一种利用燃气轮机余热的SCO2-地热联合发电系统

一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统
技术领域
1.本实用新型涉及发电技术领域，具体是一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统。


背景技术：

2.为提高燃气轮机的发电效率，通常将燃气轮机的排烟余热用以驱动其它发电装置，组成联合发电系统。分流再压缩超临界二氧化碳(sco2)布雷顿循环是一种常见的可以利用燃气轮机排烟余热的发电系统。
3.目前，单一的sco2系统存在着余热利用效率较低的问题，同时，地热能发电系统也存在着发电效率偏低，且随开采的持续而不断衰退等问题，如果将燃气轮机排烟余热引入地热发电系统，可以提高地热系统发电功率，但是其余热利用效率依然较低，造成了一定的能源浪费，因此，针对以上现状，迫切需要开发一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，以克服当前实际应用中的不足。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，所述利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统包括：
7.再压缩sco2系统，所述再压缩sco2系统具有燃气轮机余热流体循环回路，所述燃气轮机余热流体循环回路上设有一级换热器；以及
8.双闪蒸地热系统，所述双闪蒸地热系统具有地热流体循环回路，所述地热流体循环回路上设有二级换热器和三级换热器，所述二级换热器和三级换热器之间相连接，且所述二级换热器还与所述一级换热器之间相连接；
9.燃气燃气轮机排烟依次经过一级换热器、二级换热器和后排入环境的同时，排烟余热被一级换热器、二级换热器和三级换热器吸收用来驱动再压缩sco2系统和双闪蒸地热系统发电。
10.作为本实用新型进一步的方案：所述燃气轮机余热流体循环回路还包括沿流体输送方向依次布置的co2透平、高温回热器和压缩模块；
11.所述co2透平与所述一级换热器相连接，且所述co2透平上固定连接有发电机；
12.所述高温回热器分别所述一级换热器和co2透平相连接；以及
13.所述压缩模块与所述高温回热器相连接，并与所述co2透平同轴连接。
14.作为本实用新型进一步的方案：所述压缩模块包括：
15.低温回热器，所述低温回热器的一端与所述高温回热器相连接，低温回热器的另一端分别安装有再压缩机和冷凝器，所述再压缩机与所述高温回热器相连接；以及
16.主压缩机，所述主压缩机分别与所述冷凝器和低温回热器相连接。
17.作为本实用新型进一步的方案：所述地热流体循环回路还包括沿流体输送方向依次布置的冷凝器、高压蒸汽透平、低压蒸汽透平、水泵、地热回灌井和汽水分离模块；
18.所述高压蒸汽透平与所述二级换热器相连接；
19.所述低压蒸汽透平分别与所述三级换热器和高压蒸汽透平相连接，且所述低压蒸汽透平上也固定连接有发电机；
20.地热回灌井，所述地热回灌井通过再压缩机和水泵与所述低压蒸汽透平相连接；以及
21.汽水分离模块，所述汽水分离模块分别与所述二级换热器和三级换热器相连接，并与所述地热回灌井相连接。
22.作为本实用新型进一步的方案：所述高压蒸汽透平、低压蒸汽透平和发电机为同轴连接。
23.作为本实用新型进一步的方案：所述汽水分离模块包括：
24.一级闪蒸器，所述一级闪蒸器的一端与所述二级换热器相连接；
25.地热出水井，所述地热出水井与所述一级闪蒸器的另一端相连接；以及
26.二级闪蒸器，所述二级闪蒸器分别与所述三级换热器和一级闪蒸器相连接，且所述二级闪蒸器还与所述地热回灌井相连接。
27.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
28.燃气轮机排烟依次经过一级、二级、三级共三台换热器释放余热后转为废汽排入环境。其中，一级换热器用于加热sco2系统中高温回热器的出口co2；二级和三级换热器分别用于加热地热闪蒸系统中两级闪蒸器的出口蒸汽。地热出水经过两级闪蒸器与冷凝器出水汇合后进行回注。
29.在联合系统中，一部分燃机余热用来供给sco2系统，一部分燃机余热用来加热地热系统的闪蒸蒸汽，使本可在sco2子系统中利用的余热被优化分配到了地热系统中。这样不仅增强了地热系统的做功能力，并且通过余热在两个子系统中的合理分配，进一步加深了燃机余热的利用效果，使得联合系统的最大输出功及余热利用效率均远大于单sco2系统和单地热系统中数值，可以大幅增加发电功率和余热利用率。
附图说明
30.图1为本实用新型利用燃气轮机余热的sco2-地热联合发电系统的整体示意图。
31.图中：1-一级换热器，2-二级换热器，3-三级换热器，4-co2透平，5-再压缩机，6-主压缩机，7-高温回热器，8-低温回热器，9-冷凝器，10-发电机，11-高压蒸汽透平，12-低压蒸汽透平，13-一级闪蒸器，14-二级闪蒸器，15-水泵，16-地热出水井，17-地热回灌井。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述。
34.请参阅图1，本实用新型实施例提供的一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，所述利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统包括：
35.再压缩sco2系统，所述再压缩sco2系统具有燃气轮机余热流体循环回路，所述燃气轮机余热流体循环回路上设有一级换热器1；以及
36.双闪蒸地热系统，所述双闪蒸地热系统具有地热流体循环回路，所述地热流体循环回路上设有二级换热器2和三级换热器3，所述二级换热器2和三级换热器3之间相连接，且所述二级换热器2还与所述一级换热器1之间相连接；
37.燃气燃气轮机排烟依次经过一级换热器1、二级换热器2和3后排入环境的同时，排烟余热被一级换热器1、二级换热器2和三级换热器3吸收用来驱动再压缩sco2系统和双闪蒸地热系统发电。
38.燃气轮机排烟依次经过一级、二级、三级共三台换热器释放余热后转为废汽排入环境。其中，一级换热器1用于加热sco2系统中高温回热器7的出口co2；二级换热器2和三级换热器3分别用于加热地热闪蒸系统中两级闪蒸器的出口蒸汽。地热出水经过两级闪蒸器与冷凝器9出水汇合后进行回注；
39.在联合系统中，本可在sco2子系统中利用的余热被优化分配到了地热系统中，这样不仅增强了地热系统的做功能力，并且通过余热在两个子系统中的合理分配，进一步加深了燃机余热的利用效果，使得联合系统的最大输出功及余热利用效率均远大于单sco2系统和单地热系统中数值，可以大幅增加发电功率和余热利用率。
40.在本实用新型的一个实施例中，请参阅图1，所述燃气轮机余热流体循环回路还包括沿流体输送方向依次布置的co2透平4、高温回热器7和压缩模块；
41.所述co2透平4与所述一级换热器1相连接，且所述co2透平4上固定连接有发电机10；
42.所述高温回热器7分别所述一级换热器1和co2透平4相连接；以及
43.所述压缩模块与所述高温回热器7相连接，并与所述co2透平4同轴连接。
44.所述压缩模块包括：低温回热器8，所述低温回热器8的一端与所述高温回热器7相连接，低温回热器8的另一端分别安装有再压缩机5和冷凝器9，所述再压缩机5与所述高温回热器7相连接；以及
45.主压缩机6，所述主压缩机6分别与所述冷凝器9和低温回热器8相连接。
46.在工作过程中，一级换热器1吸收的燃气轮机余热用来驱动再压缩sco2系统发电，再压缩sco2发电系统的工作流程：sco2工质经一级换热器1吸热后，进入co2透平4做功，co2透平4的排气依次经高温回热器7和低温回热器8放热后分流为两部分；
47.第一部分工质经冷凝器9冷凝进入主压缩机6，压力升高后进入低温回热器8吸热，与第二部分工质汇合后，全部进入高温回热器7吸热，最后进入一级换热器1完成再压缩sco2发电系统的循环；
48.第二部分工质经再压缩机5压缩后与低温回热器8出来的第一部分工质汇合，一同进入高温回热器7，其中，co2透平4、再压缩机5、主压缩机6和发电机10同轴连接，co2透平4所做功扣除再压缩机5和主压缩机6耗功后驱动发电机10发电。
49.在本实用新型的一个实施例中，请参阅图1，所述地热流体循环回路还包括沿流体
输送方向依次布置的冷凝器9、高压蒸汽透平11、低压蒸汽透平12、水泵15、地热回灌井17和汽水分离模块；
50.所述高压蒸汽透平11与所述二级换热器2相连接；
51.所述低压蒸汽透平12分别与所述三级换热器3和高压蒸汽透平11相连接，且所述低压蒸汽透平12上也固定连接有发电机10；
52.地热回灌井17，所述地热回灌井17通过再压缩机5和水泵15与所述低压蒸汽透平12相连接；以及
53.汽水分离模块，所述汽水分离模块分别与所述二级换热器2和三级换热器3相连接，并与所述地热回灌井17相连接。
54.所述高压蒸汽透平11、低压蒸汽透平12和发电机10为同轴连接。
55.所述汽水分离模块包括：一级闪蒸器13，所述一级闪蒸器13的一端与所述二级换热器2相连接；
56.地热出水井16，所述地热出水井16与所述一级闪蒸器13的另一端相连接；以及
57.二级闪蒸器14，所述二级闪蒸器14分别与所述三级换热器3和一级闪蒸器13相连接，且所述二级闪蒸器14还与所述地热回灌井17相连接。
58.在工作过程中，二级换热器2和三级换热器3吸收的燃气轮机余热用来辅助增强双闪蒸地热系统发电。其流程为：由地热出水井16采出的地热水进入一级闪蒸器13，其中，一级闪蒸器13出口工质分为两部分，第一部分为产出的蒸汽经二级换热器2吸热后进入高压蒸汽透平11做功；
59.第二部分为产出的水进入二级闪蒸器14，其中，二级闪蒸器14出来的工质又分为两部分；其中，二级闪蒸器14产出的蒸汽(二级闪蒸器14的第一部分)进入三级换热器3吸热后与高压蒸汽透平11出口排汽汇合，汇合后的工质进入低压蒸汽透平12做功，低压蒸汽透平12的排汽进入冷凝器9冷凝，冷凝水经水泵15后与二级闪蒸器14的产出水(二级闪蒸器14的第二部分)汇合，最终一同进入地热回灌井17进行回注地热水，其中，整个系统中设有两套相同型号的冷凝器9，分别位于再压缩sco2系统和双闪蒸地热系统中；
60.且高压蒸汽透平11、低压蒸汽透平12和发电机10为同轴连接，高压蒸汽透平11和低压蒸汽透平12所做的功共同驱动发电机10发电；
61.燃气轮机的排烟余热就是通过一级换热器1、二级换热器2和三级换热器3这三台换热器，将余热分配给再压缩sco2系统和双闪蒸地热系统，耦合成sco
2-地热联合发电系统以提高发电能力和提高燃气轮机排烟的余热利用率。
62.在测量sco
2-地热联合发电系统的发电功率和余热利用率的过程中，应用ebsilon软件进行建模和仿真，分别计算sco
2-地热联合发电系统与现有的再压缩sco2发电系统和双闪蒸地热发电系统相比，三个系统的最大功率和余热利用效率，设置了如下假设：
63.(1)系统在稳定状态下运行；
64.(2)忽略各换热器和管道的压降损失；
65.(3)忽略各部件与环境之间的热交换；
66.(4)地热水为纯水。
67.燃气轮机以索拉透平公司(solar turbines inc)的taurus 60型为参考，对整个系统中各组件进行仿真计算时的初始参数设置如表1所示。
68.表1系统参数及环境设置
[0069][0070]
联合发电系统净输出功将与sco2工质流量、分流比、地热闪蒸系统一级闪蒸压力和二级闪蒸压力有关；再压缩sco2发电系统净输出功将仅与sco2工质流量和分流比有关；双闪蒸地热发电系统净输出功将仅与一级闪蒸压力和二级闪蒸压力有关。
[0071]
采用遗传算法进行优化计算，遗传算法的参数设置如表2所示。
[0072]
表2遗传算法参数设置
[0073]
项目数值种群规模100交叉概率0.8突变概率0.1每代取替种群数0.75代数300代差20限值0.99
[0074]
模型收敛后，得到的三种系统最佳性能指标如表3所示。
[0075]
表3三种系统优化结果对比
[0076][0077][0078]
由对比结果可以看出，在单一余热利用系统中，双闪蒸地热发电系统和再压缩sco2发电系统的最大输出功分别为5.243mw和2.384mw，余热利用效率分别为59.26％和53.31％。采用sco2系统循环与双闪蒸地热联合系统后，最大输出功和余热利用效率分别达到了6.402mw和67.96％，对比单一系统有显著提升。
[0079]
需要说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“滑动”、“转动”、“固定”、“设有”等术语应做广义理解，例如，可以是焊接连接，也可以是螺栓连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0080]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统包括：再压缩sco2系统，所述再压缩sco2系统具有燃气轮机余热流体循环回路，所述燃气轮机余热流体循环回路上设有一级换热器；以及双闪蒸地热系统，所述双闪蒸地热系统具有地热流体循环回路，所述地热流体循环回路上设有二级换热器和三级换热器，所述二级换热器和三级换热器之间相连接，且所述二级换热器还与所述一级换热器之间相连接；燃气燃气轮机排烟依次经过一级换热器、二级换热器和后排入环境的同时，排烟余热被一级换热器、二级换热器和三级换热器吸收用来驱动再压缩sco2系统和双闪蒸地热系统发电。2.根据权利要求1所述的利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述燃气轮机余热流体循环回路还包括沿流体输送方向依次布置的co2透平、高温回热器和压缩模块；所述co2透平与所述一级换热器相连接，且所述co2透平上固定连接有发电机；所述高温回热器分别所述一级换热器和co2透平相连接；以及所述压缩模块与所述高温回热器相连接，并与所述co2透平同轴连接。3.根据权利要求2所述的利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述压缩模块包括：低温回热器，所述低温回热器的一端与所述高温回热器相连接，低温回热器的另一端分别安装有再压缩机和冷凝器，所述再压缩机与所述高温回热器相连接；以及主压缩机，所述主压缩机分别与所述冷凝器和低温回热器相连接。4.根据权利要求1或3所述的利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述地热流体循环回路还包括沿流体输送方向依次布置的冷凝器、高压蒸汽透平、低压蒸汽透平、水泵、地热回灌井和汽水分离模块；所述高压蒸汽透平与所述二级换热器相连接；所述低压蒸汽透平分别与所述三级换热器和高压蒸汽透平相连接，且所述低压蒸汽透平上也固定连接有发电机；地热回灌井，所述地热回灌井通过再压缩机和水泵与所述低压蒸汽透平相连接；以及汽水分离模块，所述汽水分离模块分别与所述二级换热器和三级换热器相连接，并与所述地热回灌井相连接。5.根据权利要求4所述的利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述高压蒸汽透平、低压蒸汽透平和发电机为同轴连接。6.根据权利要求5所述的利用燃气轮机余热的sco
2-地热联合发电系统，其特征在于，所述汽水分离模块包括：一级闪蒸器，所述一级闪蒸器的一端与所述二级换热器相连接；地热出水井，所述地热出水井与所述一级闪蒸器的另一端相连接；以及二级闪蒸器，所述二级闪蒸器分别与所述三级换热器和一级闪蒸器相连接，且所述二级闪蒸器还与所述地热回灌井相连接。

技术总结
本实用新型涉及发电技术领域，具体是一种利用燃气轮机余热的SCO


技术研发人员：王蓝婧 王金楹 付文锋
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/6/17