专利名称:利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备，包括蒸发器、预热器、储液罐、冷凝器、膨胀机、发电机和冷却塔。所述的发电设备由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。本实用新型通过双循环螺杆膨胀机发电技术对地热尾水余热进行回收利用，产生高品位电能。采用有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动双工质膨胀机10带动发电机发电。本实用新型结构简单安装容易，操作简单。发电机组占地小、通用性强、可以整机装和移动，合适工业余热的特点和发电利用。维护检修方便。
【专利说明】利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备
【技术领域】
[0001]本实用新型属于低温余热利用【技术领域】，特别涉及一种利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备。
【背景技术】
[0002]随着油田的开采利用，其资源量将逐渐减小。以华北油田为例，其留北地热站采油量已经相当小，根据目前的采油运行模式，只开启了部分电潜泵，电潜泵都安装有变频器，运行频率约40Hz，地热水循环水量也较原来降低，目前地热水循环水量约为2500m3/天，约计104t/h，主要用于维持站点输油管道温度，保证生产。这部分地热水出水温度约110°C，虽然这个阶段水温较高，但是如果用这部分110°C地热水用于发电，发电后降温到70?80°C会影响管道维温。但是如果110的地热水先用用于管道维温后，地热尾水仍有80°C以上，水量2500m3/天，这部分地热尾水没有被利用直接回灌回地下，用这部分地热尾水的热量来发电，既保证生产又使收益最大化。
[0003]在低温余热领域，采用有机工质(ORC)作为热力循环的工质与90°C以下低温热水换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动双工质膨胀机带动发电机发电。这是传统发电技术不能做到的(传统发电要求热源温度在350°C以上)，从而极大的拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热回收提供了更好的技术手段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源发电设备中(如地热能、太阳能和生物质能)，为利用可再生能源发电提供了新技术方法。
[0004]原始应用的机组，工质泵自机组投运后始终处于工频满负荷运行状态，未考虑由于热源温度波动造成蒸发器内有机工质液位的变化从而影响蒸发效率及运行进程。而蒸发器是吸热、蒸发一体的，工质走壳程，热水走管程。工质液位过低，低于换热盘管水平位置，换热效率下降；工质液位过高，蒸发面积不足，冷凝器亏液，同样影响换热效率。
【发明内容】
[0005]为提高油田地热水热能的利用率，将80°C地热尾水的热量来发电，本实用新型提出一种新的利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备，对地热尾水余热进行回收利用。
[0006]本实用新型发电设备是这样构成的:
[0007]一种利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备，包括蒸发器、预热器、储液罐、冷凝器、膨胀机、发电机和冷却塔；所述的发电设备由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路；
[0008]循环回路一为:热水源的出口通过热水循环泵和逆止阀连接到蒸发器和预热器中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源的回路入口形成循环回路；
[0009]循环回路二为:蒸发器和预热器中的管路二的出口通过主汽阀连接螺杆膨胀机的入口，膨胀机带动发电机运转发电，膨胀机的出口通过阀门连接冷凝器中的管路一；冷凝器的管路一的出口连接储液罐，储液罐的出口通过工质泵和逆止阀连接到蒸发器和预热器中的管路二的入口形成循环回路；
[0010]循环回路三为:冷凝器中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔的入口，冷却塔的出口通过阀门、冷却水泵与逆止阀连接到冷凝器中的管路二的入口形成循环回路。
[0011]循环回路二中，在蒸发器中的管路二的出口与冷凝器的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀。
[0012]蒸发器、预热器、冷凝器均是管壳式的换热设备。
[0013]工质泵、热水循环泵、冷却水泵上均设有变频设施。
[0014]双螺杆膨胀机上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限，上限设为1700r/min，下限设为1000r/min。
[0015]本实用新型通过双循环螺杆膨胀机发电技术对地热尾水余热进行回收利用，产生高品位电能。采用有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动双工质膨胀机10带动发电机发电。这是常规发电技术不能做到的(常规发电要求热源温度在350°c以上)，从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了技术手段和设备。
[0016]本实用新型的优点是:
[0017]适用于各种工作介质。螺杆膨胀动力机是当今国内外唯一能同时适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相湿蒸汽及热水的热动力机，它还适用于低温有机工质。
[0018]对工作介质品质要求不高。螺杆膨胀动力机适用于含盐垢的流体，不怕结垢和污染介质，能除垢自洁；未能除去的剩余污垢可以起到减小间隙、减低泄露损失的作用，从而有利于提尚机组效率。
[0019]适合于热源参数大范围波动。螺杆膨胀动力机在热源压力、温度和流量大范围波动情况下，内效率基本不变，能保持机组稳定、安全运行。
[0020]运行操作简单。螺杆膨胀动力机运行时不暖机、不盘车，直接冲转启动，操作简单，不会造成飞车等生产安全事故，能保持机组稳定、安全运行。
[0021]维护检修方便。螺杆膨胀动力机零部件少，维修容易，长期无需大修(十年以上)，正常每年一次小修维护，检修简单方便，不需要专业维护技术人员。
[0022]结构简单安装容易。发电机组结构简单、占地小、通用性强、可以整机装和移动，合适工业余热的特点和发电利用。
[0023]采用永磁涡流柔性传动技术，实现了源动机到负载之间转矩的无接触传递因为无物理性连接，由连接精度所造成的机械振动和噪音大大降低。
[0024]本实用新型发电机组的动力设备为双螺杆膨胀机，它是一种容积式的全流动力设备，能适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相和热水工质。本实用新型对于开发新型、高效的低温余热发电设备，提高我国能源利用率，节能减排，保护环境，都具有重要的意义。
【附图说明】
[0025]图1是本实用新型的流程示意图。
[0026]其中:热水循环泵1、蒸发器2、预热器3、工质泵4、储液罐5、冷却水泵6、冷凝器7、主汽阀8、电磁阀9、膨胀机10、发电机11、冷却塔12。
【具体实施方式】
[0027]下面结合图1对本实用新型做进一步说明。
[0028]本实用新型是一种利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备，该设备包括热水源、蒸发器2、预热器3、储液罐5、冷凝器7、膨胀机10、发电机11和冷却塔12。所述的发电设备由三组循环回路组成。循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路。其中，循环回路一为:热水源的出口通过热水循环泵I和逆止阀连接到蒸发器2和预热器3中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源的回路入口形成循环回路。循环回路二为:蒸发器2和预热器3中的管路二的出口通过主汽阀8连接螺杆膨胀机10的入口，膨胀机10带动发电机11运转发电，膨胀机10的出口通过阀门连接冷凝器7中的管路一。冷凝器7的管路一的出口连接储液罐5，储液罐5的出口通过工质泵4和逆止阀连接到蒸发器2和预热器3中的管路二的入口形成循环回路。蒸发器2出口蒸汽接近饱和状态。冷凝器7下的储液罐5能够保证冷凝液及时排走，不占有换热空间。在蒸发器2中的管路二的出口与冷凝器7的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀9，其作用是旁通螺杆膨胀机10，能迅速减少膨胀机10两端压差，为机组的安全运行提供保证。膨胀机10飞车时控制设备自动打开旁通电磁阀9。旁通电磁阀9为常开式，与工质泵4 一起接入用电接口，当断电时，电磁阀9打开使旁通打开。循环回路三为:冷凝器7中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔12的入口，冷却塔12的出口通过阀门、冷却水泵6与逆止阀连接到冷凝器7中的管路二的入口形成循环回路。
[0029]在上述所有设置有管路一和管路二的设备中，每一设备中的管路一和管路二中的流体的流动方向都是相反的。
[0030]该设备有三个管壳式的换热设备，分别是满液式蒸发器2、预热器3、冷凝器7。其中预热器3能够保证液态工质有足够的显热吸收，而满液式的蒸发器2换热效率高，具有较高的蒸发温度，工质压降较小且蒸发温度均匀。
[0031]工质泵4、热水循环泵1、冷却水泵6上均设有变频设施，采用变频控制。通过调整泵的频率，改变出力。
[0032]本实用新型重要的设计要点还在于:在蒸发器2上安装有模拟量液位变送器；模拟量液位变送器能准确显示蒸发液位及将信号传送给控制系统，控制系统根据液位参数信号与设定值比较，通过工质泵上的变频设施对工质液位进行调节，实时控制有机工质进入蒸发器2的液量。所述的模拟量液位变送器及控制系统均为现有技术，此说明书中不再详细说明。
[0033]本实用新型的工作过程是:
[0034]热水源输出的高温余热热水通过热水循环泵1，系统发电介质为有机工质，高温余热进入预热器3和蒸发器2与发电介质进行换热，蒸发器2产生的高压气态有机质进入全流低温发电机组双螺杆膨胀机10的进口，膨胀做功并推动双螺杆膨胀机10运转，之后排出的低压气液两相有机工质进入冷凝器7，在冷却水泵6的作用下，低温冷却水进入冷凝器7中冷却有机工质为液态，之后经过工质泵6，将液态发电介质送入到预热器3和蒸发器2中，继续吸取余热的热量；双螺杆膨胀机10在运转的同时拖带发电机发电，冷凝器7排出的较高温冷却水经冷却水泵6送至冷却水塔12，循环使用。
[0035]热源进入蒸发器2以后，可以通过调节工质泵频率或旁通开度手动调节双螺杆膨胀机10转速，使其从小到大逐渐提速，防止升速过快造成飞车而致使发电机损坏。
[0036]双螺杆膨胀机10上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限，上限设为1700r/min，下限设为1000r/min。螺杆机飞车自动打开旁通。
[0037]旁通上的电磁阀9是常开式自动开关，其应与工质泵4 一起接入用电接口，当断电时，电磁阀打开使旁通打开。
[0038]并网前，实行转速控制程序，以保证发电机并网时安全。转速信号取自螺杆出轴测速传感器作为调节参数，采用并联PID调节模式，控制电动调节阀的开度，从而保证螺杆膨胀发电机组按设定的转速稳定运行。并网后，电机转速随电网频率波动，流体作功对机组的影响表现为功率输出的大小。采用RS-485通讯采集发电机运行工况参数，以发电机11功率输出反馈作为调节参数。采用并联PID调节模式，控制电动调节阀的开度，从而保证机组功率的输出。
[0039]在低温余热领域，采用有机工质(ORC)作为热力循环的工质与90°C以下低温热水换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动双工质膨胀机带动发电机发电。这是传统发电技术不能做到的(传统发电要求热源温度在350°C以上)，从而极大的拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热回收提供了更好的技术手段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源发电设备中(如地热能、太阳能和生物质能)，为利用可再生能源发电提供了新技术方法。
【权利要求】
1.一种利用油田地热尾水进行双循环螺杆膨胀机发电的设备，包括蒸发器(2)、预热器(3)、储液罐(5)、冷凝器(7)、膨胀机(10)、发电机(11)和冷却塔(12);其特征在于:所述的发电设备由三组循环回路组成，循环回路一是供热回路，循环回路二是发电及热循环回路，循环回路三是冷却回路； 循环回路一为:热水源的出口通过热水循环泵(I)和逆止阀连接到蒸发器(2)和预热器(3)中的管路一，管路一的出口再通过阀门连接到热水源的回路入口形成循环回路； 循环回路二为:蒸发器(2)和预热器(3)中的管路二的出口通过主汽阀(8)连接螺杆膨胀机(10)的入口，膨胀机(10)带动发电机(11)运转发电，膨胀机(10)的出口通过阀门连接冷凝器(7)中的管路一；冷凝器(7)的管路一的出口连接储液罐(5)，储液罐(5)的出口通过工质泵(4)和逆止阀连接到蒸发器(2)和预热器(3)中的管路二的入口形成循环回路； 循环回路三为:冷凝器(7)中的管路二的出口通过阀门连接到冷却塔(12)的入口，冷却塔(12)的出口通过阀门、冷却水泵(6)与逆止阀连接到冷凝器(7)中的管路二的入口形成循环回路。2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于:循环回路二中，在蒸发器(2)中的管路二的出口与冷凝器(7)的管路一的入口之间，加设了一个旁通管及电磁阀(9)。3.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于:蒸发器(2)、预热器(3)、冷凝器(7)均是管壳式的换热设备。4.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于:工质泵(4)、热水循环泵(I)、冷却水泵(6)上均设有变频设施。5.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于:双螺杆膨胀机(10)上装有转速测量仪，并设定自动预警上下限，上限设为1700r/min，下限设为lOOOr/min。
【文档编号】F01K27-00GK204267119SQ201420713031
【发明者】张于峰, 夏东培, 薄云航, 罗凯, 贾希存 [申请人]国核柏斯顿新能源科技(北京)有限公司