一种地热发电试验系统及其运行方法与流程

本发明涉及地热发电技术领域，尤其涉及一种地热发电试验系统及其运行方法。

背景技术：

地热资源因其储量丰富、环境友好、可再生等优点使其有望成为代替传统化石能源的新能源之一。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能，地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。

对地热发电设备的各项参数实地建立地热发电系统进行测试，不仅消耗大量的人力、物力和财力，并且容易受到自然和气候等条件的影响或限制，导致实地测试地热相关参数变得异常困难且显得不切实际，因此，建立室内地热发电试验系统来模拟实际地热发电成为一种解决方案。

然而，现有的用来模拟实际地热发电的室内地热发电试验系统，系统所需的热水主要通过电加热或燃气加热等方式来提供，而电加热或燃气加热等的方式耗能高，并且现有地热发电试验系统采用发电机的发电效率也不高，此外，现有地热发电试验系统需要通过独立外接负载来测试发电系统的发电功率和发电总量，不仅造成模拟地热发电装置测试系统变得更加复杂，占地面积更大，也造成了对能源的极大浪费，导致地热试验的成本极高，严重影响了地热发电技术的发展和进步。因此，现有技术还有待于改进。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地热发电试验系统及其运行方法，旨在解决现有的地热发电试验系统直接通过电加热或燃气加热等方式来制取热水，耗能高的技术问题，并且解决了现有地热发电试验系统需要通过独立外接负载来测试发电系统的发电功率和发电总量的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种地热发电试验系统，其中，包括发电机组，与所述发电机组蒸发端相连的高温侧换热机组，与所述发电机组冷凝端相连的低温侧换热机组，连接于所述高温侧换热机组和低温侧换热机组的高温热泵机组，以及连接于所述低温侧换热机组的风冷热泵机组。

所述的地热发电试验系统，其中，所述发电机组包括依次循环连接的工质泵，蒸发器，发电机和冷凝器。

所述的地热发电试验系统，其中，所述的发电机为磁悬浮发电机。

所述的地热发电试验系统，其中，所述高温侧换热机组包括高温水箱和第一换热器，所述高温水箱，第一换热器和蒸发器依次循环连接；所述低温侧换热机组包括低温水箱和第二换热器，所述低温水箱，第二换热器和冷凝器依次循环连接。

所述的地热发电试验系统，其中，所述高温热泵机组包括第一压缩机和第一节流阀，所述第一压缩机，第一换热器，第一节流阀和第二换热器依次循环连接。

所述的地热发电试验系统，其中，所述发电机与所述第一压缩机电连接。

所述的地热发电试验系统，其中，所述风冷热泵机组包括依次循环连接的第二压缩机，板式换热器，第二节流阀和风冷换热器，所述板式换热器与所述低温水箱相连。

一种地热发电试验系统的运行方法，其中，包括步骤：

启动风冷热泵机组，风冷热泵机组为热泵模式，所述热泵模式为板式换热器为冷凝器，风冷换热器为蒸发器，利用板式换热器将高温水箱和低温水箱内的水加热到40-50℃；

待高温水箱和低温水箱内的水温度达到40-50℃后，启动高温热泵机组，同时利用高温热泵机组管道中的有机工质在高温侧换热机组和低温侧换热机组之间循环换热，将高温水箱内的水加热到90-100℃；

待高温水箱内的水的温度达到90-100℃后，关闭风冷热泵机组，通过高温侧换热机组作为发电机的热源，低温侧换热机组作为发电机的冷源，利用发电机进气口和出气口两侧温差和压差驱动发电机进行发电。

所述的地热发电试验系统的运行方法，其中，还包括步骤：

当低温水箱中的温度高于50℃时，风冷热泵机组启动制冷模式，所述制冷模式为板式换热器为蒸发器，风冷换热器为冷凝器，通过板式换热器为低温侧换热机组水箱内的水散热，使低温水箱内水的温度维持在40-50℃。

所述的地热发电试验系统的运行方法，其中，还包括步骤：

发电机发电后，通过发电机发出的电能与市电联合驱动高温热泵机组运转，并通过高温热泵机组中的第一压缩机来测量发电机的发电功率和发电总量。

有益效果：本发明提供的一种地热发电试验系统及其运行方法，其中所述系统包括发电机组，与所述发电机组蒸发端相连的高温侧换热机组，与所述发电机组冷凝端相连的低温侧换热机组，连接于所述高温侧换热机组和低温侧换热机组的高温热泵机组，以及连接于所述低温侧换热机组的风冷热泵机组。本发明的地热发电试验系统利用风冷热泵机组吸取空气中的热量来给高温侧换热机组和低温侧换热机组进行加热，同时，热水和电力采取自循环方式，较采用电加热或燃气加热等供热方式而言，极大的降低了能源损耗，并且在电力自循环过程实时测试了发电机组的发电功率和发电总量；此外，当发电机采用磁悬浮发电机组时，大大减少了机械损失，提高了发电机的发电效率，节省了电能，降低了试验的成本。

附图说明

图1为本发明较佳的一种地热发电试验系统结构示意图；

图2为本发明较佳的一种发电机组结构示意图；

图3为本发明较佳的一种地热发电试验系统的运行方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种地热发电试验系统及其运行方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供的一种地热发电试验系统，包括发电机组10，与所述发电机组蒸发端相连的高温侧换热机组20，与所述发电机组冷凝端相连的低温侧换热机组30，连接于所述高温侧换热机组和低温侧换热机组的高温热泵机组40，以及连接于所述低温侧换热机组的风冷热泵机组50。

地热资源因其储量丰富、环境友好、可再生等优点使其有望成为代替传统化石能源的新能源之一。但是，地热开发利用过程中所用地热发电机的设计及优化需要基于实际的地热参数，而在野外地热井现场测量发电机的效率显然不切实际，不仅需要耗费大量的财力物力，而且发电机还会受到天气等野外环境因素的干扰而影响工作效率，因此有必要建立实验室一体化热水供控系统对地热发电机发电性能进行测量，以便为后续地热发电机的参数优化进行指导。目前，实验室常用的热水供控系统主要采取采取电加热或燃气加热等方式，不仅能源消耗大，而且需要通过独立外接负载来测试发电系统的发电功率和发电总量，造成模拟地热发电装置测试系统变得更加复杂，发电机系统占地面积大。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案的地热发电试验系统，包括发电机组，高温侧换热机组，低温侧换热机组，高温热泵机组和风冷热泵机组，本发明的地热发电试验系统能够利用风冷热泵机组吸取空气中的热量来给高温侧换热机组中的热水和低温侧换热机组中的热水进行加热，同时，热水和电力采取自循环方式，较采用电加热或燃气加热等方式来加热热水的方式而言，极大的降低了能源损耗，并且在电力自循环过程实时测试了发电机组的发电功率和发电总量；此外，当地热发电试验系统采用磁悬浮发电机组来发电时，能够大大减少机械损失，提高发电机的发电效率，产生的电能更多，效率更高，显著的降低了试验的成本，能够极大地促进地热发电技术的发展。

参见图2，在一种优选的实施方式中，所述发电机组包括依次循环连接的工质泵60，蒸发器70，发电机80和冷凝器90。本发明的发电机组是利用了有机朗肯循环的发电机组，理想的有机朗肯循环主要包括等熵压缩，等压加热，等熵膨胀以及一个等压冷凝过程。

本发明具体的工作过程为：液态的有机工质在蒸发器中加热变为气态，气态的有机工质在发电机中膨胀做功带动发电机转动发电，发电后气态的有机工质在冷凝器中冷凝为液态，冷凝后液态有机工质在工质泵中增压。

在一种优选的实施方式中，所述的发电机为磁悬浮发电机。磁悬浮发电机采用磁悬浮轴承技术大大减少了机械损失从而能够提高发电机的效率，成为实现地热高效利用的有利选择。

参见图1，在一种优选的实施方式中，所述高温侧换热机组包括高温水箱100和第一换热器110，所述高温水箱，第一换热器和蒸发器依次循环连接；所述低温侧换热机组包括低温水箱120和第二换热器130，所述低温水箱，第二换热器和冷凝器依次循环连接。优选的，本发明中的高温侧换热机组和低温侧换热机组均包括有循环泵，该循环泵可以为普通热水循环泵，需要注意的是本发明技术方案中高温水箱中高温的水温范围为90-100℃，低温水箱中的水温范围是40-50℃。

参见图1，在一种优选的实施方式中，所述高温热泵机组包括第一压缩机140和第一节流阀150，所述第一压缩机，第一换热器，第一节流阀和第二换热器依次循环连接。在一种优选的实施方式中，第一换热器为冷凝器，第二换热器为蒸发器，具体工作时，即在高温水箱和低温水箱内的水温度达到预定范围(40-50℃)后，启动高温热泵机组，同时利用高温热泵机组管道中的有机工质在高温侧换热机组和低温侧换热机组之间循环换热，通过第一换热器（冷凝器）来给高温水箱内的水进行加热，同时通过第二换热器（蒸发器）给低温水箱中的水进行降温，将高温水箱内的水加热到更高的温度范围（90-100℃）。此外，本发明技术方案中的节流阀可以和单向阀串联组合成单向节流阀，从而控制工质在管道内的实现单向流动；另外，本发明的节流阀还可以和溢流阀配合组成节流调速系统，从而精准的控制管道内部工质在管道内流量的大小。

参见图1，在一种优选的实施方式中，所述发电机与所述第一压缩机电连接。在该种实施方式中，本发明的地热发电试验系统能够实现部分电力的自循环，在本发明的技术方案中，由于产生的电能比消耗的电能要少，但是本发明的地热发电机所发出的电能要优先于市电为高温热泵机组供电，并通过高温热泵机组中的第一压缩机来测量发电机的发电功率和发电总量，以此来达到既可以测试发电机效率的目的，又实现了运行期间系统只需为高温热泵机组提供部分电能目的，起到节能的作用。

参见图1，在一种优选的实施方式中，所述风冷热泵机组包括依次循环连接的第二压缩机160，板式换热器170，第二节流阀180和风冷换热器190，所述板式换热器与所述低温水箱相连。本发明技术方案中的风冷热泵机组相当于一种空气源热泵机组，空气源热泵是指能够通过蒸发器把空气中的低温热量吸收进来，经过有机/无机介质气化，然后通过压缩机压缩后增压升温，再通过冷凝器转化给水加热，压缩后的高温热能以此来加热水温，具有高效节能的特点，制造相同的热水量，节能效率是一般电热水器的4-6倍，其年平均热效比是电加热的4倍，利用能效高。因此，采用本发明技术方案的地热发电试验系统能够较采用电加热或燃气加热等技术方案更加节约能源，能够极大的促进地热发电技术的发展。

本发明公开一种地热发电试验系统，其主要包括风冷热泵机组、低温侧换热机组、高温侧换热机组、高温热泵机组、发电机组。地热发电试验系统采取自循环的运行方式，可以实现提供每小时100吨流量、温度为95℃的热水用于模拟中低温地热发电机的测试，系统运行时只需向风冷热泵机组和循环泵提供部分电能以及向高温热泵机组提供部分电能，地热发电机所发电量直接提供给高温热泵机组使用，并通过高温热泵机组中的第一压缩机来测量发电机的发电功率和发电总量。本发明一种地热发电试验系统的结构紧凑，占地面积小，且不受外界自然环境气候干扰，运行稳定，易于操作，节省电能并且能实时测试出地热发电机的发电效率和功率，具有广阔的应用场景。

此外，参见图3，本发明还提供了一种地热发电试验系统的运行方法，包括步骤：

s100、启动风冷热泵机组，风冷热泵机组为热泵模式，所述热泵模式为板式换热器为冷凝器，风冷换热器为蒸发器，利用板式换热器将高温水箱和低温水箱内的水加热到40-50℃；

s200、待高温水箱和低温水箱内的水温度达到40-50℃后，启动高温热泵机组，同时利用高温热泵机组管道中的有机工质在高温侧换热机组和低温侧换热机组之间循环换热，将高温水箱内的水加热到90-100℃；

s300、待高温水箱内的水的温度达到90-100℃后，关闭风冷热泵机组，通过高温侧换热机组作为发电机的热源，低温侧换热机组作为发电机的冷源，利用发电机进气口和出气口两侧温差和压差驱动发电机进行发电。

在一种优选的实施方式中，所述地热发电试验系统的运行方法还包括步骤：

s400、当低温水箱中的温度高于50℃时，风冷热泵机组启动制冷模式，所述制冷模式为板式换热器为蒸发器，风冷换热器为冷凝器，通过板式换热器为低温侧换热机组水箱内的水散热，使低温水箱内水的温度维持在40-50℃。

在一种优选的实施方式中，所述地热发电试验系统的运行方法还包括步骤：

s500、发电机发电后，通过发电机发出的电能与市电联合驱动高温热泵机组运转，并通过高温热泵机组中的第一压缩机来测量发电机的发电功率和发电总量。

本发明的地热发电试验系统，在高温侧，高温热泵技术将从发电机出来的尾水再次加热到90-100℃（优选为95℃），其热源来自低温侧换热机组。在低温侧，通过高温热泵技术，将从发电机排出的冷凝水的部分热量用于加热高温侧从发电机出来的尾水，另一部分热量通过风冷热泵机组冷却散热以维持低温侧换热机组内温度恒定为40-50℃（优选为45℃），温度能够更加稳定，完全能够实现发电机组的持续稳定发电。

综上所述，本发明提供了一种地热发电试验系统及其运行方法，其中所述系统包括发电机组，与所述发电机组蒸发端相连的高温侧换热机组，与所述发电机组冷凝端相连的低温侧换热机组，连接于所述高温侧换热机组和低温侧换热机组的高温热泵机组，以及连接于所述低温侧换热机组的风冷热泵机组。本发明的地热发电试验系统利用风冷热泵机组吸取空气中的热量来给高温侧换热机组和低温侧换热机组进行加热，较采用电加热或燃气加热等供热方式而言，极大的降低了能源损耗；此外，当发电机采用磁悬浮发电机组时，磁悬浮发电机大大减少了机械损失，提高了发电机的发电效率，节省了电能，降低了试验的成本。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。