阅读说明：本技术 一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统 (Geothermal energy power generation system based on full flow and triangular flash cycle coupling ) 是由 王增丽 周宏洋 王青阳 袁麒镇 张泉 丁承文 朱澳 吕越 姚天宇 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统,包括全流循环系统和三角闪蒸循环系统；全流循环系统包括中高温膨胀机和换热器,地热井、中高温膨胀机、换热器和回灌井通过管道依次连接,管道近地热井一侧设置有节流阀,近中高温膨胀机进口端一侧设置有截止阀,近换热器进口端一侧设置有温度传感器；三角闪蒸循环系统包括变频工质泵、闪蒸罐、两相膨胀机和冷凝器,冷凝器的出口端与变频工质泵、换热器、闪蒸罐和两相膨胀机依次相连,两相膨胀机出口端与冷凝器进口端相连接,形成闭合回路。本发明减少了系统间的换热损失,有效解决了因地热能不稳定导致膨胀机效率波动的问题,提高了地热能利用率。(The invention provides a geothermal energy power generation system based on full flow and triangular flash evaporation cycle coupling, which comprises a full flow cycle system and a triangular flash evaporation cycle system; the full-flow circulating system comprises a medium-high temperature expander and a heat exchanger, the geothermal well, the medium-high temperature expander, the heat exchanger and the recharge well are sequentially connected through a pipeline, a throttling valve is arranged on one side of the pipeline close to the geothermal well, a stop valve is arranged on one side close to the inlet end of the medium-high temperature expander, and a temperature sensor is arranged on one side close to the inlet end of the heat exchanger; the triangular flash evaporation circulating system comprises a variable frequency working medium pump, a flash evaporation tank, a two-phase expansion machine and a condenser, wherein the outlet end of the condenser is sequentially connected with the variable frequency working medium pump, a heat exchanger, the flash evaporation tank and the two-phase expansion machine, and the outlet end of the two-phase expansion machine is connected with the inlet end of the condenser to form a closed loop. The invention reduces the heat exchange loss among systems, effectively solves the problem of the fluctuation of the efficiency of the expansion machine caused by the instability of geothermal energy, and improves the utilization rate of the geothermal energy.)

一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统

技术领域

本发明涉及地热能利用领域，具体涉及一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统。

背景技术

目前世界资源紧缺情况较为突出，虽然煤、石油、天然气等传统资源的利用率较高，但也存在污染环境、无法再生等难以解决的问题。我国作为能源消耗大国，更加需要重视资源的利用情况，近年来随着我国越来越重视生态环境的保护，加上以可持续发展战略作为依托，对于开发可再生清洁能源的研究也逐步迈入正轨。因此，提高清洁能源的利用率显得尤为重要。

可再生能源地热能属于低品位热源，按照地热能的温度可将其分为三个等级，即高温地热能(>423.15K)、中温地热能(363.15K～423.15K)和低温地热能(<363.15K)。地球内部储存有巨大的地热能量，据推算距离地球表面5km处、温度15℃以上的岩石和液体其总含热量约为14.5×10²⁵J，相当于4948万亿吨标准煤的热量。相对于其他可再生能源，地热能最大的特点是具有稳定性和连续性。近年来，地热能由于其自身优点越来越受到研究者的广泛关注及利用。地热能的利用直接减少了对于化石能源的使用，进而减少了因使用化石能源产生的环境污染物，从而在一定程度上减缓了我国能源需求增长与环境日益恶化之间的矛盾。

有机朗肯循环作为余热利用的主流循环之一，近年来很多学者致力于研究有机朗肯循环，但其热效率仍为20％左右，始终未得到突破性的提高，而其他新型的发电循环，例如闪蒸发电、干蒸汽发电等，即使利用地热能循环也无法大幅提升热效率从而难以投入商业利用。因此，目前研究人员将眼光放在循环的耦合上，由于有机朗肯循环使用的工质为低沸点有机工质，三角闪蒸循环使用的工质为两相流湿蒸汽，所需热源温度并不高，所以可以考虑作为底层循环，将顶层循环的余热继续利用，有效提升热源利用率，提高整个循环的工业利用价值。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统，该系统利用换热器将全流循环系统和三角闪蒸循环系统相耦合，充分利用全流循环系统膨胀做工后的汽化潜热提高三角闪蒸循环系统内的工质温度，促使三角闪蒸循环系统膨胀做工，实现对地热能的高效利用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统，包括全流循环系统和三角闪蒸循环系统；

所述全流循环系统包括中高温膨胀机和换热器，中高温膨胀机进口端通过管道与地热井相连接，靠近地热井一侧管道上设置有节流阀，中高温膨胀机出口端通过管道与换热器第一进口端相连接，靠近换热器第一进口端一侧管道上设置有温度传感器，换热器第一出口端与回灌井相连接；

所述三角闪蒸循环系统包括变频工质泵、闪蒸罐、两相膨胀机和冷凝器，变频工质泵进口端与冷凝器出口端相连接，变频工质泵出口端通过管道与换热器的第二进口端相连接，换热器的第二出口端通过管道与闪蒸罐进口端相连接，闪蒸罐出口端与两相膨胀机进口端相连接，两相膨胀机出口端与冷凝器进口端相连接，形成闭合回路；

所述中高温膨胀机和两相膨胀机均用于发电。

优选地，所述全流循环系统中，靠近中高温膨胀机一侧管道上设置有第一截止阀，三角闪蒸循环系统中，靠近闪蒸罐进口端一侧管道上设置有第二截止阀。

优选地，所述温度传感器用于测量进入换热器第一进口端的工质温度，变频工质泵用于调整进入换热器第二进口端的工质压力。

优选地，所述三角闪蒸循环系统中，闪蒸罐、两相膨胀机、冷凝器和变频工质泵通过管道依次连接。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明利用换热器将全流循环系统和三角闪蒸循环系统相耦合，降低了全流循环系统中回灌地热水的温度，无需在回灌井前设置冷凝器，降低了成本，利用换热器对三角闪蒸循环系统内的工质进行加热，充分利用了全流循环系统产生乏汽的汽化潜能，提高了热源利用率，从而提升了系统的整体热效率。

本发明采用中高温膨胀机和两相膨胀机，运行条件宽松，机器使用寿命长，全流循环系统内工质采用地热水，节能环保可再生，腐蚀性小，易于获得且安全性高，无需对工质进行特殊处理，并且无需将膨胀机进口端工质加热为干蒸汽，可直接利用气液混合物膨胀做工，同时，本发明通过将全流循环系统和三角闪蒸循环系统进行耦合，仅需设置一台换热器进行一次换热，保证了系统热效率不会因循环级数的增多而降低，减小了换热损失。

本发明利用温度传感器实时监测全流循环系统内中高温膨胀机的出口乏汽温度，配合三角闪蒸循环系统内的变频工质泵，使得三角闪蒸循环系统内的工质维持在该压力条件下饱和且不发生蒸发相变的状态，解决了因地热能不稳定易产生小幅度波动导致换热器的换热效果无法保持恒定的问题，为实现地热资源温度波动的自动控制提供了解决方案。

附图说明

图1为本发明地热能发电系统的结构示意图。

图中：1、节流阀，2、中高温膨胀机，3、换热器，4、闪蒸罐，5、两相膨胀机，6、冷凝器，7、变频工质泵，8、温度传感器，9、第一截止阀，10、第二截止阀。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统，如图1所示，包括全流循环系统和三角闪蒸循环系统。

全流循环系统包括中高温膨胀机2和换热器3，中高温膨胀机2用于发电，其进口端通过管道与地热井相连接，管道靠近地热井一侧设置有节流阀1，节流阀1用于对管道内的工质节流降压，管道靠近中高温膨胀机2进口端一侧设置有第一截止阀9，第一截止阀9用于在紧急情况或在故障排查检修过程中停止全流循环系统，中高温膨胀机2出口端通过管道与换热器3第一进口端相连接，靠近换热器3第一进口端一侧管道上设置有温度传感器8，温度传感器8用于监测中高温膨胀机2出口乏汽的温度，换热器3第一出口端通过管道与回灌井相连接。

三角闪蒸循环系统包括变频工质泵7、闪蒸罐4、两相膨胀机5和冷凝器6，闪蒸罐4、两相膨胀机5、冷凝器6和变频工质泵7通过管道依次连接，三角闪蒸循环系统内工质为纯水，变频工质泵7用于调整进入换热器3第二进口端的工质压力，变频工质泵7进口端与冷凝器6出口端相连接，变频工质泵7出口端通过管道与换热器3的第二进口端相连接，换热器3的第二出口端通过管道与闪蒸罐4进口端相连接，管道近闪蒸罐4进口端一侧设置有第二截止阀10，第二截止阀10用于在紧急情况或在故障排查检修过程中停止三角闪蒸循环系统，闪蒸罐4出口端与两相膨胀机5进口端相连接，两相膨胀机5用于发电，其出口端与冷凝器6进口端相连接，形成闭合回路。

本发明一种基于全流与三角闪蒸循环耦合的地热能发电系统的工作过程如下所示：通过管道将地热井与全流循环系统相连接，地热井中的中高温地热水和地热蒸汽进入全流循环系统内，开启节流阀1和第一截止阀9，利用节流阀1将地热水节流降压为湿蒸汽，湿蒸汽进入中高温膨胀机2内膨胀做工，中高温膨胀机2发电并产生出口乏汽，出口乏汽经管道进入换热器3中，与三角闪蒸循环系统内的工质进行换热释放汽化潜热后变为冷水，流入回灌井中；开启第二截止阀10，三角闪蒸循环系统通过换热器3与全流循环系统相连接，三角闪蒸循环内含有纯水工质，纯水工质流入换热器3内，吸收全流循环系统释放的汽化潜热后变为含有一定压力的饱和水，含有压力的饱和水进入闪蒸罐4中，经闪蒸罐4闪蒸后变为蒸汽进入两相膨胀机5中膨胀做工，两相膨胀机5发电并产生出口乏汽，出口乏汽经管道进入冷凝器6内降温后液化为温度较低的液体水，液体水经管道进入变频工质泵7中，根据全流循环系统内的温度传感器8测量的中高温膨胀机2出口乏汽的温度，利用变频工质泵7调整液体水的压力，使得工质水流经换热器3吸热升温后仍保持在该压力状态下饱和且不发生汽化相变的状态，流入闪蒸罐4内继续进行循环。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。