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一种地热、燃气以及超临界二 氧化 碳联合发电系统

阅读：1017发布：2020-10-21

专利汇可以提供一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，包括地热加热系统、燃气加热系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统。本发明通过地热加热系统和燃气加热系统为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环提供能量来源，超临界二氧化碳流体首先与地热加热系统进行换热，当被加热到一定温度后，再进入燃气加热系统进行二次加热，被加热到透平进口温度和压力的超临界二氧化碳流体作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环的工质，推动透平进行做功，透平带动发电机组产生电能。本发明为地热能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环的应用提供了新的思路。，下面是一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：包括地热加热系统、燃气加热系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统；其中，所述的地热加热系统包括地热开采井(1)，该地热开采井(1)的出口与抽水泵(3)的进口连通，抽水泵(3)的出口与热水泵(4)的进口连接，热水泵(4)的出口与地热能加热换热器(5)的地热水进口连接，地热能加热换热器(5)的地热水出口与回灌井(2)的进口连接；
所述的燃气加热系统包括喷注器(6)，喷注器(6)的出口与燃烧室(7)的进口连接，燃烧室(7)的出口与燃气加热换热器(8)的燃气进口连接，燃气加热换热器(8)的燃气出口与燃气排气接收装置(9)的进口连接；
所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环动力发电系统包括透平(15)，透平(15)的出口与高温回热器(10)的高温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器(10)的高温侧超临界二氧化碳流体出口与低温回热器(11)的高温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器(11)的高温侧超临界二氧化碳流体出口分两路，一路和再压缩机组(14)的进口连接，再压缩机组(14)的出口与高温回热器(10)的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，另一路和冷凝器(12)的进口连接，冷凝器(12)的出口与主压缩机组(13)的进口连接，主压缩机组(13)的出口与低温回热器(11)的低温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器(11)的低温侧超临界二氧化碳流体出口与高温回热器(10)的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器(10)的低温侧超临界二氧化碳流体出口与地热能加热换热器(5)的超临界二氧化碳流体进口连接，透平(15)的进口与燃气加热换热器(8)的超临界二氧化碳流体出口连通，且透平(15)用于带动发电机组(16)发电。
2.根据权利要求1所述的一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：喷注器(6)安装有三个进口，分别通入燃料、氧化剂和水，燃料、氧化剂和水三种推进剂均通过喷注器(6)进入燃烧室(7)直接参与燃烧，燃气发生装置采用直接燃烧式三组元燃烧方式，形成温度和其他参数可调的混合燃气。
3.根据权利要求1所述的一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统使用超临界二氧化碳为工质。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：热水泵(4)的出口与地热能加热换热器(5)的地热水进口连接管路上安装有第一控制阀(F1)，用于控制地热水进入地热能加热换热器(5)的流量；地热能加热换热器(5)的地热水出口与回灌井(2)的进口连接管路上安装有第二控制阀(F2)及第三控制阀(F3)分别用来控制地热水从地热能加热换热器(5)流出的流量及返回回灌井(2)的流量；抽水泵(3)的出口与热水泵(4)的进口连接管路和第二控制阀(F2)与第三控制阀(F3)的连接管路之间安装有第四控制阀(F4)，用来防止地热能加热换热器(5)出现故障时，使地热水能顺利返回回灌井(2)。
5.根据权利要求4所述的一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：当系统正常工作时，打开第一控制阀(F1)、第二控制阀(F2)和第三控制阀(F3)，关闭第四控制阀(F4)，此时，地热开采井中的热水，经抽水泵(3)的作用，进入通入地热能加热换热器(5)的管道，通过热水泵(4)的做功，进入地热能加热换热器(5)中与从高温回热器(10)中流出的超临界二氧化碳流体进行换热，换热后的地热水经回流通道返回回灌井(2)之中，构成回路，在回流通道上的第二控制阀(F2)及第三控制阀(F3)，控制地热水返流的流量，当系统出现故障时，关闭第一控制阀(F1)和第二控制阀(F2)，打开第三控制阀(F3)和第四控制阀(F4)，此时地热水不经过地热能加热换热器(5)，而直接返回回灌井(2)；
燃料、氧化剂和水三种推进剂通过喷注器(6)进入燃气发生器，预混后，进入燃烧室(7)直接参与燃烧，形成高温的混合燃气，混合燃气通过燃烧室(7)的出口进入燃气加热换热器(8)中与从地热能加热换热器(5)流出的超临界二氧化碳流体进行换热，对超临界二氧化碳流体进行二次加热，换热后的混合燃气进入燃气排气接收装置(9)中进行处理；
透平(15)出口的二氧化碳流体先进入高温回热器(10)进行放热，后进入低温回热器(11)再次进行换热，而后，一部分二氧化碳流体直接通往再压缩机组(14)被压缩，另一部分二氧化碳流体先进入冷凝器(12)进行冷却后，再进入主压缩机组进行压缩，然后，再次通过低温回热器(11)回热到与直接被再压缩机组(13)压缩的二氧化碳流体相同的温度，两股流体混合后一起再流经高温回热器(10)、地热加热换热器(5)和燃气加热换热器(8)，最后流入透平(15)进行做功，透平(15)带动发电机组(16)发电，形成闭式循环。

说明书全文

一种地热、燃气以及超临界二氧化 碳联合发电系统

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，用于地热能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环的应用。背景技术：

[0002] 近年来随着工业的发展，能源大量的消耗引起的问题更是日益突出。化石燃料的加速消耗带来了的许多环境问题，如全球变暖、酸雨、臭氧层破坏、陆地海洋的污染等。

[0003] 因此，不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球的生态环境的高度来审视，还是从为世界上约20亿无电人口和特殊用途解决现实的能源供应出发，开发利用新能源和可再生能源具有重大战略意义。根据联合国世界能源评价报告2007年的数据，2007年风力发电年利用系数是21％(一年中有21％的时间在工作)，太阳能利用系数为14％，而地热能的利用系数是72％，是风能的3.4倍，太阳能的5.1倍。可再生能源中，地热能与其他可再生能源相比，地热能投资和运营成本低、利用系数高、几乎不受天气和气候的影响、发电稳定等优点，使得地热能非常具有竞争力，因此加强地热能的研究利用比较有应用潜力和意义。

[0004] 利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO2)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。如产生20MW电力的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环气轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环汽轮机(效率较低，体积约为超临界二氧化碳气轮机的30倍)。发明内容：

[0005] 本发明的目的在于提供一种能够提高能源利用效率，提供稳定供电电源，同时为地热能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环的应用提供新思路的一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

[0007] 一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，包括地热加热系统、燃气加热系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统；其中，

[0008] 所述的地热加热系统包括地热开采井，该地热开采井的出口与抽水泵的进口连通，抽水泵的出口与热水泵的进口连接，热水泵的出口与地热能加热换热器的地热水进口连接，地热能加热换热器的地热水出口与回灌井的进口连接；

[0009] 所述的燃气加热系统包括喷注器，喷注器的出口与燃烧室的进口连接，燃烧室的出口与燃气加热换热器的燃气进口连接，燃气加热换热器的燃气出口与燃气排气接收装置的进口连接；

[0010] 所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环动力发电系统包括透平，透平的出口与高温回热器的高温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器的高温侧超临界二氧化碳流体出口与低温回热器的高温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器的高温侧超临界二氧化碳流体出口分两路，一路和再压缩机组的进口连接，再压缩机组的出口与高温回热器的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，另一路和冷凝器的进口连接，冷凝器的出口与主压缩机组的进口连接，主压缩机组的出口与低温回热器的低温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器的低温侧超临界二氧化碳流体出口与高温回热器的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器的低温侧超临界二氧化碳流体出口与地热能加热换热器的超临界二氧化碳流体进口连接，透平的进口与燃气加热换热器的超临界二氧化碳流体出口连通，且透平用于带动发电机组发电。

[0011] 本发明进一步的改进在于：喷注器安装有三个进口，分别通入燃料、氧化剂和水，燃料、氧化剂和水三种推进剂均通过喷注器进入燃烧室直接参与燃烧，燃气发生装置采用直接燃烧式三组元燃烧方式，形成温度和其他参数可调的混合燃气。

[0012] 本发明进一步的改进在于：所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统使用超临界二氧化碳为工质。

[0013] 本发明进一步的改进在于：热水泵的出口与地热能加热换热器的地热水进口连接管路上安装有第一控制阀，用于控制地热水进入地热能加热换热器的流量；地热能加热换热器的地热水出口与回灌井的进口连接管路上安装有第二控制阀及第三控制阀分别用来控制地热水从地热能加热换热器流出的流量及返回回灌井的流量；抽水泵的出口与热水泵的进口连接管路和第二控制阀与第三控制阀的连接管路之间安装有第四控制阀，用来防止地热能加热换热器出现故障时，使地热水能顺利返回回灌井。

[0014] 本发明进一步的改进在于：当系统正常工作时，打开第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀，关闭第四控制阀，此时，地热开采井中的热水，经抽水泵的作用，进入通入地热能加热换热器的管道，通过热水泵的做功，进入地热能加热换热器中与从高温回热器中流出的超临界二氧化碳流体进行换热，换热后的地热水经回流通道返回回灌井之中，构成回路，在回流通道上的第二控制阀及第三控制阀，控制地热水返流的流量，当系统出现故障时，关闭第一控制阀和第二控制阀，打开第三控制阀和第四控制阀，此时地热水不经过地热能加热换热器，而直接返回回灌井；

[0015] 燃料、氧化剂和水三种推进剂通过喷注器进入燃气发生器，预混后，进入燃烧室直接参与燃烧，形成高温的混合燃气，混合燃气通过燃烧室的出口进入燃气加热换热器中与从地热能加热换热器流出的超临界二氧化碳流体进行换热，对超临界二氧化碳流体进行二次加热，换热后的混合燃气进入燃气排气接收装置中进行处理；

[0016] 透平出口的二氧化碳流体先进入高温回热器进行放热，后进入低温回热器再次进行换热，而后，一部分二氧化碳流体直接通往再压缩机组被压缩，另一部分二氧化碳流体先进入冷凝器进行冷却后，再进入主压缩机组进行压缩，然后，再次通过低温回热器回热到与直接被再压缩机组压缩的二氧化碳流体相同的温度，两股流体混合后一起再流经高温回热器、地热加热换热器和燃气加热换热器，最后流入透平进行做功，透平带动发电机组发电，形成闭式循环。

[0017] 相对于现有技术，本发明通过地热加热系统和燃气加热系统为超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环提供热量，超临界二氧化碳流体先与地热加热系统进行换热，被加热到一定温度后，再进入燃气加热系统进行换热，被加热到透平进口的温度和压力的超临界二氧化碳流体作为超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环的工质，推动透平进行做功，透平带动发电机组产生电能。在整个联合发电系统中，地热能和燃气燃烧产生的热能作为超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环发电系统的热源，实现超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)动力循环，通过二氧化碳透平拖动发电机组产生电能，提高了能源利用效率，并提供了稳定的供电电源。本系统为地热能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环的应用提供了新的思路。附图说明：

[0018] 图1是本发明结构示意图；

[0019] 图中：1、地热开采井，2、回灌井，3、抽水泵，4、热水泵，5、地热能加热换热器，6、喷注器，7、燃烧室，8、燃气加热换热器，9、燃气排气接收装置，10、高温回热器，11、低温回热器，12、冷凝器，13、主压缩机组，14、再压缩机组，15、透平，16、发电机组，F1、第一控制阀，F2、第二控制阀，F3、第三控制阀，F4、第四控制阀。具体实施方式：

[0020] 下面结合附图对本发明进行详细说明。

[0021] 参见图1，本发明一种地热、燃气以及超临界二氧化碳联合发电系统，包括地热加热系统、燃气加热系统和超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环发电系统。

[0022] 其中，所述的地热加热系统包括地热开采井1、回灌井2、抽水泵3、热水泵4、地热能加热换热器5、第一控制阀F1、第二控制F2、第三控制F3和第四控制F4，地热开采井1的出口与抽水泵3的进口连通，抽水泵3的出口与热水泵4的进口连接，热水泵4的出口与地热能加热换热器5的地热水进口连接，地热能加热换热器5的地热水出口与回灌井2的进口连接，热水泵4的出口与地热能加热换热器5的地热水进口连接管路上安装有第一控制阀F1，地热能加热换热器5的地热水出口与回灌井2的进口连接管路上安装有第二控制阀F2及第三控制阀F3；抽水泵3的出口与热水泵4的进口连接管路和第二控制阀F2与第三控制阀F3的连接管路之间安装有第四控制阀F4；当系统正常工作时，打开第一控制阀F1、第二控制阀F2和第三控制阀F3，关闭第四控制阀F4，此时，地热开采井中的热水，经抽水泵3的作用，进入通入地热能加热换热器5的管道，通过热水泵4的做功，进入地热能加热换热器5中与从高温回热器10中流出的超临界二氧化碳流体进行换热，换热后的地热水经回流通道返回回灌井2之中，构成回路，在回流通道上的第二控制阀F2及第三控制阀F3，控制地热水返流的流量，当系统出现故障时，关闭第一控制阀F1和第二控制阀F2，打开第三控制阀F3和第四控制阀F4，此时地热水不经过地热能加热换热器5，而直接返回回灌井2。

[0023] 所述的燃气加热系统包括喷注器6、燃烧室7和燃气加热换热器8，喷注器6的出口与燃烧室7的进口连接，燃烧室7的出口与燃气加热换热器8的燃气进口连接，燃气加热换热器8的燃气出口与燃气排气接收装置9的进口连接；燃料、氧化剂和水三种推进剂通过喷注器6进入燃气发生器，预混后，进入燃烧室7直接参与燃烧，形成高温的混合燃气，混合燃气通过燃烧室7的出口进入燃气加热换热器8中与从地热能加热换热器5流出的超临界二氧化碳流体进行换热，对超临界二氧化碳流体进行二次加热，换热后的混合燃气进入燃气排气接收装置9中进行处理。本发明采用直接燃烧式三组元燃气发生器，可形成温度和其他参数均可大范围调节的混合燃气，且燃烧室内气体温度较低，热防护更简单，省去了降温室，燃气发生器在高效、可靠工作的同时，结构也更简单。

[0024] 所述的超临界二氧化碳(S-CO2)再压缩布雷顿(Brayton)循环动力发电系统包括高温回热器10、低温回热器11、冷凝器12、主压缩机组13、再压缩机组14、透平15和发电机组16，透平15的出口与高温回热器10的高温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器10的高温侧超临界二氧化碳流体出口与低温回热器11的高温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器11的高温侧超临界二氧化碳流体出口分两路与其他装置连接，一路和再压缩机组14的进口连接，再压缩机组14的出口与高温回热器10的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，另一路和冷凝器12的进口连接，冷凝器12的出口与主压缩机组13的进口连接，主压缩机组13的出口与低温回热器11的低温侧超临界二氧化碳流体进口连接，低温回热器11的低温侧超临界二氧化碳流体出口与高温回热器10的低温侧超临界二氧化碳流体进口相连，高温回热器10的低温侧超临界二氧化碳流体出口与地热能加热换热器5的进口连接，透平15的进口与燃气加热换热器8的出口连通；透平15出口的二氧化碳流体先进入高温回热器10进行放热，后进入低温回热器11再次进行换热，而后，一部分二氧化碳流体直接通往再压缩机组14被压缩，另一部分二氧化碳流体先进入冷凝器12进行冷却后，再进入主压缩机组进行压缩，然后，再次通过低温回热器11回热到与直接被再压缩机组13压缩的二氧化碳流体相同的温度，两股流体混合后一起再流经高温回热器10、地热加热换热器5和燃气加热换热器8，最后流入透平15进行做功，透平15带动发电机组16发电，形成闭式循环。

[0025] 可再生能源中，地热能与其他可再生能源相比，地热能投资和运营成本低、利用系数高、几乎不受天气和气候的影响、发电稳定等优点，使得地热能非常具有竞争力。

[0026] 直接燃烧式三组元燃气发生器将传统的双组元推进剂与调温介质直接混合燃烧，形成温度和其他参数均可大范围调节的混合燃气，且燃烧室内气体温度较低，热防护更简单，省去了降温室，燃气发生器在高效、可靠工作的同时，结构也更简单。

[0027] 本发明超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环动力系统中，由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，既节约成本，又节省空间。

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