本发明涉及发电站，特别是涉及汽轮机发电站。

许多资料证明了汽轮机发电站的好处。与发电机结合的汽轮机（一般用以为国家的电力网供电）能够提供显著超过燃气轮机、柴油机或汽油发动机的输出，例如，每台汽轮机1200兆瓦以上;它可使用各种燃料;一般发电站汽轮机预定运行200，000小时以上，这相当于现行燃气轮机寿命的许多倍。汽轮机在大功率生产方面未遇到剧烈的竞争，同时，还广泛应用于中、小功率生产厂中。

尽管世世代代的蒸汽工程技术人员们拥有有关的技术并作了不少的努力，现代蒸汽动动力装置效率仍然不高，耗汽量大，因而迫切需要改进;目前，几乎没有市售的汽轮机能将50%可利用的燃料能转化为有用功。为将单位发电量的成本保持在最低水平，蒸汽工程技术人员和发电厂设计人员们都坚持不懈地力图尽量降低蒸汽消耗率，同时，尽量提高蒸汽动力装置的热效率。

有一种公知的提高效率的方法是令蒸汽动力装置在高压蒸汽循环下工作，但是，即使周知的将蒸汽过热到冶金极限值的习惯作法也不会单独使汽轮机的废汽干燥度维持在0.9以上，而在想使末排涡轮叶片的腐蚀维持在容许范围内时总希望能达到这一点。因此，许多现有的蒸汽动力装置采用了重复加热的方法，即，将高压（过热）蒸汽送入高压透平中，使其膨胀到中等压力，于是，蒸汽在接 近恒压的情况下再加热到更高的温度，通常是原来的温度，此后，蒸汽在低压透平中进一步膨胀;由于每公斤蒸汽所作的功提高了，因而，蒸汽用量减少了，同时，使该装置的效率提高了10%之多。采用重复加热的系统一般采用可能达到的最高透平进口压力。

即使在大气压的情况下，蒸汽也包含相当大的能量。因此，许多发电站预定将蒸汽从透平出口排到一个真空中（例如，由使用冷却剂的冷凝器构成的真空），其目的是取出其大部分剩余的热量，这时，蒸汽就再以水的形式出现。但蒸汽循环中促成效率差的一个主要根源仍然是那些在废汽中浪费掉了的热量，因此设计上应考虑的重要问题是尽量降低这项损失，其方法是：采用尽量低的排汽压力，包括采用尽量低的冷却剂温度。

废汽一经冷凝下来，就需要大量的泵耗电量使水达到锅炉压力，而这个耗电量通常是要作为“废电力”从汽轮机所产生的电力中减去的。

本发明的一个目的是提高汽轮机发电站的效率。因此，根据本发明的一个特征，我们提供这样一种发电站，它包括：具有水进口管道和蒸汽出口管道的锅炉，具有蒸汽进口和蒸汽出口的汽轮机和具有蒸汽进口液体出口的冷凝器，汽轮机的蒸汽出口的标高比冷凝器蒸汽进口的低，这种发电站的特征在于：汽轮机的蒸汽出口由一真空竖井与冷凝器的进口连接起来，竖井的垂直高度超过200米。

实用上真空竖井的垂直高度在2公里至30公里的范围内，其两端的标高差一般为5公里。该真空竖井最好在毗邻汽轮机蒸汽出口处具有2.75米的最小直径，此直径朝冷凝器方向不断增大，使蒸汽能够以水蒸汽中声速的0.75倍（以大约275米/秒的 速度为宜）往上传送到冷凝器中。在将冷凝水抽出以维持水面基本恒定的情况下，冷凝器支座的高度最好至少为10米，以便有助于蒸汽不断地往上送。

在使冷凝器的液体出口高于汽轮机蒸汽进口的情况下，所产生的流体静压位差能在三个方面起节约能量的作用。第一，小部分的流体静压位差补偿了排水管中的摩擦损失。第二，较大部分的流体静压位差免除了另外设置水泵来泵送供到锅炉水进口处的水并使其升压的需要。第三，若存在更大的流体静压位差（这在为了充分利用本发明而建议加大标高差的情况下是可能发生的），则压力对现行可使用的材料来说可能会变得过大，这时，如果在排水管中装入水轮机就可利用这些过剩的压力来额外发电。这样，随着标高差的增加，驱动另外的水泵和/或地热注入泵所需要的附加电力就不断地减少，同时/或者也可以加设一个水轮机来额外发电。

作为本发明的特有特征，在汽轮机出口上侧增设泵耗电量的需要并不抵消（在汽轮机出口下侧）（废）泵耗电量的减少或消除，因为，废汽在冷凝液从冷凝器抽出过程的不断的促进下，借助于真空竖井以蒸汽状态被传送着。由于冷凝器处于较大的标高，因而现有冷却剂的温度通常较低，这样就可以提高所形成的真空度和/或提高标高差。

显然，现有的适当邻近山峰的发电站不难按本发明进行改装，使得真空竖井沿山腰往上升到这样的标高，即，在该标高上，冷却剂的温度显著低于地面标高上的温度。不然，也可以将真空竖井支撑在一个塔架或高筑物上。但是，我们预见到本发明最广的应用可能是在地热能源附近，特别是来自热干岩体的热源，借助于公知的注 入和生产井系统将热量从热干岩体中引出;最好是利用来自生产井的、经地热加热过的水借助于热交换器来预热或邦助预热锅炉水，例如，所述预热器位于安全安置在地面以下的深井或矿井中的锅炉附近，冷凝器则可能是安置在地面上的。但是，锅炉/汽轮机组最好是深深安置在平面以下，冷凝器则大体上在地平面上方，以便提供尽可能大的标高差。

作为本发明的另一特征，我们可以在地热系统的生产井与汽轮机之间设置能承受高温和高压的加热室或等效装置（例如管段），并且，对该装置进行辅助性加热（从汽轮机驱动的发电机获得的附加浸没式电加热），以此将由生产井收到的经地热加热过的水的温度进一步提高到所希望的锅炉温度;这种辅助性加热装置使我们可以有价值地利用商业利用价值不太理想的2级（即低温）地热现场。由于加热室的位置通常是远在地平面以下，因而，加热室的内容物会处于高压，从而，即使它处于其在大气压下的沸点之上，通常也仍然处于液相状态;此后，其中一部分内容物在通过汽轮机时会急骤蒸发成蒸汽以发电。

美国专利4，201，060公开了一种利用地热发电站发电的方法，但该专利没有提出利用真空竖井或冷凝器与汽轮机之间标高差的教导。

现在参看所附示意图，通过举例说明本发明的内容。附图中：

图1是本发明地热系统的一个实施例;

图2是本发明的另一个实施例;

图3是某一地热现场一系列注入井的平面图;

图4是一个基本的蒸汽循环;

图5是本发明热电站的示意图，其中，给水是经由地热热源预热的;

图6是与图5类似的布局形式，只是其中热电站系安置在地面以下相当深的深度;

图7是普通的（地平面）热电站;

图8是中间再热两级膨胀式汽轮机的焓与熵的关系曲线。

从图1中可以看到，发电站包括地热注入井10和生产井12;但在另一个实施例中，注入井和/或生产井的数目可以是很多的。尽管图中所示的井10和12是垂直延伸，在该两井之间水平配置有碎岩储池14，但这些井也可以是倾斜的，且注入井处在生产井的下方（通常是垂直正下方）。

考虑到该现场的地质条件，双井10、12系钻成6公里的深度，即，在热干岩体的深度16以下，通常即选取深度16作为储池温度超过200℃的标高;一般说来，各井10、12的顶部直径为44、45厘米，该顶部环抱着33.9厘米直径的钢套管，其间的环式空间灌以水泥。

使用时，用泵或泵系统18将水压入井10（注入井）中，于是，水透过热干岩体储热池14的缝隙中，因而，在沿着井12（生产井）向上移动之前被加热。在另一种布局（供更艰巨的现场地质条件用的布局和/或本发明的一个特征所容许的、利用较低地热储池温度的布局）中，注入井10的直径可取23厘米，且将井10钻成4公厘的深度以便从温度（仅）为例如150℃的储池中吸取热量;当然，钻孔的深度和热岩体储池14的温度会随现场的情况而变化。不言而喻，可用任何能使带压的流体在井10与12 之间流动的方法将该两井互连起来，以便吸收地热的热量，甚至可以用联管连接起来。

生产井12没有往上延伸到地平面20上。可以看到，从地平面20或局部地平面往下一直到标高24处挖有深井22。深井22的直径以3米为宜，而标高24在本实施例中是在地平面20下面1.5公里处。在另一个实施例中有一个以上的深井，各深井往上一直通到地面20，因此，处在大气压或接近大气压的压力下，并且，各深井挖到地平面20以下至少200米（但通常显著超过该深度）的标高24处。

深井22下面有一个能耐高压高温的保温容器26;容器26的标高在热干岩体储池14顶部16上方，顶部16在地平面20下面至少50米处，在标高24下面至少10米处。在一个实施例中，容器26在地平面20下面1.5公里的深度处。生产井12与容器26相连，因而，容器26中的带压流体处于高温和高压;但是，容器26的内容物还可用辅助加热装置28进一步加热，最方便的是采用浸没式电加热器，但也可以如图所示通过容器壁用例如一个或一个以上的燃煤或燃木或燃油的燃烧器（一般可以视如何方便而就地取材）来加热容器26的内容物，这样就可以（在储池温度在200℃以下，但最好在150℃以上的情况下）利用2级地热现场的地热热量，或者避免需要钻出极大的深度以达到温度在200℃以上的储池，例如避免需要钻到或超出现行周知的（苏联某一油井）12公里的最大深度。在另一个实施例中配备了一个以上的容器26。

在深井22的底部或底部附近有一个接收来自水轮机32的溢 流出的热液体的槽30。第一真空室34与槽30连通，第二真空室38与汽轮机36的出口连通。水轮机32和汽轮机36通过耐压保温管道40和液/汽分离器接收来自容器26的流体。在一个实例中，从管40进入各透平的带压流体其最小压力为2.01公斤/平方厘米（＝30磅/平方英寸＝30×6.895千帕斯卡），各透平出口端的最大（大气）压力则为1.02公斤/平方厘米（14.7磅/平方英寸），可产生0.99公斤/平方厘米的最小压差。在更为一般的实施例中，透平进口压力在19.53公斤/平方厘米（280磅/平方英寸）以上，温度为210℃，在85℃下的出口压力为0.56公斤/平方厘米（8磅/平方英寸）。

槽30连接一个带操作泵33的辅助钻井31，因而，任何过量的水可以往下泵送到储池14，然后重新循环。

真空室34、38由各自的导管50、52连接到真空冷凝室54;导管50、52的一端53a、53b连接到相应的室34、38，另一端55a、55b连接到室54。真空冷凝室54是供散热用的，因而，它有一个或多个冷却盘管56。尽管在诸示意图中没有表示出来，但在一个实施例中，冷却盘管56中循环流通有象海水之类的盐水，盐水经过加热后被排出，以便进一步加热和淡化，而在第二个实施例中使用了淡水，经加热后被排出，供某一地区或其它加热设施之用;在另一个实施例中，盐水溶液沿注入井往下泵送，当水在沿着生产井向上移动之前蒸发时，盐分就留在地下。

冷凝室54带有与冷凝液储槽或水箱60连接着的真空立管58。泵62通过冷凝液出口57从槽60抽水，最好使槽60或真空立管58中的水位大致保持恒定，然后，通过管线63把水送 到注入井10上的泵18中;但在另一个实施例中，例如泵62可以把水送到饮水源中。水从水槽60中被排出的过程导致在真空立管58、冷凝室54，因而也在导管50、52中产生（部分）真空（因而形成真空竖井），从而促使在导管50中有（蒸发了的）蒸汽流过，在导管52中有水蒸汽流过，即，存在直到真空冷凝室54的真空提升作用。一般说来，真空冷凝室54中的压力为0.14公斤/平方厘米（2磅/平方英寸），真空室34、38中的压力为0.6公斤/平方厘米（8.5磅/平方英寸）。为进一步促使蒸汽汽流流向（也许超过1.5公里的距离，但在任何情况下至少超过200米的距离）真空冷凝室54，导管50、52在室34、38附近的直径可以取7米，而在真空冷凝室54附近扩大到10米的直径;真空冷凝室的直径可大于导管的直径，即大于10米。在另一个实施例中，真空室34、38的直径为6米，导管50、52在真空室34、38附近的直径也为6米，在真空冷凝室54附近增大到12米。在示意图的实施例中，真空立管58的最小高度为10米。

起动本系统时，需要来自系统外部的能源。但一经起动就不需要这个能源或者用它作为地热能的辅助能源。

在图2的实施例中，导管110a是注入井的上部分，它通到位于深井122井底或其附近（在地平面下面约3千米）的水轮机132中;导管110b是注入井的下部分，它从水轮机132一直通到地热储池14中。因此，在本实施例中，导管110a长约3公里，导管110b长1公里。本实施例的好处在于该注入井或各注入井无需作为单独的钻井从地平面开始钻孔。

在图3的另一个实施例中，从深井的井底钻有多个与垂线成一定角度的注入钻井110b（这又可以节省从地平面开始钻多个井的费用），因而，地热储池在直径为X的范围内开有引流孔;在图3的实施例中，X＝3公里。为方便起见，在开始的准备工作过程中，可以让钻杆穿过固定在深井侧壁上的导向托架179中，各导向托架取竖向装置形式，一般说来，在深井周围成多角形地配置有足量的配套装置供36个注入井用，在本实施例中，在地下2.5公里深度处，这些配套装置的排列展宽成喇叭形，以适应深井122底部的朝外的斜坡123，即，斜坡123是从2.5公里标高处开始的。

外倾斜坡123在深井122井底形成扩大的室，作为能源室之用。在该能源室中有一个带蒸汽出口或排汽口137的汽轮机136。该能源室还包括一个或多个分离器/除气器139，它将加热到210℃的液体送给汽轮机，而且，还连接到另一个注入井131，分离出来的水（处于或略低于沸点）即可通过注入井131泵送回地热储池14中再循环。和图1中的实施例一样，分离器/除气器都通过辅助加热室126加有来自生产井12的流体。

从图2中可以看到，真空导管150的一部分是由深井122的井壁构成的。深井122是挖掘出来的成直线的垂直竖井，它一般延伸到地下2.5公里与3.0公里之间的深度;深井的横截面最好是大得足以支撑除上述内部竖井外的另一些内部竖井（图中未示出），这些竖井一般包括：窗口式提升笼的提升井，供能源室的通风用的上下通风竖井，而这种深井的实用直径约为11米。钻孔初期用作钻杆导向托架的支架179可以再用作注入导管110a 的支架。

使用时如果要起动，可先将基本给水量的水往下沿注入井泵送，将冷凝器154灌满水，这时，汽轮机136的出口137是关闭的。抽出真空导管150中的空气，使其中的压力降到大气压以下，从而，使导管150变成真空竖井;将水泵出冷凝器154（但保留槽160和真空立管158中的水）时，出口137打开，于是，在地热储池14中（必要时也包括辅助加热槽或容器126中）经加热过的一部分水以水蒸汽的形式从出口137出来，进入真空导管150底部，由于真空导管两端之间存在着压差，因而促使该水蒸汽往上流入真空导管中。

起动之后，在一般的装置中是将水以例如900公斤/秒的流量沿注入井往下泵送，并在地热储池14中加热到150℃左右;然后，在辅助加热室126中进一步加热到210℃，但是，由于所处压力的缘故，水仍然基本上处于液态。通过分离器/除气器139、汽轮机136和汽轮机出口137时，有大约15%的液体被转化成水蒸汽，剩下的85%的、具有正好100℃（即，水在大气压下的沸点）或更低温度的液体仍然保持水的状态;该剩余的水借助于泵和注入导管131从分离器139再循环回到地热储池14中，在注入导管131中，水与另一些往下注入井110a/110b中的新加的水混合。经地热加热过的水“混合物”借助于五个或更多的成对注入/生产井返回到汽轮机136中，于是，在适当时候，蒸汽以接近900公斤/秒的流速（即，接近于沿注入井向下的质量传递速率）从出口137涌出。蒸汽沿着真空导管150向上的质量传递速率约为声音在该（真空）压力下在水蒸汽 中速率的0.7倍左右，（若真空导管的横截面不太大则）合适的最小流速为250米/秒。

水轮机132一般在进口压力为454公斤/平方厘米（6500磅/平方英寸）和出口压力为0.14公斤/平方厘米（2磅/平方英寸）的情况下输出为12兆瓦。汽轮机在通过其中的闪蒸的蒸汽为900公斤/秒的情况下其输出为28兆瓦。

对来自生产井的水可能带来会给锅炉和/或透平造成困难的溶盐或其它物质的现场，可以在锅炉附近的深井中设置交换器，以预热锅炉水，通常是在“地热”废水再注入热岩体系统的情况下预热从冷凝器54、154回来的冷凝水。

实施例1（图4）

b为锅炉，t为透平，c为冷凝器，p为泵。

要使压力为22兆帕斯卡，温度为750℃的1000公斤水蒸汽膨胀成0.002337兆帕斯卡的压力。熵S和焓h的数值可以从各种工具书找到-例如Mayhew    Y.R.和Rogers    G.F.C编写的《流体的热力学和传递性能》〔（Oxford）Basil.Blackwell出版社1977年版〕，特别是该书第8页，其中列出了h和s在22兆帕斯卡（220巴）的值，于是，通过外推法得出：

在750℃下的h＝3930

在750℃下的S＝6.891

假设在透平中的膨胀是等熵膨胀，则透平出口处蒸汽湿度可由透平入口蒸汽的熵与透平出口蒸汽的熵之间的差值除以流体转化为蒸汽的熵求出，即

（8.666-6.891）÷8.370＝0.212

透平出口处的焓可由蒸汽的焓减去湿度与流体转化为蒸汽时的焓的乘积求出，即

2537.6-0.212×2453.7＝2017.4

透平在传递流速为1000公斤/秒时的热力学输出功等于入口焓与透平出口焓的差值，即

3930-2017.4＝1912.6（千焦/公斤）

为确定锅炉的负载，假设蒸汽是在透平的出口处在20℃下冷凝成20℃的水，且假设此冷凝水用作锅炉的给水，则

锅炉给水的焓＝83.9

锅炉出输的焓二汽轮机进口的焓＝3930

锅炉的负载＝3930-83.9

＝3846.1（千焦/公斤）

＝3846.1兆瓦（蒸汽流量为1000公斤/秒时）。

为确定泵的功率，假设要把20℃，0.002337兆帕斯卡的1000公斤的水泵送成22兆帕斯卡的水，则

泵功率＝压力×容积流量

＝压力×重量流量/密度

＝（22-0.002337）×1兆

＝22兆（帕斯卡）

净热功率

＝透平功率-泵功率

＝1912.6-22

＝1890.6（兆瓦）

从图5中可以看到，真空竖井252是用以将水蒸汽在高度差H下从透平出口237往上传送到真空管冷凝器254中的。水泵258经由热交换器261给锅炉259供水。泵263从生产管线264抽取经地热加热过的水并促使它在热交换器261中流动，然后，沿注入井265往下流动。透平236驱动着发电机266。透平236具有第一再加热管线267和第二再加热管线268。对发电站循环过程的一些假设：

煤的热值：36兆焦/公斤

蒸汽/水在锅炉和透平中的循环流速：1000公斤/秒

锅炉效率：90%

透平/发电机效率75%

泵效率：90%

湿度（低压膨胀端）：10%

真空竖井的高度H：2公里

透平的输入蒸汽：-进口温度500℃

-进口压力38兆帕斯卡，

锅炉给水：-进口温度225℃

-进口压力38兆帕斯卡

实施例2

本实施例涉及图5的装置。各系统值适合于不同的透平排气条件，即，透平出口温度为35，40，45，50，70℃（对应于0.00536，0.00737，0.00957，0.0123和0.0312兆帕斯卡的出口压力）。

所需要的泵258的理论功率（23兆瓦）是根据容积流率和 泵255两端的压降计算出来的，即，1000×（38-15）千瓦。所述15兆帕斯卡是从2公里落差的静压位差（即2×9.81＝18.62兆帕斯卡）减去3.5兆帕斯卡的排水管在流速为1000公斤/秒时的摩擦损失（假设三个管的管径为225毫米）近似得到的。

假设地热系统的泵送功率为17兆瓦，因此，泵的总功率理论值为17+23＝40兆瓦，这就是说，在90%效率下的（附加）吸入功率为44.4兆瓦。

图8描出了两级再热系统的焓h与熵s的关系曲线。透平的进口温度为500℃，下面的两条线分别表示100%和10%的湿度。

焓差的和为（A-B）+（C-D）+（E-F）千焦/公斤

该循环的热功率输出TPO等于蒸汽流率（公千/秒）与焓差的和的乘积，因此将各值代入得出：

TPO＝1000×〔（2942.8-2807）+（3239-2649.2）+（3437-2322.7）〕

＝1875.9兆瓦

因此，发电量（效率75%）为1406.9兆瓦。

加到该循环的理论供热量等于流率与焓值的乘积。该焓值等于（图8）A点处的焓与F点处的焓之间的差值，加上C与B之间的焓差值以及E与D之间的焓差值，而根据已知的各值则为1000×〔（2942.8-146.6）+（3239-2807）+（3473-2649.2）〕即4052.1兆瓦。

地热部分等于热交换器的锅炉侧与冷凝器侧之间的焓差，而根 据各假设条件的已知值，等于972-108.8即867.2兆瓦。

因此，加到该循环中的外部热量理论值等于上述所加的理论热量减去地热部分，即4052.1-867.2＝3184.8兆瓦。

实际所加的热量等于3184.8/90%＝3538.7兆瓦。

因此，耗煤量为3538.7×1000×3600/36×1000，即，353.87吨/小时。

每兆瓦发电量的耗煤量＝353.87/1362.5

＝0.2596吨/小时。

采用这种构形时，各有关数据如下：

（A）

透平出口    可利用的    发电量    所需要的    可利用的

温度    热功率    泵功率    功率

35    1875.9    1406.9    44.4    1362.5

40    1828    1371    44.4    1326.6

45    1795.8    1346.8    44.4    1302.5

50    1736.6    1302.5    44.4    1258.1

70    1574.3    1180.7    44.4    1136.3

加热器的    地热    加热器    （B）    B/A

理论要求值    部分    净要求值    耗煤量

4052    867.2    3184.8    353.86    0.2596

3993.6    846.7    3146.9    349.66    0.2635

3950.5    825.3    3125.2    347.2    0.2666

3880.5    804.6    3076    341.78    0.2716

3674    720.9    2953.1    328.1    0.2887

在本实施例中，因为从电网提取的驱动泵机用的（附加）功率在各情况下均为44.4兆瓦，所以，发电量在各情况下要减去此值以求出可利用的功率（兆瓦）。耗煤量以吨为单位。

实施例3

本实施例涉及图6的装置。假设温度和压力与实例2的一样，因而，所发出的电量与（实施例2）各对应透平出口温度的发电量相同。但是，在提供超过44.4兆帕斯卡的5公里流体静压位差的情况下，就不需要从电网上提取附加功率供泵258使用，因而，可利用的净功率等于发电量。此外，对加热器的要求也和实施例2对应的透平出口温度的一样，但是，由于没有地热部分，故外部部分应提供所有所需要的热量;因而，耗煤量增加，耗煤量与净功率输出的比值则照旧。

透平出口    （A）    外加热器    （B）    B/A

温度    净功率    要求    耗煤量

35    1406.7    4052    450.2    0.3200

40    1871    3993.6    443.73    0.3236

45    1346.8    3950.5    438.94    0.3259

50    1302.5    3880.5    431.2    0.3311

70    1180.7    3674    408.2    0.3457

实施例4

各假设条件与实施例2的相同，但涉及图7的装置。

给定两个不相上下的透平出口温度，即，50℃和70℃。这里只比较了这些较高的出口温度，因为冷凝器与透平同标高，因而，冷却剂照旧。

这些透平出口温度下的发电量与实施例2/3的一样，但所要求的泵的理论功率是38兆瓦（即，应从90%效率下的实际需用功率42.2兆瓦减去某值）。加热器的理论要求值与实施例3的相同，因而，实际耗煤量照旧。但耗煤量与净功率输出的比值比实例2/3的低。

透平出口    发电量    泵功率    （A）    加热器    （B）    B/A

温度    净功率    理论功率    耗煤量

50    1302.5    42.2    1260.3    3880.5    431.17    0.3421

70    1180.7    42.2    1138.5    3674    408.22    0.3586

显然，在冷凝器的标高显著高于透平标高，因而，也显著高于锅炉标高的情况下，本发明的真空竖井的利用提供了相当大的流体静压位差，即，锅炉入口处的输入压力。透平两端的高的压力差使得有可能在没有预计的高附加泵耗情况下得到高的透平输出。