应。

进一步地，所述温差发电模块利用经过膨胀机后的乏汽作为热源，气体或冷水作为冷源。

进一步地，两次热交换过程和膨胀机做工过程遵从以下公式：

其中Q为地热流体对有机工质的热量输入，W为有机工质产生的机械功，

本发明还提出一种基于中低温地热流体的温差发电-有机朗肯联合循环系统，所述联合循环系统包括所述的地热流体循环装置、有机朗肯循环装置和温差发电器件。

进一步地，乏汽沿管路流至温差发电模块作为热源，冷却循环中使用空气或冷水作为冷源，进行温差发电，进一步降低乏汽温度并实现能量多级利用，TEG组件热、冷两端热流关系为：

TEG内热场和电场之间相互耦合的关系如下所示：

TEG功率输为：

P＝(α

TEG效率为：

进一步地，温差发电模块产生的电能将用于供给泵的能量消耗以保证系统能量消耗的独立，增强其在紧急情况下的被动安全性，最后乏汽通过工质泵再次加压，进入之后的循环。

本发明的有益效果为：

本发明将温差发电-有机朗肯联合循环用于中低温地热发电，在引入TEG的情况下，尽可能的减小其对于系统带来的整体影响，使得各部分发电技术都处于最优的工作区间，大大提高了发电效率及系统寿命。同时，通过使用TEG组件为供给泵供电，使得系统“自给自足”，在紧急情况下最大程度的保证了被动安全性，对未来将温差发电-有机朗肯联合循环系统使用于其他工况提供了有效借鉴。

附图说明

图1为常见的温差发电-有机朗肯联合循环系统结构图；

图2为本发明中的基于中低温地热流体的温差发电-有机朗肯联合循环系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图2，本发明提出一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置，所述温差发电-有机朗肯联合循环系统用于中低温地热流体，所述地热流体循环装置包括生产井、回注井、蒸发器、预热器、供给泵、膨胀机、发电机和温差发电模块；

所述生产井：用于在地热资源丰富的地区进行钻孔，通过循环泵抽取中低温地热流体；

所述回注井：用于在经过多级能量利用之后，通过工质泵将地热水重新注入地下，以保证地下水资源质量及数量；

所述蒸发器：用于有机工质通过在蒸发器中与地热流体进行非混合高温热交换，从液体转变为可推动膨胀机的气体；

所述预热器：用于经过蒸发器中高温热交换的地热流体在蒸发器前对有机工质进行非混合低温热交换，达到预热效果，同时实现能量的多级利用；

所述供给泵：用于为有机朗肯循环中的有机工质提供循环动力；

所述膨胀机：用于气体有机工质通过膨胀降压放热，向外输出机械功，同时降低气体温度使其成为乏汽；

所述发电机：用于利用膨胀机输出的机械功带动发电，向外输出功率；

所述温差发电模块：由温差发电单元构成，实现温差发电，进一步实现能量多级利用，降低有机工质温度，向外输出功率。

所述中低温为90-200℃。

在所述地热流体循环装置中进行地热水循环，具体为：通过循环泵从生产井中将地热水抽出，经蒸发器与预热器与有机工质分别进行高温热交换与低温热交换后，重新由循环泵通过回注井注入地下。

在所述地热流体循环装置中进行有机工质循环，具体为：有机工质通过供给泵提高压强，同时获得循环动力，在预热器与蒸发器中分别进行低温热交换与高温热交换后汽化，经膨胀机降压、放热、做功后，输出机械功，然后作为温差发电模块热源，进一步实现能量的多级利用。

在所述地热流体循环装置中进行功率输出，温差发电模块为供给泵进行能量供应。

所述温差发电模块利用经过膨胀机后的乏汽作为热源，气体或冷水作为冷源。

两次热交换过程和膨胀机做工过程遵从以下公式：

其中Q为地热流体对有机工质的热量输入，W为有机工质产生的机械功，

本发明还提出一种基于中低温地热流体的温差发电-有机朗肯联合循环系统，所述联合循环系统包括所述的地热流体循环装置、有机朗肯循环装置和温差发电器件。

乏汽沿管路流至温差发电模块作为热源，冷却循环中使用空气或冷水作为冷源，进行温差发电，进一步降低乏汽温度并实现能量多级利用，TEG组件热、冷两端热流关系为：

TEG内热场和电场之间相互耦合的关系如下所示：

TEG功率输为：

P＝(α

TEG效率为：

温差发电模块产生的电能将用于供给泵的能量消耗以保证系统能量消耗的独立，增强其在紧急情况下的被动安全性，最后乏汽通过工质泵再次加压，进入之后的循环。

以上对本发明所提出的一种温差发电-有机朗肯联合循环系统的地热流体循环装置及联合循环系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。