一种用于以CO₂为工质的强化地热系统中的能量转换系统的制作方法

专利名称：一种用于以CO₂为工质的强化地热系统中的能量转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地热发电技术领域中的能量转换系统，特别是关于一种用于以 CO2为工质的强化地热系统(EGS)中的能量转换系统。
背景技术：
地热资源是在当前技术经济条件和地质条件下，能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石热能量、地热流体热量及其伴生的有用组分。目前，世界开采地热能用于发电的速度越来越快，开采深度也越来越深。用于中低温地热资源发电的发电系统，如双工质循环、闪蒸、kalina循环等系统技术逐渐成熟，并具备了一定的商业化基础。EGS 为 Enhanced (or Engineered) Geothermal Systems 的缩写，意为强化地热系统，或称工程地热系统。美国能源部给强化地热系统(EGQ下了一个概括性定义强化地热系统是为了从低渗透性和/或低孔隙率的热源提取具有一定经济数额的热能而创造的人工地下储水热交换系统。对于典型的EGS系统，热储层的温度往往在250°C以上，有时高达500°C，地热生产井出口的地热流体的温度往往在200°C以上，高温的可达到400°C，压力在20MPa以上。针对这一温度和压力范围的能量转换系统，常规是采用水作为地热流体，从地热储层中吸收热量。但是，采用水作为地热流体有一些不利因素1、注入地下的水流失严重，流失率少则10%，多则可达到78%。2、对于温度高于水的临界温度的热源来说，由于水与岩层的热化学作用产生矿物质的溶解和沉淀，而使得注入井和生产井之间产生短路或形成堵塞，而影响地热流体的吸热。以水为地热流体，对于地上能量转换系统也有不利影响 1、地热流体压力较大，如果采用双流体循环则要求换热器的管壁具有足够的厚度，而影响传热效率，并且导致换热系统笨重而庞大，材料消耗也比较大，因此可行的方案是采用闪蒸循环，通过闪蒸降低压力，产生可用于膨胀做功的饱和蒸汽，以保证膨胀机出口要求达到的蒸汽干度。但是，闪蒸导致地热流体压力降低，减弱了地热流体的做功能力，同时由于水特殊的热物性，蒸汽透平出口蒸汽的干度很难保证在0. 95以上，极易造成透平末级的腐蚀。为此，有研究者提出了采用(X)2作为地热流体，一方面(X)2的热物性有利于传热和其在地热储层中的流动，另一方面可达到部分(X)2的长期埋存，进而实现(X)2资源化利用及埋存的附加收益。但是，采用CO2为地热流体并使之直接进入能量转换系统将热能转换为电能，其效率低于以水作为地热流体的闪蒸循环，这成为以ω2作为地热流体的EGS推广的障碍。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种转换效率较高的用于以(X)2为工质的强化地热系统中的能量转换系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种用于以⑶2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于它包括超高压CO2热力发电系统和有机朗肯热发电系统，所述超高压(X)2热力发电系统以地热储层中吸热的(X)2为工质，经透平膨胀做功，将热能转换为电能；所述有机朗肯热发电系统中的朗肯循环工质与做功后的CO2乏汽换热，经过朗肯循环后，将热能转换为电能。所述超高压(X)2热力发电系统包括地热生产井、超临界(X)2透平、蒸发器、预热器、 CO2冷凝器、CO2泵和注入井；所述地热生产井将超高压高温CO2经管路传送至所述超临界 CO2透平中，膨胀做功后输出电能；所述超高压高温(X)2做功后的乏汽经管路依次流所述经蒸发器和预热器，与依次流经所述预热器和蒸发器的朗肯循环工质换热后温度降低；温度降低后所述超高压高温(X)2的乏汽经所述(X)2冷凝器冷凝后，再经所述(X)2泵加压后经所述注入井注入地下，继续从地热储层中吸收热量。所述超高压高温(X)2的压力大于20MPa、温度高于200°C。所述有机朗肯热发电系统包括所述蒸发器、所述预热器、低温透平、冷凝器和工质泵；所述朗肯循环工质依次流经所述预热器和蒸发器，与所述超高压高温(X)2的乏汽换热， 吸热后的所述朗肯循环工质经管路传送至所述低温透平中，膨胀做功后输出电能；所述朗肯循环工质做功后的乏汽经管路进入所述冷凝器中冷凝成冷凝液，所述冷凝液再经所述工质泵加压后进入所述预热器中被加热，完成朗肯循环。所述朗肯循环工质采用低沸点有机物作为朗肯循环工质。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用超高压0)2热力发电系统和有机朗肯热发电系统联合使用，因此，有效地提高了热能转换为电能的转换效率，同时，提高了地热系统的热利用率，并且能实现部分(X)2的长期埋存，减少(X)2向大气的排放。2、本发明由于采用以(X)2为地热流体从地下储热层中吸收热量，并将(X)2直接送入 CO2超临界透平中膨胀做功，做功后的CO2乏汽与朗肯循环工质换热，使朗肯循环工质吸热蒸发而具有做功能力，进入朗肯循环透平中膨胀做功后输出电能。因此，有效地提高了热能转化为电能的转换效率。3、本发明由于采用直接以高温高压的地热流体CO2作为工质，去掉了以水做工质的能量转换系统中的闪蒸过程，系统简单，充分利用了地热流体的做功能力。本发明可以广泛应用于地热发电技术领域中。


图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的超高压CO2热力发电系统结构示意图；图3是本发明的有机朗肯热发电系统结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括超高压(X)2热力发电系统10和有机朗肯热发电系统20， 超高压(X)2热力发电系统10以地热储层中吸热的(X)2为工质，经透平膨胀做功，将热能转换为电能；有机朗肯热发电系统20中的朗肯循环工质与做功后的(X)2乏汽换热，经过朗肯循环后，将热能转换为电能。因此，能提高本发明的转换效率，提高地热系统的热利用率，并且能实现部分(X)2的长期埋存，减少(X)2向大气的排放。如图1、图2所示，本发明的超高压CO2热力发电系统10包括地热生产井11、超临界(X)2透平12、蒸发器13、预热器14、α)2冷凝器15、α)2泵16和注入井17。地热生产井11将压力大于20MPa、温度高于200°C的超高压高温(X)2经管路传送至超临界(X)2透平12中， 超高压高温(X)2在超临界(X)2透平12中膨胀做功后输出电能。超高压高温(X)2做功后的乏汽经管路依次流经蒸发器13和预热器14，与依次流经预热器14和蒸发器13的朗肯循环工质进行换热，使超高压高温(X)2的乏汽温度降低。温度降低后超高压高温(X)2的乏汽经管路流进(X)2冷凝器15中，由环境介质冷凝，再经(X)2泵16加压后经注入井17注入地下，继续从地热储层中吸收热量。如图2、图3所示，本发明的有机朗肯热发电系统20包括蒸发器13、预热器14、低温透平21、冷凝器22和工质泵23。朗肯循环工质经管路依次流经预热器14和蒸发器13， 与超高压高温CO2的乏汽进行换热，吸热后的朗肯循环工质经管路传送至低温透平21中， 膨胀做功后输出电能，这样有效地提高了热能转化为电能的转换效率。朗肯循环工质做功后的乏汽经管路进入冷凝器22中，由环境介质将朗肯循环工质的乏汽冷凝成冷凝液，冷凝液再经工质泵23加压后进入预热器14中被加热，完成朗肯循环。上述实施例中，朗肯循环工质采用RM5fa、异戊烷等低沸点有机物作为朗肯循环工质。综上所述，本发明通过超高压(X)2热力发电系统10和有机朗肯热发电系统20的联合运行，一是可以直接以高温高压的地热流体CO2作为工质，去掉了以水做工质的能量转换系统中的闪蒸过程，系统简单，并充分利用了地热流体的做功能力；二是通过联合循环的实施，系统的热效率普遍高于以水为工质的EGS (强化地热系统)能量转换系统；三是达到了部分(X)2长期埋存的目的。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种用于以(X)2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于它包括超高压CO2热力发电系统和有机朗肯热发电系统，所述超高压(X)2热力发电系统以地热储层中吸热的(X)2为工质，经透平膨胀做功，将热能转换为电能；所述有机朗肯热发电系统中的朗肯循环工质与做功后的(X)2乏汽换热，经过朗肯循环后，将热能转换为电能。
2.如权利要求1所述的一种用于以(X)2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于所述超高压0)2热力发电系统包括地热生产井、超临界CO2透平、蒸发器、预热器、 CO2冷凝器、CO2泵和注入井；所述地热生产井将超高压高温(X)2经管路传送至所述超临界(X)2透平中，膨胀做功后输出电能；所述超高压高温(X)2做功后的乏汽经管路依次流所述经蒸发器和预热器，与依次流经所述预热器和蒸发器的朗肯循环工质换热后温度降低；温度降低后所述超高压高温CO2 的乏汽经所述(X)2冷凝器冷凝后，再经所述(X)2泵加压后经所述注入井注入地下，继续从地热储层中吸收热量。
3.如权利要求2所述的一种用于以(X)2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于所述超高压高温CO2的压力大于20MPa、温度高于200°C。
4.如权利要求1或2或3所述的一种用于以(X)2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于所述有机朗肯热发电系统包括所述蒸发器、所述预热器、低温透平、冷凝器和工质泵；所述朗肯循环工质依次流经所述预热器和蒸发器，与所述超高压高温CO2的乏汽换热，吸热后的所述朗肯循环工质经管路传送至所述低温透平中，膨胀做功后输出电能; 所述朗肯循环工质做功后的乏汽经管路进入所述冷凝器中冷凝成冷凝液，所述冷凝液再经所述工质泵加压后进入所述预热器中被加热，完成朗肯循环。
5.如权利要求4所述的一种用于以CO2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于所述朗肯循环工质采用低沸点有机物作为朗肯循环工质。
全文摘要
本发明涉及一种用于以CO2为工质的强化地热系统中的能量转换系统，其特征在于它包括超高压CO2热力发电系统和有机朗肯热发电系统，所述超高压CO2热力发电系统以地热储层中吸热的CO2为工质，经透平膨胀做功，将热能转换为电能；所述有机朗肯热发电系统中的朗肯循环工质与做功后的CO2乏汽换热，经过朗肯循环后，将热能转换为电能。本发明由于采用超高压CO2热力发电系统和有机朗肯热发电系统联合使用，因此，有效地提高了热能转换为电能的转换效率，同时，提高了地热系统的热利用率，并且能实现部分CO2的长期埋存，减少CO2向大气的排放。本发明可以广泛应用于地热发电技术领域中。
文档编号F03G4/00GK102384046SQ20111017261
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者姜培学, 张富珍, 胥蕊娜 申请人:清华大学