一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统的制作方法

本发明属于新能源发电技术领域，特别涉及一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统。

背景技术：

当今世界的发展速度与日俱增，能源日趋紧缺，以煤炭发电技术为主的能源供给方式显然已经不符合环保可持续发展的需求。地热能作为无污染的洁净能源脱颖而出，它是由地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变产生的，其储量巨大，远远超过人类所需。据推算统计，在离地球表面5000米深处，蕴藏着约为1.45×10²⁶焦耳的热量，与4948万亿吨标准煤的热量相当。从一定层面上来说，地热能是取之不竭的可再生能源。

当前人类只对陆地上的地热资源进行了一定规模的开发，然而地球表面的71％被海洋覆盖，面积高达到36110万平方公里，因此海底赋存着更为丰富的地热资源。以加利福尼亚湾恩塞纳达港口为例，仅在离岸不到100米的200米深处，其温度已经达到了102℃。初步估计该海底拥有约10万兆瓦潜力的地热能，平均温度可达330℃。

对于二氧化碳而言，当压力大于7.4mpa，温度高于31.1℃时，便进入超临界态，此时，二氧化碳在一定的运行参数范围内密度较大且无相变；特别的，临界点附近比热容变化剧烈，具有良好的传质性能，携热能力强，可使布雷顿循环核心旋转机械设备兼具高紧凑度和高效的优势。因此，超临界二氧化碳是构成布雷顿循环的优良工质，具有良好的工程应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的局限性，提供了一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统，利用富足的海底地热能为热源，无污染且成本低廉；利用海底低温高压的海水作为冷源并提供较高的环境压力，提高系统成本和稳定性；同时将超临界二氧化碳作为布雷顿循环系统的工质，系统结构简单、体积小、结构紧凑、效率高，具有广阔的应用前景。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统，包括驱动电机、超临界二氧化碳压缩机、海底热岩层换热器、超临界二氧化碳透平、发电机和冷却器；其中，

驱动电机、超临界二氧化碳压缩机、超临界二氧化碳透平、发电机和冷却器均布置在充满低温高压海水的海底，海底下方依次为海底隔水岩层和海底热岩层，海底热岩层换热器设置在海底热岩层内；

驱动电机用于带动超临界二氧化碳压缩机旋转，超临界二氧化碳压缩机出口穿过海底隔水岩层，与处于海底热岩层的海底热岩层换热器入口相连通，海底热岩层换热器出口穿出海底热岩层和海底隔水层，与超临界二氧化碳透平入口连通，超临界二氧化碳透平旋转做功驱动发电机，超临界二氧化碳透平出口与冷却器入口相连，冷却器出口连通超临界二氧化碳压缩机。

本发明进一步的改进在于，该发电系统布置在500m～3000m的海底。

本发明进一步的改进在于，该海底深度范围的海水压力为4.9mpa～29.4mpa，温度为1℃～10℃，所处的海底热岩层温度在100℃～350℃之间。

本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳压缩机采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5mpa～10mpa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～80000rpm之间。

本发明进一步的改进在于，超临界二氧化碳透平采用向心式透平，其入口压力范围为16.5mpa～25mpa，入口温度范围为80℃～330℃，转速在30000rpm～80000rpm之间。

本发明进一步的改进在于，使用时，该发电系统中填充有超临界状态的二氧化碳工质，且超临界二氧化碳的压力为7.5mpa～25mpa。

本发明进一步的改进在于，工作时，驱动电机带动超临界二氧化碳压缩机工作，驱动电机工作时产生的热量由低温海水带走，保障驱动电机安全稳定运行，低温低压的超临界二氧化碳工质流经超临界二氧化碳压缩机后被压缩至低温高压状态，随后通过输送管道穿过海底隔水岩层，流入置于海底热岩层的海底热岩层换热器，吸收海底地热能后达到高温高压的状态，由海底热岩层换热器出口管道经海底隔水岩层流出海底热岩层，到达超临界二氧化碳透平入口，高温高压的超临界二氧化碳工质在超临界二氧化碳透平中膨胀做功，将内能转化为机械能传递至发电机进行发电，做完功的超临界二氧化碳工质流出超临界二氧化碳透平进入冷却器，与低温海水进行热量交换达到超临界二氧化碳压缩机所需的低温状态，最后满足超临界二氧化碳压缩机入口需求的低温低压超临界二氧化碳工质再由冷却器出口输送到超临界二氧化碳压缩机入口。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明这种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统，利用海底地热能这种储量富足、清洁无污染、成本低的新能源作为循环系统的热源，为海底地热能的开发利用提供了新的方向。同时，采用超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环，利用超临界二氧化碳高密度、低粘度和低表面张力的特点，以及超临界状态下较好的流动、渗透和传递性能，可以简化系统结构，提高系统紧凑度，减少压缩机做功，提高系统效率。

进一步，本发明将海底的低温海水作为冷却器和驱动电机的冷源。一方面，海底水温一般随深度的增加而降低，1000米深处约为4～5℃，2000米深处为2～3℃，3000米深处为1～2℃，广袤的海底为冷却器和驱动电机提供了稳定且低温的冷源，无需额外冷却工质，简化了系统结构，提高了系统成本；另一方面，海底海水的不断流动提供了较高的换热系数，提高了冷却器的换热效率，进一步减小冷却器的体积。

进一步，本发明管道及设备壳体中充斥着超临界二氧化碳，压力均高于7.4mpa，压力较高，而该发电系统所处的海底亦可提供较高的环境压力，此时管道及设备壳体内外的压力差值大幅减小，降低了系统管道及设备壳体承受的压力，大幅提高了系统的安全性和稳定性，亦可防止系统管道等接口连接处的工质泄露；同时，降低的承压需求可以使得管道及设备壳体的壁厚减小，材料的选择也更为多样，进一步降低了系统成本。

进一步，海底的高压环境可以解决超临界二氧化碳布雷顿循环系统泄露严重的问题，无需配备干气密封件，仅需使用常规的密封形式即可防止旋转部件轴端的工质泄露。在满足气密性的同时，减小了系统的成本和复杂度。

进一步，本发明的整个发电装置都将置于海底，不占用陆地面积，不会对人类日常活动造成任何影响。同时该系统具有简单轻巧的特点，搭建时不需要重型起重船，理论上，该系统可以安装在满足海底地热能条件的任何海域。

综上所述，本发明利用海底地热能作为系统热源，将海底低温高压海水作为冷源并提供较高的环境压力，具有清洁环保、系统简单、结构紧凑、成本低廉、不占地等显著优点。

附图说明

图1为本发明一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统的热力循环系统图。

图中：1、海水，2、驱动电机，3、超临界二氧化碳压缩机，4、海底隔水岩层，5、海底热岩层，6、海底热岩层换热器，7、超临界二氧化碳透平，8、发电机，9、冷却器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供的一种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统，包括驱动电机2、超临界二氧化碳压缩机3、海底热岩层换热器6、超临界二氧化碳透平7、发电机8和冷却器9。整个超临界二氧化碳发电系统都将布置在充满低温高压海水1的海底，由驱动电机2带动超临界二氧化碳压缩机3旋转，超临界二氧化碳压缩机3出口穿过海底隔水岩层4，与处于海底热岩层5的海底热岩层换热器6入口相连通，海底热岩层换热器6出口穿出海底热岩层5和海底隔水层4，与超临界二氧化碳透平7入口连通，超临界二氧化碳透平7旋转做功驱动发电机8，超临界二氧化碳透平7出口与冷却器9入口相连，冷却器9出口连通超临界二氧化碳压缩机3。

本发明的原理和过程主要为：驱动电机2带动超临界二氧化碳压缩机3工作，驱动电机2工作时产生的热量由低温海水1带走，保障驱动电机2安全稳定运行，低温低压的超临界二氧化碳工质流经超临界二氧化碳压缩机3后被压缩至低温高压状态，随后通过输送管道穿过海底隔水岩层4，流入置于海底热岩层5的海底热岩层换热器6，吸收海底地热能后达到高温高压的状态，由海底热岩层换热器6出口管道经海底隔水岩层4流出海底热岩层5，到达超临界二氧化碳透平7入口，高温高压的超临界二氧化碳工质在超临界二氧化碳透平7中膨胀做功，将内能转化为机械能传递至发电机8进行发电，做完功的超临界二氧化碳工质流出超临界二氧化碳透平7进入冷却器9，与低温海水1进行热量交换达到超临界二氧化碳压缩机3所需的低温状态，最后满足超临界二氧化碳压缩机3入口需求的低温低压超临界二氧化碳工质再由冷却器9出口输送到超临界二氧化碳压缩机3入口，形成本发明这种利用海底地热能的超临界二氧化碳发电系统。

在本发明中，整个超临界二氧化碳发电系统都将布置在500m～3000m的海底，该海底深度范围的海水1压力为4.9mpa～29.4mpa，温度为1℃～10℃，所处的海底热岩层5温度在100℃～350℃之间。海底热岩层5中蕴藏着储量惊人、无污染的清洁海底地热能，本发明为新能源的发展提供了新的思路和方法。将高压低温的海水1作为冷却器9和驱动电机2的稳定冷源，无需额外冷却工质，简化了系统结构，提高了系统成本；同时海水1的不断流动提供了较高的换热系数，提高了冷却器9的换热效率，进一步减小冷却器9的体积。优选的，本发明的整个发电装置都将置于海底，不占用陆地面积；同时该系统具有简单轻巧的特点，搭建时不需要重型起重船，理论上，该系统可以安装在满足海底热岩层5地热能条件的任何海域。超临界二氧化碳压缩机3采用单级或双级的离心式压缩机，其入口压力范围为7.5mpa～10mpa，入口温度范围为31.5℃～40℃，转速在30000rpm～80000rpm之间。超临界二氧化碳透平7采用向心式透平，其入口压力范围为16.5mpa～25mpa，入口温度范围为80℃～330℃，转速在30000rpm～80000rpm之间。本发电系统中二氧化碳工质始终处于超临界状态，可以充分发挥超临界二氧化碳工质高密度、低粘度和低表面张力等优良特性。优选的，本发明管道及设备壳体中充斥着7.5mpa～25mpa的超临界二氧化碳，高压的海水1提供了4.9mpa～29.4mpa的环境压力，合适的安装深度可以大幅减小管道及设备壳体内外的压力差值，降低了系统管道及设备壳体承受的压力，提高系统的安全性和稳定性，亦可防止系统管道等接口连接处的工质泄露；同时，降低的承压需求可以使得管道及设备壳体的壁厚减小，材料的选择也更为多样，进一步降低了系统成本。优选的，海底的高压环境可以解决超临界二氧化碳布雷顿循环系统泄露严重的问题，无需配备干气密封件，仅需使用常规的密封形式即可防止超临界二氧化碳压缩机3和超临界二氧化碳透平7轴端的工质泄露，在满足气密性的同时，减小了系统的成本和复杂度。