一種地熱、燃氣以及超臨界二氧化碳聯合發電系統的制作方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種地熱、燃氣以及超臨界二氧化碳聯合發電系統，用于地熱能源的利用以及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓動力循環的應用。
【背景技術】
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[0002]近年來隨著工業的發展，能源大量的消耗引起的問題更是日益突出。化石燃料的加速消耗帶來了的許多環境問題，如全球變暖、酸雨、臭氧層破壞、陸地海洋的污染等。
[0003]因此，不論是從經濟社會走可持續發展之路和保護人類賴以生存的地球的生態環境的高度來審視，還是從為世界上約20億無電人口和特殊用途解決現實的能源供應出發，開發利用新能源和可再生能源具有重大戰略意義。根據聯合國世界能源評價報告2007年的數據，2007年風力發電年利用系數是21% (—年中有21%的時間在工作)，太陽能利用系數為14%，而地熱能的利用系數是72%，是風能的3.4倍，太陽能的5.1倍。可再生能源中，地熱能與其他可再生能源相比，地熱能投資和運營成本低、利用系數高、幾乎不受天氣和氣候的影響、發電穩定等優點，使得地熱能非常具有競爭力，因此加強地熱能的研宄利用比較有應用潛力和意義。
[0004]利用超臨界流體擬臨界區物性突變現象，將壓縮機運行點設置在擬臨界溫度附近的大密度區，將換熱器運行點設置在擬臨界溫度之后的低密度區，可以在保證氣體冷卻的前提下，降低壓縮功耗，實現較高的效率。超臨界流體的這一性質使其作為能量轉換工質時具有明顯的優勢。二氧化碳(CO2)由于其臨界壓力相對適中(7.38MPa)，具有較好的穩定性和物理性質，在一定的溫度范圍內表現出惰性氣體的性質，以及其無毒、儲量豐富、天然存在等特性，被認為是最具應用前景的能量傳輸和能量轉換工質之一。由于超臨界二氧化碳(S-CO2)在一定的運行參數范圍內密度較大且無相變，因此以超臨界二氧化碳(S-CO2)為工質的壓縮機、氣輪機等動力系統設備結構緊湊、體積較小。如產生2(MW電力的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統，占用空間只有四個立方米。超臨界二氧化碳(S-CO2)布雷頓(Brayton)循環氣輪機通常用于大型熱力和核能發電方面，包括下一代動力反應堆，目標是最終取代蒸汽驅動的朗肯循環汽輪機(效率較低，體積約為超臨界二氧化碳氣輪機的30倍)。
【發明內容】
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[0005]本發明的目的在于提供一種能夠提高能源利用效率，提供穩定供電電源，同時為地熱能源的利用以及超臨界二氧化碳再壓縮(S-CO2)布雷頓(Brayton)動力循環的應用提供新思路的一種地熱、燃氣以及超臨界二氧化碳聯合發電系統。
[0006]為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現:
[0007]一種地熱、燃氣以及超臨界二氧化碳聯合發電系統，包括地熱加熱系統、燃氣加熱系統和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統；其中，
[0008]所述的地熱加熱系統包括地熱開采井，該地熱開采井的出口與抽水泵的進口連通，抽水泵的出口與熱水泵的進口連接，熱水泵的出口與地熱能加熱換熱器的地熱水進口連接，地熱能加熱換熱器的地熱水出口與回灌井的進口連接；
[0009]所述的燃氣加熱系統包括噴注器，噴注器的出口與燃燒室的進口連接，燃燒室的出口與燃氣加熱換熱器的燃氣進口連接，燃氣加熱換熱器的燃氣出口與燃氣排氣接收裝置的進口連接；
[0010]所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環動力發電系統包括透平，透平的出口與高溫回熱器的高溫側超臨界二氧化碳流體進口相連，高溫回熱器的高溫側超臨界二氧化碳流體出口與低溫回熱器的高溫側超臨界二氧化碳流體進口連接，低溫回熱器的高溫側超臨界二氧化碳流體出口分兩路，一路和再壓縮機組的進口連接，再壓縮機組的出口與高溫回熱器的低溫側超臨界二氧化碳流體進口相連，另一路和冷凝器的進口連接，冷凝器的出口與主壓縮機組的進口連接，主壓縮機組的出口與低溫回熱器的低溫側超臨界二氧化碳流體進口連接，低溫回熱器的低溫側超臨界二氧化碳流體出口與高溫回熱器的低溫側超臨界二氧化碳流體進口相連，高溫回熱器的低溫側超臨界二氧化碳流體出口與地熱能加熱換熱器的超臨界二氧化碳流體進口連接，透平的進口與燃氣加熱換熱器的超臨界二氧化碳流體出口連通，且透平用于帶動發電機組發電。
[0011]本發明進一步的改進在于:噴注器安裝有三個進口，分別通入燃料、氧化劑和水，燃料、氧化劑和水三種推進劑均通過噴注器進入燃燒室直接參與燃燒，燃氣發生裝置采用直接燃燒式三組元燃燒方式，形成溫度和其他參數可調的混合燃氣。
[0012]本發明進一步的改進在于:所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統使用超臨界一氧化碳為工質。
[0013]本發明進一步的改進在于:熱水泵的出口與地熱能加熱換熱器的地熱水進口連接管路上安裝有第一控制閥，用于控制地熱水進入地熱能加熱換熱器的流量；地熱能加熱換熱器的地熱水出口與回灌井的進口連接管路上安裝有第二控制閥及第三控制閥分別用來控制地熱水從地熱能加熱換熱器流出的流量及返回回灌井的流量；抽水泵的出口與熱水泵的進口連接管路和第二控制閥與第三控制閥的連接管路之間安裝有第四控制閥，用來防止地熱能加熱換熱器出現故障時，使地熱水能順利返回回灌井。
[0014]本發明進一步的改進在于:當系統正常工作時，打開第一控制閥、第二控制閥和第三控制閥，關閉第四控制閥，此時，地熱開采井中的熱水，經抽水泵的作用，進入通入地熱能加熱換熱器的管道，通過熱水泵的做功，進入地熱能加熱換熱器中與從高溫回熱器中流出的超臨界二氧化碳流體進行換熱，換熱后的地熱水經回流通道返回回灌井之中，構成回路，在回流通道上的第二控制閥及第三控制閥，控制地熱水返流的流量，當系統出現故障時，關閉第一控制閥和第二控制閥，打開第三控制閥和第四控制閥，此時地熱水不經過地熱能加熱換熱器，而直接返回回灌井；
[0015]燃料、氧化劑和水三種推進劑通過噴注器進入燃氣發生器，預混后，進入燃燒室直接參與燃燒，形成高溫的混合燃氣，混合燃氣通過燃燒室的出口進入燃氣加熱換熱器中與從地熱能加熱換熱器流出的超臨界二氧化碳流體進行換熱，對超臨界二氧化碳流體進行二次加熱，換熱后的混合燃氣進入燃氣排氣接收裝置中進行處理；
[0016]透平出口的二氧化碳流體先進入高溫回熱器進行放熱，后進入低溫回熱器再次進行換熱，而后，一部分二氧化碳流體直接通往再壓縮機組被壓縮，另一部分二氧化碳流體先進入冷凝器進行冷卻后，再進入主壓縮機組進行壓縮，然后，再次通過低溫回熱器回熱到與直接被再壓縮機組壓縮的二氧化碳流體相同的溫度，兩股流體混合后一起再流經高溫回熱器、地熱加熱換熱器和燃氣加熱換熱器，最后流入透平進行做功，透平帶動發電機組發電，形成閉式循環。
[0017]相對于現有技術，本發明通過地熱加熱系統和燃氣加熱系統為超臨界二氧化碳(S-CO2)再壓縮布雷頓(Brayton)循環提供熱量，超臨界二氧化碳流體先與地熱加熱系統進行換熱，被加熱到一定溫度后，再進入燃氣加熱系統進行換熱，被加熱到透平進口的溫度和壓力的超臨界二氧化碳流體作為超臨界二氧化碳(S-CO2)再壓縮布雷頓(Brayton)循環的工質，推動透平進行做功，透平帶動發電機組產生電能。在整個聯合發電系統中，地熱能和燃氣燃燒產生的熱能作為超臨界二氧化碳(S-CO2)再壓縮布雷頓(Brayton)循環發電系統的熱源，實現超臨界二氧化碳(S-CO2)再壓縮布雷頓(Brayton)動力循環，通過二氧化碳透平拖動發電機組產生電能，提高了能源利用效率，并提供了穩定的供電電源。本系統為地熱能源的利用以及超臨界二氧化碳再壓縮(S-CO2)布雷頓(Brayton)動力循環的應用提供了新的思路。
【附圖說明】
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[0018]圖1是本發明結構示意圖；
[0019]圖中:1、地熱開采井，2、回灌井，3、抽水泵，4、熱水泵，5、地熱能加熱換熱器，6、噴注器，7、燃燒室，8、燃氣加熱換熱器，9、燃氣排氣接收裝置，10、高溫回熱器，11、低溫回熱器，12、冷凝器，13、主壓縮機組，14、再壓縮機組，15、透平，16、發電機組，Fl、第一控制閥，F2、第二控制閥，F3、第三控制閥，F4、第四控制閥。
【具體實施方式】
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[0020]下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0021]參見圖1，本發明一種地熱、燃氣以及超臨界二氧化碳聯合發電系統，包括地熱加熱系統、燃氣加熱系統和超臨界二氧化碳(S-CO2)再壓縮布雷頓(Brayton)循環發電系統。
[0022]其中，所述的地熱加熱系統包括地熱開采井1、回灌井2、抽水泵3、熱水泵4、地熱能加熱換熱器5、第一控制閥F1、第二控制F2、第三控制F3和第四控制F4，地熱開采井I的出口與抽水泵3的進口連通，抽水泵3的出口與熱水泵4的進口連接，熱水泵4的出口與地熱能加熱換熱器5的地熱水進口連接，地熱能加熱換熱器5的地熱水出口與回灌井2的進口連接，熱水泵4的出口與地熱能加熱換熱器5的地熱水進口連接管路上安裝有第一控制閥Fl，地熱能加熱換熱器5的地熱水出口與回灌井2的進口連接管路上安裝有第二控制閥F2及第三控制閥F3 ;抽水泵3的出口與熱水泵4的進口連接管路和第二控制閥F2與第三控制閥F3的連接管路之間安裝有第四控制閥F4 ;當系統正常工作時，打開第一控制閥F1、第二控制閥F2和第三控制閥F3，關閉第四控制閥F4，此時，地熱開采井中的熱水，經抽水泵3的作用，進入通入地熱能加熱換熱器5的管道，通過熱水泵4的做功，進入地熱能加熱換熱器5中與從高溫回熱器1