一种增强型地热与太阳能联合发电方法及发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种地热与太阳能联合发电方法及发电系统，其包括以下内容：作为工质的CO2在增强型地热系统中吸收热量后温度升高，增强型地热系统输出不同温度的具有一定压力的超临界CO2；一部分超临界CO2进入基本负荷发电系统中，基本负荷发电系统将超临界CO2从增强型地热系统中吸收的一部分热量转化为电能，作为电站的基本负荷；另一部分超临界CO2进入太阳能发电系统中，太阳能发电系统通过能量品位匹配、优化回热级数、优化抽气压缩级数以及调节回热器流量的方法，利用太阳能将超临界CO2持续加热到一定温度后，高效地将热量转换为电能。
【专利说明】一种増强型地热与太阳能联合发电方法及发电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电方法及发电系统，特别是关于一种增强型地热与太阳能联合发电方法及发电系统。
【背景技术】
[0002]增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems)或称工程地热系统(EngineeredGeothermal Systems)均简称为EGS。美国能源部给增强型地热系统下了一个概括性定义:增强型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。目前，在美国、日本、欧洲和澳大利亚等进行的增强型地热系统发电的实验或示范工程都采用水作为载热剂。水是高效的载热剂，但同时也是强烈的溶解剂，尤其是在高温下溶解情况更明显。岩石和矿物被水溶解后发生沉淀，会改变裂隙的渗透率或使裂隙发生局部堵塞，而使增强型地热系统的运行不稳。另一方面，当水在裂隙中循环流动时，难免扩散到岩石深处而流失，这一数量相当大，并成为影响增强型地热系统经济可靠性的一个重要因素。2000年美国研宄人员提出了一个以CO2代替水作为增强型地热系统载热剂的新理念。以CO2作为增强型地热系统的载热剂，CO2在产出井出口处于超临界状态，可直接进入CO2超临界透平，在超临界透平出口也远离湿蒸汽区，无需采取以水为工质的预防汽轮机出口乏汽干度过低的措施。采用CO2作为增强型地热系统的载热剂，CO2在地下储层中的流失可获得CO2埋存的附加效益。目前，国外的几个增强型地热开发利用示范工程，都是以水作为载热剂，且普遍采用单层热储激发的开发方案，对热储的开发利用不足。地热电站的持续大规模开发利用，必然引起热储温度降低和使用寿命降低等问题，另一方面，优质的地热资源较少，一般的地热资源能量品位不高，热功转换效率低于15%。我国的用电量的峰谷差值约为最大负荷的30%?40%，如果全部依靠地热系统来满足高峰负荷，则储层的激发及注入井、产出井的投入都要加大。
[0003]积极发展可再生能源已成为新时期国家能源战略的重要任务之一，在太阳能丰富的地区，利用太阳能发电是开发利用太阳能的重要途径。以水为工质的光热发电系统在太阳能利用方面占有绝对优势，但由于以水为工质的高温太阳能热发电系统中，水的膨胀比较大，需要多级膨胀，因此透平的尺寸较大，系统也复杂。采用以CO2为工质的太阳能高温透平发电系统，在透平中CO2的膨胀比不到水的1/2000，这意味着，用CO 2为工质的太阳能发电系统将更加紧凑，简单。但太阳能受天气等因素的影响，太阳能发电系统的运行稳定性不佳，不能作为基本负荷保障，其开发利用受到限制。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够充分发挥太阳能和增强型地热各自的优势且发电效率高的增强型地热与太阳能联合发电方法及发电系统。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其具体包括以下内容:1)设置一包括增强型地热系统、基本负荷发电系统和太阳能发电系统的增强型地热与太阳能联合发电系统；2)作为工质的0)2在所述增强型地热系统中吸收热量后温度升高，所述增强型地热系统输出不同温度的具有一定压力的超临界CO2;3) 一部分超临界0)2进入所述基本负荷发电系统中，所述基本负荷发电系统将超临界0)2从所述增强型地热系统中吸收的一部分热量转化为电能，作为电站的基本负荷；4)另一部分超临界CO2进入所述太阳能发电系统中，所述太阳能发电系统通过热储层传热流动计算、能量匹配方法以及0)2物性分析，优化回热级数、抽气压缩级数、各流道流量，利用太阳能将超临界0)2持续加热到一定温度后，通过超临界透平将热量转换为电能。
[0006]所述步骤2)中，所述增强型地热系统输出不同温度的具有一定压力的超临界C02，其具体包括以下内容:①设置一增强型地热系统，其包括第一热储层和第二热储层，在第一热储层设置有第一注入井和第一产出井，在第二热储层设置有第二注入井和第二产出井，第一热储层的温度低于第二热储层的温度；②经过加压的CO2通过第一注入井注入第一热储层，通过第二注入井注入第二热储层，CO2分别在第一热储层和第二热储层中吸收热量，温度升高；③由于CO2在第一热储层和第二热储层中温度升高产生的浮升力作用，0)2在第一产出井的出口压力高于第一注入井的注入压力，在第二产出井的出口压力高于在第二注入井的注入压力由于第二热储层温度高于第一热储层温度，如果采用同样的CO2注入压力，第二产出井的出口压力就会高于第一产出井的出口压力；通过调整第一注入井和第二注入井的注入压力，使第一产出井和第二产出井出口压力相同；压力相同而温度不同的CO2为基本负荷发电系统和太阳能发电系统提供热源。
[0007]所述步骤3)中，利用基本负荷发电系统发电，其具体包括以下内容:①设置一基本负荷发电系统，其包括关于CO2的第一超临界透平、第二超临界透平、气体冷却器、第一压缩机和第二压缩机；第一超临界透平入口通过一第一阀门和管路与第一产出井出口连接，第二超临界透平入口通过一第二阀门和管路与第二产出井出口连接；第一超临界透平和第二超临界透平的出口通过管路均与气体冷却器入口连接，气体冷却器出口通过一第三阀门和管路与第一压缩机入口连接，同时通过一第四阀门和管路与第二压缩机入口连接，第一压缩机出口通过管路与第一注入井入口连接，第二压缩机出口通过管路与第二注入井入口连接；②第一产出井产出的CO2经第一阀门进入第一超临界透平，第二产出井产出的0)2经第二阀门进入第二超临界透平，CO2在两超临界透平中膨胀做功输出电能后，成为CO 2乏汽；③CO2乏汽通过管路进入气体冷却器冷却，冷却后的CO 2乏汽分别送入第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机将0)2乏汽压缩到相应压力后，通过第一注入井注入第一热储层，第二压缩机将CO2乏汽压缩到相应的压力后，通过第二注入井注入第二热储层。
[0008]所述第一阀门和第二阀门分别用于控制进入基本负荷发电系统的所在管路中CO2的流量，以保证基本负荷。
[0009]所述第三阀门用于将所在管路中0)2的流量调节到与第一注入井相对应的注入流量，所述第四阀门用于将所在管路中CO2的流量调节到与第二注入井相对应的注入流量。
[0010]所述步骤4)中，利用太阳能发电系统发电，其具体包括以下内容:①设置一太阳能发电系统，其包括第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、塔式太阳能接收器、第三超临界透平、第三压缩机和第四压缩机；第一回热器的高压流体通道入口通过一第五阀门和管路与第一产出井出口连接，第一回热器的高压流体通道出口通过管路与第二回热器的高压流体通道入口连接，第二回热器的高压流体通道入口通过一第六阀门和管路与第二产出井出口连接；第二回热器的高压流体通道出口通过管路依次与第三回热器和第四回热器的高压流体通道入口连接，第四回热器的高压流体通道出口通过管路与塔式太阳能接收器入口连接，塔式太阳能接收器出口通过管路与第三超临界透平入口连接，第三超临界透平出口通过管路依次与第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道入口连接；第二回热器的低压流体通道出口通过一第七阀门和管路与第三压缩机入口连接，并通过一第八阀门和管路与第一回热器的低压流体通道入口连接，第一回热器的低压流体通道出口通过一第九阀门和管路与第四压缩机入口连接，第三压缩机出口通过管路与第四回热器的高压流体通道入口连接，第四压缩机出口通过管路与第三回热器的高压流体通道入口连接；②第一产出井产出的0)2经第五阀门进入第一回热器的高压流体通道，与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第一回热器出口处与第二产出井产出的CCV混合后进入第二回热器的高压流体通道，在第二回热器内与低压流体通道的CO2乏汽换热后，在第二回热器的出口处与第四压缩机压缩后输出的CO2流体混合进入第三回热器的高压流体通道，在第三回热器内与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第三回热器的出口处与第三压缩机压缩后输出的0)2流体混合进入第四回热器的高压流体通道内，在第四回热器内与低压流体通道内的0)2乏汽换热；经过四次升温后的CO2进入塔式太阳能接收器中，吸收太阳能的热量达到运行温度后进入第三超临界透平中，膨胀做功输出电能后，成为0)2乏汽；③低压0)2乏汽通过管路依次进入第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第二回热器的低压流体通道排出的CO2乏汽中的一部分通过第七阀门进入第三压缩机，另一部分通过第八阀门进入第一回热器的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第一回热器的低压流体通道排出的CO2乏汽中的一部分通过第九阀门进入第四压缩机，另一部分通过第十阀门进入气体冷却器中冷却；冷却后的0)2乏汽分别送入第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机将0)2乏汽压缩到相应压力后，通过第一注入井注入第一热储层，第二压缩机将CO2乏汽压缩到相应的压力后，通过第二注入井注入第二热储层。
[0011]所述第五阀门用于调节进入所述太阳能发电系统的所在管路中0)2的流量，以满足调峰发电需求；第六阀门用于控制进入太阳能发电系统的所在管路中的0)2的流量，以通过流量调节使得流经第二回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第二回热器中高低压流体的传热温差最优。
[0012]所述第七阀门用于控制进入第三压缩机的抽气压缩流量，所述第八阀门用于控制进入第一回热器的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第一回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第一回热器中高低压流体的传热温差最优。
[0013]所述第九阀门用于控制进入第四压缩机的抽气压缩流量，所述第十阀门用于控制进入气体冷却器的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第三回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第三回热器中高低压流体的传热温差最优。
[0014]一种实现所述发电方法的增强型地热与太阳能联合发电系统，其特征在于:它包括增强型地热系统、基本负荷发电系统和太阳能发电系统；所述增强型地热系统包括第一热储层和第二热储层，在所述第一热储层设置有第一注入井和第一产出井，在所述第二热储层设置有第二注入井和第二产出井，所述第一热储层的温度低于所述第二热储层的温度；所述基本负荷发电系统包括关于CO2的第一超临界透平、第二超临界透平、气体冷却器、第一压缩机和第二压缩机；所述第一超临界透平入口通过一第一阀门和管路与所述第一产出井出口连接，所述第二超临界透平入口通过一第二阀门和管路与所述第二产出井出口连接；所述第一超临界透平和所述第二超临界透平的出口通过管路均与所述气体冷却器入口连接，所述气体冷却器出口通过一第三阀门和管路与所述第一压缩机入口连接，同时通过一第四阀门和管路与所述第二压缩机入口连接，所述第一压缩机出口通过管路与所述第一注入井入口连接，所述第二压缩机出口通过管路与所述第二注入井入口连接；所述太阳能发电系统包括第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、塔式太阳能接收器、第三超临界透平、第三压缩机和第四压缩机；所述第一回热器的高压流体通道入口通过一第五阀门和管路与所述第一产出井出口连接，所述第一回热器的高压流体通道出口通过管路与所述第二回热器的高压流体通道入口连接，所述第二回热器的高压流体通道入口通过一第六阀门和管路与所述第二产出井出口连接；所述第二回热器的高压流体通道出口通过管路依次与所述第三回热器和第四回热器的高压流体通道入口连接，所述第四回热器的高压流体通道出口通过管路与所述塔式太阳能接收器入口连接，所述塔式太阳能接收器出口通过管路与所述第三超临界透平入口连接，所述第三超临界透平出口通过管路依次与所述第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道入口连接；所述第二回热器的低压流体通道出口通过一第七阀门和管路与所述第三压缩机入口连接，并通过一第八阀门和管路与所述第一回热器的低压流体通道入口连接，所述第一回热器的低压流体通道出口通过一第九阀门和管路与所述第四压缩机入口连接，所述第三压缩机出口通过管路与所述第四回热器的高压流体通道入口连接，所述第四压缩机出口通过管路与所述第三回热器的高压流体通道入口连接；所述基本负荷发电系统通过一第十阀门与所述太阳能发电系统连接，所述第十阀门的一端通过管路与所述气体冷却器入口连接，其另一端通过管路与所述第一回热器的低压流体通道出口连接；所述第一注入井的入口通过第一注入管路与第一注入阀门连接，所述第二注入井的入口通过第二注入管路与第二注入阀门连接，最初经过加压的0)2通过所述第一注入阀门和第一注入管路充入所述第一注入井，同时通过所述第二注入阀门和第二注入管路充入所述第二注入井；并且通过所述第一、第二注入阀门和第一、第二注入管路对在所述第一热储层和第二热储层中流失的CO2进行补充。
[0015]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于利用增强型地热发电作为电站基本负荷保障，太阳能发电系统作为调峰负荷保障，既利用了地热能具有容量大、发电量稳定的特点，也利用了用电高峰期太阳能辐射强度高，可满足调峰用电需求的特点，同时避免了太阳能发电技术由于受到天气影响不能作为基本负荷保障的弱点以及以地热能发电作为总负荷引起的地热开发成本升高的问题；采用热储层多层激发的增强型地热系统，充分开发利用热储层的热量，在减少钻井和热储层激发成本的基础上，基本负荷发电系统将CO2从地下热储层中吸收的一部分热量转化为电能，作为电站的基本负荷；太阳能发电系统利用多层激发的热储层产出不同品位的具有一定压力的超临界CO2，通过能量品位匹配将来自不同储层的0)2分别注入，并利用太阳能将部分来自增强型地热系统的0)2持续加热，然后通过优化回热级数、优化抽气压缩级数以及调节回热器流量的方法，高效地将热量转换为电能，太阳能发电系统用于调峰用电保障，从而能够防止单一增强型地热发电为满足峰值用电而过量开发，因此本发明采用增强型地热和太阳能联合发电能够充分发挥增强型地热和太阳能各自的优势，并提高发电效率。2、本发明由于利用增强型地热系统中CO2在产出井中的浮升力效应，通过调整CO2的注入压力，使得产出井出口压力达到能量转换需要的运行压力，因此本发明能够减少注入泵耗功。3、本发明由于采用0)2为工质，0)2在产出井出口处于超临界状态，可直接进入透平中膨胀做功，CO2透平的尺寸预计是相同发电量下以水为工质的汽轮机的1/10，因此本发明在提高发电效率的同时能够降低透平尺寸。基于以上优点，本发明可以广泛应用于增强型地热与太阳能联合发电中。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明增强型地热与太阳能联合发电系统的结构示意图
[0017]图2是增强型地热系统的结构示意图
[0018]图3是基本负荷发电系统的结构示意图
[0019]图4是太阳能发电系统的结构示意图
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0021]如图1所示，本发明增强型地热与太阳能联合发电系统，包括一增强型地热系统1，一基本负荷发电系统2和一太阳能发电系统3。
[0022]如图2所示，本发明的增强型地热系统I包括第一热储层11和第二热储层12，在第一热储层11设置有第一注入井13和第一产出井14，在第二热储层12设置有第二注入井15和第二产出井16，第一热储层11的温度低于第二热储层12的温度。
[0023]如图3所示，本发明的基本负荷发电系统2包括关于CO2的第一超临界透平21、第二超临界透平22、气体冷却器23、第一压缩机24和第二压缩机25。第一超临界透平21入口通过一第一阀门26和管路与第一产出井14出口连接，第二超临界透平22入口通过一第二阀门27和管路与第二产出井16出口连接；第一超临界透平21和第二超临界透平22的出口通过管路均与气体冷却器23入口连接，气体冷却器23出口通过一第三阀门28和管路与第一压缩机24入口连接，同时通过一第四阀门29和管路与第二压缩机25入口连接，第一压缩机24出口通过管路与第一注入井13入口连接，第二压缩机25出口通过管路与第二注入井15入口连接。
[0024]如图4所示，本发明的太阳能发电系统3包括第一回热器31、第二回热器32、第三回热器33、第四回热器34、塔式太阳能接收器35、第三超临界透平36、第三压缩机37和第四压缩机38。第一回热器31的高压流体通道入口通过一第五阀门39和管路与第一产出井14出口连接，第一回热器31的高压流体通道出口通过管路与第二回热器32的高压流体通道入口连接，第二回热器32的高压流体通道入口通过一第六阀门40和管路与第二产出井16出口连接；第二回热器32的高压流体通道出口通过管路依次与第三回热器33和第四回热器34的高压流体通道入口连接，第四回热器34的高压流体通道出口通过管路与塔式太阳能接收器35入口连接，塔式太阳能接收器35出口通过管路与第三超临界透平36入口连接，第三超临界透平36出口通过管路依次与第四回热器34、第三回热器33和第二回热器32的低压流体通道入口连接；第二回热器32的低压流体通道出口通过一第七阀门41和管路与第三压缩机37入口连接，并通过一第八阀门42和管路与第一回热器31的低压流体通道入口连接，第一回热器31的低压流体通道出口通过一第九阀门43和管路与第四压缩机38入口连接，第三压缩机37出口通过管路与第四回热器34的高压流体通道入口连接，第四压缩机38出口通过管路与第三回热器33的高压流体通道入口连接。基本负荷发电系统2通过一第十阀门44与太阳能发电系统3连接，具体连接时，第十阀门44的一端通过管路与气体冷却器23入口连接，其另一端通过管路与第一回热器31的低压流体通道出口连接。第十阀门44用于调节太阳能发电系统3中从第一回热器31的低压流体通道出口排出的CO2乏汽进入基本负荷发电系统2中气体冷却器23的流量。
[0025]上述实施例中，如图1所示，第一注入井13的入口通过第一注入管路4与第一注入阀门5连接，第二注入井15的入口通过第二注入管路6与第二注入阀门7连接，最初经过加压的CO2通过第一注入阀门5和第一注入管路4充入第一注入井13，同时通过第二注入阀门7和第二注入管路6充入第二注入井15。并且当系统进入稳定运行状态后，通过第一、第二注入阀门5、7和第一、第二注入管路4、6对于系统中损失的CO2尤其是在第一热储层11和第二热储层12中流失的CO2进行补充。
[0026]本发明增强型地热与太阳能联合发电方法的基本原理是:作为工质的CO2在增强型地热系统I中吸收热量后温度升高，增强型地热系统I输出不同温度的具有一定压力的超临界CO2; —部分超临界CO 2进入基本负荷发电系统2中，基本负荷发电系统2将超临界CO2从增强型地热系统I中吸收的一部分热量转化为电能，作为电站的基本负荷；另一部分超临界CO2进入太阳能发电系统3中，太阳能发电系统3通过能量品位匹配，将来自不同热储层的0)2分别注入，然后通过优化回热级数、优化抽气压缩级数以及调节回热器流量的方法，利用太阳能将超临界0)2持续加热到一定温度后，高效地将热量转换为电能。
[0027]本发明增强型地热与太阳能联合发电方法包括以下步骤:
[0028]I)通过增强型地热系统I对0)2进行加热和压缩
[0029]①经过加压的0)2通过第一注入井13注入第一热储层11，通过第二注入井15注入第二热储层12，CO2分别在第一热储层11和第二热储层12中吸收热量，温度升高；
[0030]②由于CO2在第一热储层11和第二热储层12中温度升高产生的浮升力作用，CO2在第一产出井14的出口压力高于第一注入井13的注入压力，在第二产出井16的出口压力高于第二注入井15的注入压力；
[0031]③由于第二热储层12温度高于第一热储层11温度，如果采用同样的CO2注入压力，第二产出井16的出口压力就会高于第一产出井14的出口压力；通过改变第一注入井13和第二注入井15的注入压力，使第一产出井14和第二产出井16出口压力相同；压力相同而温度不同的CO2为基本负荷发电系统2和太阳能发电系统3提供热源和循环工质。
[0032]2)利用基本负荷发电系统2发电
[0033]①第一产出井14产出的CO2经第一阀门26进入第一超临界透平21，第二产出井16产出的CO2经第二阀门27进入第二超临界透平22，0)2在两超临界透平21、23中膨胀做功输出电能后，成为0)2乏汽；
[0034]②低压0)2乏汽通过管路进入气体冷却器23冷却，冷却后的CO 2乏汽分别送入第一压缩机24和第二压缩机25，第一压缩机24将0)2乏汽压缩到相应压力后，通过第一注入井13注入第一热储层11，第二压缩机25将CO2乏汽压缩到相应的压力后，通过第二注入井15注入第二热储层12。
[0035]上述第三阀门28用于将所在管路中CO2的流量调节到与第一注入井13相对应的注入流量，该流量是根据第一热储层11的特性以及第一热储层11被激发后的体积，通过优化计算得到的最优流量。第四阀门29用于将所在管路中CO2的流量调节到与第二注入井15相对应的注入流量，该流量是根据第二热储层12的特性以及第二热储层12被激发的体积，通过优化计算得到的最优流量。
[0036]3)利用太阳能发电系统3发电
[0037]①第一产出井14产出的CO2经第五阀门39进入第一回热器31的高压流体通道，与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第一回热器31出口处与第二产出井16产出的CO 2混合后进入第二回热器32的高压流体通道，在第二回热器32内与低压流体通道的0)2乏汽换热后，在第二回热器32的出口处与第四压缩机38压缩后输出的CO2流体混合进入第三回热器33的高压流体通道，在第三回热器33内与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第三回热器33的出口处与第三压缩机37压缩后输出的CO2流体混合进入第四回热器34的高压流体通道内，在第四回热器34内与低压流体通道内的0)2乏汽换热；经过四次升温后的0)2进入塔式太阳能接收器35中，吸收太阳能的热量达到运行温度后进入第三超临界透平36中，膨胀做功输出电能后，成为0)2乏汽；
[0038]②低压CO2乏汽通过管路依次进入第四回热器34、第三回热器33和第二回热器32的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第二回热器32的低压流体通道排出的0)2乏汽中的一部分通过第七阀门41进入第三压缩机37，另一部分通过第八阀门42进入第一回热器31的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第一回热器31的低压流体通道排出的0)2乏汽中的一部分通过第九阀门43进入第四压缩机38，另一部分通过第十阀门44进入气体冷却器23，从气体冷却器流出的CO2的流向与在基本负荷发电系统2的流向相同，不再赘述。
[0039]上述第一阀门26和第二阀门27分别用于控制进入基本负荷发电系统2的所在管路中0)2的流量，以保证基本负荷，按照中国的峰谷用电负荷特点，该负荷为电站总负荷的70%，因此第一阀门26和第二阀门27的流量控制是基于对CO2在热储层及注入井和产出井中的流动和传热计算及其在基本负荷系统中的能量转换情况计算基础上进行的。
[0040]第五阀门39用于控制进入太阳能发电系统3的所在管路中0)2的流量，以满足调峰发电需求，按照中国的峰谷用电负荷特点，该负荷为电站总负荷的30%。第六阀门40用于控制进入太阳能发电系统3的所在管路中的0)2的流量，以通过流量调节使得流经第二回热器32的高低压流体的热容相近，进而保证第二回热器32中高低压流体的传热温差最优。因此第五阀门39和第六阀门40的流量控制是基于对CO2在热储层及注入井和产出井中的流动和传热计算及其在太阳能发电系统3中的能量转换情况计算基础上进行的。
[0041]第七阀门41用于控制进入第三压缩机37的抽气压缩流量，第八阀门42用于控制进入第一回热器31的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第一回热器31的高低压流体的热容相近，进而保证第一回热器31中高低压流体的传热温差最优。第九阀门43用于控制进入第四压缩机38的抽气压缩流量，第十阀门44用于控制进入气体冷却器23的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第三回热器33的高低压流体的热容相近，进而保证第三回热器33中高低压流体的传热温差最优。
[0042]实施例:增强型地热系统I中第一热储层11位于地下3000m深处，其温度为145°C ;第二热储层12位于地下6000m深处，其温度为225°C。根据增强型地热系统I的技术要求，将第一注入井13和第一产出井14均设置在第一热储层11中，将第二注入井15和第二产出井16均设置在第二热储层12中。
[0043]向第一注入井13中注入压力为17.8MPa、温度为57°C、流量为132kg/s的C02，C02通过第一注入井13注入第一热储层11，CO2在第一热储层11中吸收热量后通过第一产出井14产出，第一产出井14产出压力为20MPa、温度为81°C的超临界C02。向第二注入井15注入压力为9.0MPa、温度为37°C的C02，0)2通过第二注入井15注入第二热储层12，CO 2在第二热储层12中吸收热量后通过第二产出井16产出，第二产出井16产出压力为20MPa、温度为116°C的超临界C02。
[0044]第一产出井14产出的流量为122kg/s的超临界CO2通过第一阀门26进入第一超临界透平21中膨胀做功后得到CO2乏汽，CO 2乏汽的压力降低到8.5MPa，CO 2乏汽进入气体冷却器23中被环境介质冷却到35°C，第三阀门28将从气体冷却器23排出的35°C的0)2流体的流量调节为132kg/s，流量为132kg/s的CO2流体进入第一压缩机24，第一压缩机24将CO2流体从8.5MPa压缩到17.8MPa，CO 2流体的温度从35°C升高到57°C ;第一压缩机24排出的压力为17.8MPa、温度为57°C的0)2通过第一注入井13进入第一热储层11中。
[0045]第二产出井16产出的流量为121kg/s超临界CO2通过第二阀门27进入第二超临界透平22中膨胀做功后得到CO2乏汽，压力降低到8.5MPa，CO2乏汽进入气体冷却器23中被环境介质冷却到35°C，第四阀门29将从气体冷却器23排出的35°C的CO2流体的流量调节为126kg/s，流量为126kg/s的CO2流体进入第二压缩机25，第二压缩机25将CO 2流体从
8.5MPa压缩到9.0MPa, CO2流体的温度从35°C升高到37°C ;第二压缩机25排出的压力为
9.0MPa、温度为37°C的0)2通过第二注入井15进入第二热储层12。
[0046]第一产出井14产出的流量为lOkg/s的超临界CO2通过第五阀门39进入第一回热器31的高压流体通道，与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，温度升高到116°C ;温度为116°C的CO2与第二产出井16产出的流量为6kg/s的同温同压的超临界CO 2混合后进入第二回热器32的高压流体通道，在第二回热器32内与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，温度升高到180°C;温度为180°C的CO2与经过第四压缩机38压缩后输出的CO2混合进入第三回热器33的高压流体通道，在第三回热器33内与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，温度升高到220°C;温度为220°C的CO2与经过第三压缩机37压缩后输出的流量为4kg/s的同温同压的CO2流体混合进入第四回热器34的高压流体通道，并继续在第四回热器34中与低压流体通道内的0)2乏汽换热，温度升高到551°C，温度为551°C的CO 2进入塔式太阳能接收器35中，吸收太阳能后温度升高到700°C，成为高温、高压的具有做功能力的超临界C02。温度为700°C的0)2进入第三超临界CO 2透平38中膨胀做功，得到温度为587°C、压力为8.5MPa的高温CO2乏汽，该高温CO 2乏汽依次进入第四回热器34、第三回热器33和第二回热器32的低压流体通道内，并向高压流体通道内的CO2放热，温度降低为131°C。温度为131°C的CO2乏汽分成两股，流量为4kg/s的一股CO 2乏汽经第七阀门41进入第三压缩机37中，第三压缩机37将CO2乏汽压缩到20MPa，温度升高到220°C，压缩后的CO 2与从第三回热器33流出的同温同压的高压CCV混合；流量为18kg/s的另一股CO2乏汽通过第八阀门41进入第一回热器31的低压流体通道内，并向高压流体通道内的CO2放热，温度降低为96°C;第一回热器31的低压流体通道排出的温度为96°C的CO2乏汽分成两股，流量为3kg/s的一股CO2乏汽通过第九阀门43进入第四压缩机38中，第四压缩机38将CO2乏汽压缩到20MPa、温度升高到116°C，压缩后的0)2与从第二回热器32的高压流体通道内排出的同温、同压的CO2混合；流量为15kg/s的另一股CO2乏汽通过第十阀门44与第一超临界透平21和第二超临界透平22排出的CO2乏汽混合后进入气体冷却器23，CO 2乏汽被环境介质冷却到35°C后分别通过第三阀门28和第四阀门29进入第一压缩机24和第二压缩机25中，经第一压缩机24和第二压缩机25压缩后分别注入第一注入井13和第二注入井15。
[0047]本发明根据增强型地热系统I的特性及激发情况，确定基本负荷发电系统2和太阳能发电系统3的发电负荷；本发明根据增强型地热系统I的特性及激发情况，以及太阳能吸收器的运行参数，确定系统的运行压力和第一注入井13和第二注入井15的注入压力；本发明根据第一产出井14和第二产出井16的出口温度，按照能量匹配的原则，将不同储层产出的不同品位的CO2分别注入循环系统中；本发明的回热级数依据高低压流体的比热容随温度的变化特点，以及第一产出井14和第二产出井16的出口温度确定，以使各回热器中的高压和低压流体通道内的流体以最优传热温差运行。本发明通过热储层传热流动计算、能量匹配方法以及0)2物性分析，精确设计回热级数、抽气压缩级数、各流道流量，以达到最优的热功转换效率。不考虑除第一压缩机24、第二压缩机28、第三压缩机37和第四压缩机38外的辅助及保障系统的用电，全系统的热电转换效率能够达到31.2%;同时，通过流量分配使得本发明在最小投资的情况下既能够满足基本用电负荷，同时也能够保证峰值用电负荷。
[0048]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其具体包括以下内容: 1)设置一包括增强型地热系统、基本负荷发电系统和太阳能发电系统的增强型地热与太阳能联合发电系统； 2)作为工质的CO2在所述增强型地热系统中吸收热量后温度升高，所述增强型地热系统输出不同温度的具有一定压力的超临界CO2; 3)一部分超临界0)2进入所述基本负荷发电系统中，所述基本负荷发电系统将超临界CO2从所述增强型地热系统中吸收的一部分热量转化为电能，作为电站的基本负荷； 4)另一部分超临界CO2进入所述太阳能发电系统中，所述太阳能发电系统通过热储层传热流动计算、能量匹配方法以及0)2物性分析，优化回热级数、抽气压缩级数、各流道流量，利用太阳能将超临界0)2持续加热到一定温度后，通过超临界透平将热量转换为电能。
2.如权利要求1所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述步骤2)中，所述增强型地热系统输出不同温度的具有一定压力的超临界CO2，其具体包括以下内容: ①设置一增强型地热系统，其包括第一热储层和第二热储层，在第一热储层设置有第一注入井和第一产出井，在第二热储层设置有第二注入井和第二产出井，第一热储层的温度低于第二热储层的温度； ②经过加压的CO2通过第一注入井注入第一热储层，通过第二注入井注入第二热储层，0)2分别在第一热储层和第二热储层中吸收热量，温度升高； ③由于CO2在第一热储层和第二热储层中温度升高产生的浮升力作用，CO2在第一产出井的出口压力高于第一注入井的注入压力，在第二产出井的出口压力高于在第二注入井的注入压力； ④由于第二热储层温度高于第一热储层温度，如果采用同样的0)2注入压力，第二产出井的出口压力就会高于第一产出井的出口压力；通过调整第一注入井和第二注入井的注入压力，使第一产出井和第二产出井出口压力相同；压力相同而温度不同的CO2为基本负荷发电系统和太阳能发电系统提供热源。
3.如权利要求2所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述步骤3)中，利用基本负荷发电系统发电，其具体包括以下内容: ①设置一基本负荷发电系统，其包括关于CO2的第一超临界透平、第二超临界透平、气体冷却器、第一压缩机和第二压缩机；第一超临界透平入口通过一第一阀门和管路与第一产出井出口连接，第二超临界透平入口通过一第二阀门和管路与第二产出井出口连接；第一超临界透平和第二超临界透平的出口通过管路均与气体冷却器入口连接，气体冷却器出口通过一第三阀门和管路与第一压缩机入口连接，同时通过一第四阀门和管路与第二压缩机入口连接，第一压缩机出口通过管路与第一注入井入口连接，第二压缩机出口通过管路与第二注入井入口连接； ②第一产出井产出的CO2经第一阀门进入第一超临界透平，第二产出井产出的CO2经第二阀门进入第二超临界透平，CO2在两超临界透平中膨胀做功输出电能后，成为0)2乏汽； ③CO2乏汽通过管路进入气体冷却器冷却，冷却后的CO2乏汽分别送入第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机将0)2乏汽压缩到相应压力后，通过第一注入井注入第一热储层，第二压缩机将CO2乏汽压缩到相应的压力后，通过第二注入井注入第二热储层。
4.如权利要求3所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述第一阀门和第二阀门分别用于控制进入基本负荷发电系统的所在管路中0)2的流量，以保证基本负荷。
5.如权利要求3所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述第三阀门用于将所在管路中CO2的流量调节到与第一注入井相对应的注入流量，所述第四阀门用于将所在管路中CO2的流量调节到与第二注入井相对应的注入流量。
6.如权利要求1所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述步骤4)中，利用太阳能发电系统发电，其具体包括以下内容: ①设置一太阳能发电系统，其包括第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、塔式太阳能接收器、第三超临界透平、第三压缩机和第四压缩机； 第一回热器的高压流体通道入口通过一第五阀门和管路与第一产出井出口连接，第一回热器的高压流体通道出口通过管路与第二回热器的高压流体通道入口连接，第二回热器的高压流体通道入口通过一第六阀门和管路与第二产出井出口连接；第二回热器的高压流体通道出口通过管路依次与第三回热器和第四回热器的高压流体通道入口连接，第四回热器的高压流体通道出口通过管路与塔式太阳能接收器入口连接，塔式太阳能接收器出口通过管路与第三超临界透平入口连接，第三超临界透平出口通过管路依次与第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道入口连接；第二回热器的低压流体通道出口通过一第七阀门和管路与第三压缩机入口连接，并通过一第八阀门和管路与第一回热器的低压流体通道入口连接，第一回热器的低压流体通道出口通过一第九阀门和管路与第四压缩机入口连接，第三压缩机出口通过管路与第四回热器的高压流体通道入口连接，第四压缩机出口通过管路与第三回热器的高压流体通道入口连接； ②第一产出井产出的0)2经第五阀门进入第一回热器的高压流体通道，与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第一回热器出口处与第二产出井产出的CCV混合后进入第二回热器的高压流体通道，在第二回热器内与低压流体通道的CO2乏汽换热后，在第二回热器的出口处与第四压缩机压缩后输出的CO2流体混合进入第三回热器的高压流体通道，在第三回热器内与低压流体通道内的CO2乏汽换热后，在第三回热器的出口处与第三压缩机压缩后输出的0)2流体混合进入第四回热器的高压流体通道内，在第四回热器内与低压流体通道内的0)2乏汽换热；经过四次升温后的CO2进入塔式太阳能接收器中，吸收太阳能的热量达到运行温度后进入第三超临界透平中，膨胀做功输出电能后，成为0)2乏汽； ③低压CO2乏汽通过管路依次进入第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第二回热器的低压流体通道排出的CO2乏汽中的一部分通过第七阀门进入第三压缩机，另一部分通过第八阀门进入第一回热器的低压流体通道，并向高压流体通道的CO2放热；从第一回热器的低压流体通道排出的CO2乏汽中的一部分通过第九阀门进入第四压缩机，另一部分通过第十阀门进入气体冷却器中冷却；冷却后的CO2乏汽分别送入第一压缩机和第二压缩机，第一压缩机将CO 2乏汽压缩到相应压力后，通过第一注入井注入第一热储层，第二压缩机将CO2乏汽压缩到相应的压力后，通过第二注入井注入第二热储层。
7.如权利要求6所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述第五阀门用于调节进入所述太阳能发电系统的所在管路中0)2的流量，以满足调峰发电需求；第六阀门用于控制进入太阳能发电系统的所在管路中的0)2的流量，以通过流量调节使得流经第二回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第二回热器中高低压流体的传热温差最优。
8.如权利要求6所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述第七阀门用于控制进入第三压缩机的抽气压缩流量，所述第八阀门用于控制进入第一回热器的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第一回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第一回热器中高低压流体的传热温差最优。
9.如权利要求6所述的一种增强型地热与太阳能联合发电方法，其特征在于:所述第九阀门用于控制进入第四压缩机的抽气压缩流量，所述第十阀门用于控制进入气体冷却器的乏汽流量，以通过流量调节使得流经第三回热器的高低压流体的热容相近，进而保证第三回热器中高低压流体的传热温差最优。
10.一种实现如权利要求1?9任一项所述发电方法的增强型地热与太阳能联合发电系统，其特征在于:它包括增强型地热系统、基本负荷发电系统和太阳能发电系统； 所述增强型地热系统包括第一热储层和第二热储层，在所述第一热储层设置有第一注入井和第一产出井，在所述第二热储层设置有第二注入井和第二产出井，所述第一热储层的温度低于所述第二热储层的温度； 所述基本负荷发电系统包括关于CO2的第一超临界透平、第二超临界透平、气体冷却器、第一压缩机和第二压缩机；所述第一超临界透平入口通过一第一阀门和管路与所述第一产出井出口连接，所述第二超临界透平入口通过一第二阀门和管路与所述第二产出井出口连接；所述第一超临界透平和所述第二超临界透平的出口通过管路均与所述气体冷却器入口连接，所述气体冷却器出口通过一第三阀门和管路与所述第一压缩机入口连接，同时通过一第四阀门和管路与所述第二压缩机入口连接，所述第一压缩机出口通过管路与所述第一注入井入口连接，所述第二压缩机出口通过管路与所述第二注入井入口连接； 所述太阳能发电系统包括第一回热器、第二回热器、第三回热器、第四回热器、塔式太阳能接收器、第三超临界透平、第三压缩机和第四压缩机；所述第一回热器的高压流体通道入口通过一第五阀门和管路与所述第一产出井出口连接，所述第一回热器的高压流体通道出口通过管路与所述第二回热器的高压流体通道入口连接，所述第二回热器的高压流体通道入口通过一第六阀门和管路与所述第二产出井出口连接；所述第二回热器的高压流体通道出口通过管路依次与所述第三回热器和第四回热器的高压流体通道入口连接，所述第四回热器的高压流体通道出口通过管路与所述塔式太阳能接收器入口连接，所述塔式太阳能接收器出口通过管路与所述第三超临界透平入口连接，所述第三超临界透平出口通过管路依次与所述第四回热器、第三回热器和第二回热器的低压流体通道入口连接；所述第二回热器的低压流体通道出口通过一第七阀门和管路与所述第三压缩机入口连接，并通过一第八阀门和管路与所述第一回热器的低压流体通道入口连接，所述第一回热器的低压流体通道出口通过一第九阀门和管路与所述第四压缩机入口连接，所述第三压缩机出口通过管路与所述第四回热器的高压流体通道入口连接，所述第四压缩机出口通过管路与所述第三回热器的高压流体通道入口连接； 所述基本负荷发电系统通过一第十阀门与所述太阳能发电系统连接，所述第十阀门的一端通过管路与所述气体冷却器入口连接，其另一端通过管路与所述第一回热器的低压流体通道出口连接； 所述第一注入井的入口通过第一注入管路与第一注入阀门连接，所述第二注入井的入口通过第二注入管路与第二注入阀门连接，最初经过加压的CO2通过所述第一注入阀门和第一注入管路充入所述第一注入井，通过所述第二注入阀门和第二注入管路充入所述第二注入井；并且通过所述第一、第二注入阀门和第一、第二注入管路对在所述第一热储层和第二热储层中流失的CO2进行补充。
【文档编号】F03G4/00GK104481824SQ201410758251
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】姜培学, 张富珍, 胥蕊娜, 欧阳小龙 申请人:清华大学