Способ и устройство для осуществления термодинамического цикла - RU2123606C1
Код документа: RU2123606C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу и устройству для превращения тепловой энергии источника геотермального тепла, состоящего из смеси геотермальной жидкости и геотермального пара (геофлюид), в электроэнергию. Это изобретение относится, далее к использованию энергетического потенциала и геотермальной жидкости, и геотермального пара в рамках одной интегрированной системы.
Источники геотермального тепла могут быть в общем разделены на две группы. В первую группу входят "преимущественно жидкие" источники тепла, образующие большей частью горячую геотермальную жидкость (рассол). Во вторую группу входят "преимущественно парообразные" источники тепла, образующие большей частью геотермальный пар с некоторым количеством геотермической жидкости.
Способы превращения тепловой энергии, выделяемой источниками геотермального тепла, в электроэнергию образуют важную и растущую область энергетики. Геотермальные электростанции обычно относятся к одной из двух категорий, а именно к числу паровых станций или к бинарным станциям.
На паровых электростанциях геотермальный источник используют непосредственно для получения пара (например, путем просселирования и вскипания геотермальной жидкости). Затем этот пар расширяется в турбине, вырабатывающей электроэнергию. На бинарных электростанциях тепло, отбираемое у геотермальной жидкости, используют для испарения рабочей жидкости циркулирующей в энергетическом цикле. Рабочая жидкость затем расширяется в турбине, вырабатывая электроэнергию.
Паровые станции обычно используют с преимущественно парообразными источниками геотермального тепла, в то время как бинарные электростанции обычно используют с преимущественно жидкими источниками геотермального тепла. В патенте США N 4982568 описаны способ и устройство для превращения на бинарной электростанции тепловой энергии геотермальной жидкости в электроэнергию. Этот способ позволяет повысить эффективность за счет применения термодинамического цикла с многокомпонентной рабочей жидкостью и за счет внутренней рекуперации.
С одной стороны, изобретение предлагает способ осуществления термодинамического цикла, включающий шаги:
расширения газообразного рабочего потока, преобразования его энергии в пригодную для использования форму и получения отработавшего рабочего потока;
нагрева многокомпонентного поступающего
жидкого рабочего потока путем частичной компенсации отработавшего рабочего потока;
испарения нагретого рабочего потока с образованием газообразного рабочего потока путем использования тепла,
полученного при объединении охлаждения геотермальной жидкости и конденсации геотермального пара.
В предпочтительных вариантах изобретения жидкий рабочий поток перегревают с последующим испарением, используя для этого тепло, образуемое путем охлаждения геотермальной жидкости для получения газообразного рабочего потока. Многокомпонентный поступающий жидкий рабочий поток предпочтительно подогревают путем частичной конденсации отработавшего рабочего потока, после чего его разделяют первый и второй субпотоки. Первый субпоток затем частично испаряют, используя для этого тепло, полученное за счет частичной конденсации отработавшего рабочего потока, в то время как второй субпоток частично испаряют, используя тепло, полученное путем охлаждения геотермальной жидкости. Частично испаренные первый и второй субпотоки после этого объединяют и испаряют с образованием газообразного рабочего потока, используя для этого тепло, полученное при охлаждении геотермальной жидкости и конденсацию геотермального пара. Разница между температурой кипения второго субпотока и температурой геотермальной жидкости предпочтительно превышает разницу между температурой кипения первого субпотока и температурой конденсированного отработавшего рабочего потока.
Геотермальный пар расширяется, преобразуя свою энергию в пригодную к использованию форму и вырабатывая отработавший геотермальный поток. Отработавший геотермальный поток после этого конденсируют с целью нагрева и частичного испарения жидкого рабочего потока, после чего его объединяют с геотермальной жидкостью и используют для дальнейшего испарения жидкого рабочего потока. В случае, если содержание геотермального пара в геофлюиде относительно высоко, предпочтительным является неоднократное расширение геотермального потока. Так, в одном предпочтительно варианте реализации изобретения, отработавший геотермальный пар разделяют на первый и второй геотермальные субпотоки. Первый геотермальный субпоток конденсируют для нагрева и частичного испарения жидкого рабочего потока, после чего объединяют с геотермальной жидкостью. Второй геотермальный субпоток расширяют, преобразуя его энергию в пригодную для использования форму и вырабатывая отработавший геотермальный поток, который затем конденсируют для нагрева и частичного испарения жидкого рабочего потока. Отработавший геотермальный субпоток объединяют затем с геотермальной жидкостью.
С другой стороны, изобретение предлагает устройство для осуществления термодинамического цикла, включающее:
средство для расширения газообразного рабочего потока, преобразования его энергии в пригодную для использования форму и получения отработавшего потока;
теплообменник для частичной конденсации
отработавшего потока и для передачи тепла от отработавшего потока к поступающему многокомпонентному жидкому рабочему потоку;
сепаратор для разделения геофлюида на геотермальную жидкость и
геотермальный пар; и
множество теплообменников для охлаждения геотермальной жидкости и конденсации геотермального пара, а также для передачи тепла от геотермальной жидкости и геотермального
пара для испарения жидкого рабочего потока и образования газообразного рабочего потока.
В предпочтительных вариантах реализации устройство включает теплообменник для охлаждения геотермальной жидкости и передачи тепла от геотермальной жидкости для перегрева жидкого рабочего потока и получения газообразного рабочего потока. Устройство также включает предпочтительно сепаратор потока для разделения нагретого жидкого рабочего потока на первый и второй субпотоки; теплообменник для частичной конденсации отработавшего рабочего потока и передачи тепла от отработавшего рабочего потока для частичного испарения первого субпотока; теплообменник для охлаждения геотермальной жидкости и передачи тепла от охлажденной геотермальной жидкости для частичного испарения второго субпотока; и смеситель потока для соединения частично испаренных первого и второго субпотоков.
Устройство далее включает предпочтительно средства для расширения геотермального пара,
преобразования его энергии в пригодную для использования форму и получения отработавшего геотермального потока;
теплообменник для конденсации отработавшего геотермального потока и передачи
тепла от отработавшего геотермального потока для частичного испарения жидкого рабочего потока; и смеситель потока для соединения отработавшего геотермального потока с геотермальной жидкостью. Для того,
чтобы иметь возможность принимать геофлюиды с относительно высоким содержанием геотермального пара, устройство включает далее сепаратор потока для разделения отработавшего гетермального потока,
полученного при первом расширении, на первый и второй геотермальные субпотоки; теплообменник для конденсирования первого геотермального субпотока и передачи тепла от первого геотермального субпотока
для частичного испарения жидкого рабочего потока; смеситель потока для соединения первого геотермального субпотока с геотермальной жидкостью; средства для расширения второго геотермального субпотока,
преобразования его энергии в пригодную для использования форму и получения отработавшего геотермального субпотока; теплообменник для конденсации отработавшего геотермального субпотока и передачи тепла
от отработавшего геотермального субпотока для частичного испарения жидкого рабочего потока; и смеситель потока для объединения отработавшего геотермального субпотока с геотермальной жидкостью.
Изобретение предлагает интегрированную систему, использующую энергетический потенциал как геотермального пара, так и геотермальной жидкости (рассола). Система может использовать практически все геотермальные ресурсы при практически любом соотношении между паром и жидкостью. Аналогичным образом возможно использование геофлюидов из различных скважин, имеющих разную температуру и разное соотношение пара и жидкости. Достигается более высокая производительность и эффективность по сравнению с системами, в которых геотермальная жидкость и геотермальный пар используются раздельно. Кроме того, достигаются более высокие производительность и эффективность по сравнению с паровыми электростанциями, которые при меняются в настоящее время для использования таких геотермальных ресурсов.
Поскольку источник тепла для термодинамического цикла представляет собой сочетание охлаждения геотермальной жидкости и конденсации геотермального пара, необходимо только одностадийное расширение рабочей жидкости (в отличие от двухстадийного расширения при промежуточном поэтапном нагреве). Более того, разделение рабочей жидкости на два субпотока, один из которых частично испаряется теплом, передающимся от охлаждающейся геотермальной жидкости, и другой из которых частично испаряется теплом, передающимся от частично конденсирующейся отработавшей рабочей жидкости, позволяет также использовать геофлюин с высокой степенью минерализации (который может быть охлажден только до относительно высоких температур).
Другие особенности и преимущества изобретения будут очевидны из следующего далее описания предпочтительных вариантов его реализации, а также из пунктов формулы изобретения.
На фиг. 1 схематически представлен один из вариантов реализации способа и устройства, являющихся предметом настоящего изобретения; на фиг. 2 - второй вариант реализации способа и устройства, являющихся предметом настоящего изобретения.
На схеме, приведенной на фиг. 1 показан вариант реализации предпочтительно устройства, которое может быть использовано в описанном выше цикле. Конкретно на фиг. 1 показана система 100, которая включает гравитационный сепаратор 101, устройство предварительного нагрева в форме теплообменника 109, пароперегреватель в форме теплообменника 104 и котел в форме теплообменников 103, 106, 107 и 108. Кроме того, система 100 включает турбины 102 и 114, насосы 105 и 111 и конденсатор 110. Кроме того, система 100 включает сепаратор потока 112 и смеситель потока 113.
Конденсатор 110 может относиться к любому известному типу устройства отвода тепла. Так, например, конденсатор 110 может иметь форму теплообменника, такого как водоохлаждаемая система, или конденсирующего устройства другого типа.
Как показано на фиг. 1, поступающий из геотермальной скважины геофлюид, состоящий из геотермальной жидкости (рассол) и геотермального пара, направляют в гравитационный сепаратор 101, где геотермальную жидкость и геотермальный пар разделяют. Пар покидает сепаратор 101 с параметрами, соответствующими точке 51. После этого пар направляют в паровую турбину 102, в которой он расширяется, вырабатывая энергию, которая превращается в электроэнергию, и покидает турбину с параметрами, соответствующими точке 43. После этого пар направляют в теплообменник 103, где он конденсируется с выделением тепла конденсации и полностью превращается в конденсат. Конденсат покидает теплообменник 103 с параметрами, соответствующими точке 44. Тепло конденсации пара передают в теплообменник 103 к рабочей жидкости энергетического цикла.
Геотермальная жидкость, с параметрами, соответствующими точке 51, охлаждают в теплообменнике 104, который она покидает с параметрами, соответствующими точке 52 и передает тепло рабочей жидкости энергетического цикла. Температура конденсата пара в точке 44 по существу равна температуре геотермальной жидкости в точке 52. Конденсат пара с параметрами, соответствующими точке 44, перекачивают насосом 105 под давлением, равным давлению геотермической жидкости в точке 52, получая параметры, соответствующие точке 45. После этого конденсат пара с параметрами, соответствующими точке 45, объединяют с геотермальной жидкостью, параметры которой соответствуют точке 52, получая параметры, соответствующие точке 53.
Объединенную жидкость с параметрами, соответствующими точке 53, пропускают через теплообменник 106, в котором она дополнительно охлаждается, выделяя тепло, которое передается рабочей жидкости энергетического цикла, и получает параметры, соответствующие точке 56. В заключении жидкость с параметрами, соответствующими точке 56, пропускают через теплообменник 107, в котором их дополнительно охлаждают, выделяя тепло, которое передается рабочей жидкости энергетического цикла, и получая параметры, соответствующие точке 57. После этого геотермическую жидкость удаляют из системы и возвращают в геотермические пласты.
Из приведенного описания можно видеть, что термодинамический энергетический цикл, являющийся предметом настоящего изобретения, использует два источника геотермического тепла, т.е. тепло, выделяемое в процессе конденсации геотермического пара и тепло, выделяемое при охлаждении жидкости и конденсата пара (геотермической жидкости). Энергетический цикл осуществляется следующим образом.
Полностью сконденсированную рабочую жидкость энергетического цикла с параметрами, соответствующими точке 21, пропускают через рекуперативное подогревающее устройство 109, в котором его подогревают до температуры кипения. Она покидает подогреватель 109 с параметрами, соответствующими точке 60. После этого рабочую жидкость разделяют в сепараторе потока 112 на два субпотока, имеющие параметры, соответственно, как в точке 61 и 62. Первый субпоток с параметрами, соответствующими точке 61, пропускают через теплообменник 107, в котором его нагревают потоком жидкого геофлюида и частично испаряют. Он покидает теплообменник 107 с параметрами, соответствующими точке 63.
Второй субпоток с параметрами, соответствующими точке 62, пропускают через теплообменник 108, где его также нагревают и частично испаряют. Он покидает теплообменник 108 с параметрами, соответствующими точке 64. После этого оба субпотока объединяют в смесителе потока 113, получая параметры, соответствующие точке 66. Объединенные субпотоки направляют после этого в теплообменник 106, где происходит дальнейшее испарение с использованием тепла, передающегося от потока жидкого геофлюида.
Разность температур между точкой кипения рабочей жидкости с параметрами, соответствующими точке 62 и температурой потока конденсирующейся рабочей жидкости в точке 38 сводится к минимуму. Однако разность температур между первоначальной температурой кипения и конечной температурой геотермальной жидкости, применяемой для испарения в теплообменнике 107, может значительно превысить минимальную разность температур между точками 62 и 38 в теплообменнике 108. Таким образом, имеется возможность оптимизировать температуру и соответствующее давление в точке 60 даже в том случае, когда геотермальную жидкость можно охладить только до относительно высоких температур из-за высокой степени минерализации.
Рабочая жидкость покидает теплообменник 106 с параметрами, соответствующими точке 69 и поступает в теплообменник 103, где испарение завершается за с чет использования тепла, выделяемого при конденсации геотермального пара. Рабочая жидкость покидает теплообменник 103 с параметрами, соответствующими точке 68 и поступает в теплообменник 104, где ее перегревают потоком геотермальной жидкости. После этого рабочая жидкость, покидающая теплообменник 104 с параметрами, соответствующими точке 30, поступает в турбину 114, где она расширяется, вырабатывая энергию. Поток расширившейся рабочей жидкости покидает затем турбину 114 с параметрами, соответствующими точке 36.
Расширенная рабочая жидкость в точке 36 обычно имеет форму сухого или влажного насыщенного пара. Затем он проходит через теплообменник 108, где частично конденсируется. Тепло, выделяющееся в процессе конденсации, используется для начального закипания рабочей жидкости. После этого расширившаяся рабочая жидкость покидает теплообменник 108 с параметрами, соответствующими точке 38 и проходит через теплообменник 109, где конденсация продолжается. Тепло конденсации используется для предварительного нагрева поступающей рабочей жидкости. Частично сконденсированная рабочая жидкость с параметрами, соответствующими точке 29, покидает теплообменник 109 и поступает в теплообменник 110, где она конденсируется полностью, получая параметры, соответствующие точке 14. Конденсация может осуществляться с помощью охлаждающей воды, охлаждающего воздуха или любой другой охлаждающей среды. Сконденсированную рабочую жидкость после этого перекачивают насосом III с получением параметров, соответствующих точке 21. После этого цикл повторяется.
Давление в точке 43, до которого расширяется геотермальный пар, выбирают таким образом, чтобы достичь максимальной суммарной выработки энергии как на паровой турбине 102, так и на турбине 114, работающей на рабочей жидкости. Состав многокомпонентной рабочей жидкости (включающей жидкость с более низкой температурой кипения и жидкость с более высокой температурой кипения) аналогичным образом подбирают так, чтобы максимизировать суммарную выработку энергии. Более конкретно состав подбирают так, чтобы температура, при которой конденсируется расширившаяся рабочая жидкость с параметрами, соответствующими точке 36, была выше температуры, при которой закипает та же рабочая жидкость с параметрами, соответствующими точке 60. Примерами подходящих многокомпонентных рабочих жидкостей могут служить смесь аммиака с водой, два или более углеводорода, два или более фреона, смеси углеводорода и фреонов и тому подобное. В особенности предпочтительном варианте реализации применяется смесь воды и аммиака. Многокомпонентный рабочий поток предпочтительно включает от приблизительно 55% до приблизительно 95% компонента с низкой температурой кипения.
Предпочтительные параметры для точек, соответствующих точкам, указанным на фиг. 1, представлены в таблице для системы с водно-аммиачным рабочим потоком. Из приведенных данных следует, что предлагаемая система позволяет повысить выработку энергии по сравнению с обычной паровой системой в 1,55 раза, а в сравнении с системой раздельного использования тепла рассола и пара в 1,077 раза.
В случае, если исходный геофлюид, выходящий из геотермальной скважины, содержит относительно большое количество пара, предпочтительными являются расширение и последующая конденсация геотермального пара в две или более ступени, вместо одной ступени, показанной на фиг. 1. В таком случае нагрев и испарение рабочей жидкости осуществляются попеременно путем охлаждения геотермальной жидкости и конденсации геотермального пара.
На фиг. 2 показана система, включающая двухступенчатое расширение геотермального пара. Она отличается от системы, показанной на фиг. 1 тем, что после первой ступени часть расширившегося пара с параметрами, соответствующими точке 43, направляется в теплообменник 103. Часть частично расширившегося пара расширяется далее в паровой турбине второй ступени 204, после чего конденсируется в конденсаторе второй ступени, показанном как теплообменник 203, затем перекачивается под давлением насосом 201 и вновь соединяется с геотермальной жидкостью.
Геотермальная жидкость используется для нагрева рабочей жидкости энергетического цикла между указанными двумя пароконденсаторами в теплообменнике 204.
Хотя настоящее изобретение описано на примере ряда предпочтительных вариантов реализации, специалисты в данной области техники могут представить себе ряд вариаций и изменений этих вариантов. Например, возможно увеличение или уменьшение количества теплообменников. Кроме того, геотермальный пар может пройти более двух расширений в зависимости от содержания пара в геофлюиде. Таким образом намечается, чтобы прилагаемые пункты формулы изобретения охватывали все такие вариации и модификации, как отвечающие истинному существу и объему настоящего изобретения.
Реферат
Изобретение предназначено для использования в устройствах для превращения тепловой энергии источника геотермального тепла, состоящего из смеси геотермальной жидкости и геотермального пара, в электроэнергию. Способ и устройство для осуществления термодинамического цикла, включают: а/ расширение газообразного рабочего потока, преобразование его энергии в пригодную к использованию форму и получение отработавшего рабочего потока; б/ нагрев многокомпонентного поступающего жидкого рабочего потока за счет частичной конденсации отработавшего рабочего потока; и в/ испарение нагретого рабочего потока для образования газообразного рабочего потока с использованием тепла, выделяющегося при совместном охлаждении геотермальной жидкости и конденсации геотермального пара. Изобретение позволяет повысить производительность и эффективность по сравнению с системами, в которых геотермальная жидкость и геотермальный пар используются раздельно. 4 с. и 12 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.
