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CN109083706A - 一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统 - Google Patents

一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统 Download PDF

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CN109083706A
CN109083706A CN201810891487.5A CN201810891487A CN109083706A CN 109083706 A CN109083706 A CN 109083706A CN 201810891487 A CN201810891487 A CN 201810891487A CN 109083706 A CN109083706 A CN 109083706A
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张帆
张一帆
李红智
白文刚
高炜
姚明宇
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Abstract

本发明公开了一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，包括注气井、回气井、压缩机、回热器、透平、火电厂、混合器、发电机以及埋藏于地下的干热岩压裂带；注气井的下端及回气井的下端均伸入到干热岩压裂带内，压缩机的出口与回热器的冷侧入口相连通，回热器的冷侧出口与注气井相连通，回气井与透平的入口相连通，透平的出口与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口及火电厂的二氧化碳出口与混合器的入口相连通，混合器的出口与压缩机的入口相连通，透平与压缩机及发电机相连接，该系统能够实现地热发电与二氧化碳地质封存的结合，同时干热岩发电效率较高，并且二氧化碳封存过程的能耗较低。

Description

一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统
技术领域
本发明属于二氧化碳封存及地热发电领域，涉及一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统。
背景技术
首先，在二氧化碳封存方面：
从工厂的工业生产和其它人类活动过程中排放的二氧化碳，是导致全球气候变化的主要因素之一。发电厂、炼厂、油气生产厂、钢铁厂、水泥厂和其它一些化工厂在燃烧煤、石油和天然气等燃料的过程中，会向空气中排放大量的二氧化碳，而二氧化碳是温室气体，其在大气中的浓度升高会使气候平衡遭到严重破坏。
二氧化碳地质储存，就是指将这些工厂排放的二氧化碳进行分离和收集，不向大气中排放，二是注入到合适的深层地质结构中，永久性地埋存地下，这样一来可以大大地减少二氧化碳的排量，是应对全球气候变暖的有力武器。
二氧化碳地质储存，多是在高温高压的条件下，以超临界流体的形态注入地下的。将大量的二氧化碳升压至超临界态，需要大型二氧化碳压缩机来实现，该设备属于高耗能设备，因此二氧化碳地质封存往往存在高能耗的特点。
其次，在干热岩地热发电方面：
我国地热资源非常丰富，开采潜力巨大，尤其是干热岩的开发和高效利用，意义重大。干热岩的开发利用，主要是利用地下高温但又由于低孔隙度和渗透性而缺少流体的岩石(体)中储存的热量，需要通过人工压裂形成增强型地热系统(Enhanced GeothermalSystem)才能得以开采。通常采用高压工质注入、压裂岩石、孔隙换热、带出热量的方式开采。这意味着干热岩的开发利用，设备初投资非常大。如果能够提高下游发电系统的发电效率，则可显著降低整个系统的初投资。
发电系统发电效率的提升通常有两种途径，一种是提升发电循环的温度等主参数，另一种则是采用新型高效的动力循环形式。对于干热岩发电而言，提升发电循环的温度，受制于当地地理条件的限制以及干热岩开采深度的限制，难度较大。那么采用新型高效的动力循环形式，如超临界二氧化碳发电技术，则是提升干热岩发电系统效率的一种重要途径。
结合上述两种技术考虑，如果将二氧化碳注入地下并封存的过程和超临界二氧化碳干热岩发电的过程合理的融合，则既可以显著降低二氧化碳封存过程的能耗，又可以提升干热岩发电的效率，降低干热岩发电单位发电量的设备初投资。
然而经调研，目前单纯的二氧化碳地质封存技术和干热岩发电技术虽然均有一定发展，但是鲜有二者有机结合、综合利用的相关研究，因此，还需要大量的原创性工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，该系统能够实现地热发电与二氧化碳地质封存的结合，同时干热岩发电效率较高，并且二氧化碳封存过程的能耗较低。
为达到上述目的，本发明所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统包括注气井、回气井、压缩机、回热器、透平、火电厂、混合器、发电机以及埋藏于地下的干热岩压裂带；
注气井的下端及回气井的下端均伸入到干热岩压裂带内，压缩机的出口与回热器的冷侧入口相连通，回热器的冷侧出口与注气井相连通，回气井与透平的入口相连通，透平的出口与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口及火电厂的二氧化碳出口与混合器的入口相连通，混合器的出口与压缩机的入口相连通，透平与压缩机及发电机相连接。
回热器的热侧出口经预冷器与混合器的入口相连通。
火电厂的二氧化碳出口经二氧化碳输送管道与混合器的入口相连通。
二氧化碳输送管道上沿二氧化碳流通方向依次设置有过滤器及二氧化碳泵。
透平与压缩机及发电机同轴布置。
二氧化碳输送管道与火电厂的二氧化碳铺集装置出口相连通。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统在具体操作时，采用超临界二氧化碳布雷顿循环作为干热岩发电的动力循环，以提高干热岩的发电效率，同时降低干热岩发电单位发电量的设备初投资。另外，回热器输出的超临界二氧化碳经注气井进入到干热岩压裂带中完成换热，在换热过程中，部分二氧化碳泄出干热岩压裂带进入远端岩层，并永久储存于地下，另一部分经回气井搜集后进入到透平中，并在透平中进行膨胀做功，以驱动发电机发电，从而同时实现地热发电及二氧化碳的地质封存，并且显著降低二氧化碳地质封存的能耗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，11为压缩机、12为回热器、13为注气井、14为干热岩压裂带、15为回气井、16为透平、17为发电机、18为预冷器、19为混合器、21为火电厂、22为二氧化碳输送管道、23为过滤器、24为二氧化碳泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统包括注气井13、回气井15、压缩机11、回热器12、透平16、火电厂21、混合器19、发电机17以及埋藏于地下的干热岩压裂带14；注气井13的下端及回气井15的下端均伸入到干热岩压裂带14内，压缩机11的出口与回热器12的冷侧入口相连通，回热器12的冷侧出口与注气井13相连通，回气井15与透平16的入口相连通，透平16的出口与回热器12的热侧入口相连通，回热器12的热侧出口及火电厂21的二氧化碳出口与混合器19的入口相连通，混合器19的出口与压缩机11的入口相连通，透平16与压缩机11及发电机17相连接，其中，透平16与压缩机11及发电机17同轴布置；回热器12的热侧出口经预冷器18与混合器19的入口相连通。
火电厂21的二氧化碳出口经二氧化碳输送管道22与混合器19的入口相连通；二氧化碳输送管道22上沿二氧化碳流通方向依次设置有过滤器23及二氧化碳泵24。二氧化碳输送管道22与火电厂21的二氧化碳铺集装置出口相连通。
本发明的具体工作过程为：
经压缩机11升压后的超临界二氧化碳进入回热器12的冷侧中进行升温，随后经注气井13送入干热岩压裂带14中；超临界二氧化碳在干热岩压裂带14内被岩石加热，以吸收岩石内蕴藏的大量地热能，升温升压后的超临界二氧化碳被回气井15搜集，然后送入透平16中膨胀做功，透平16拖动压缩机11及发电机17工作，透平16排出的超临界二氧化碳依次经回热器12的热侧及预冷器18进行降温，然后送入混合器19中，火电厂21输出的二氧化碳经过滤器23及二氧化碳泵24后进入到混合器19中，混合器19输出的超临界二氧化碳进入到压缩机11中。
超临界二氧化碳在干热岩压裂带14中与岩石进行换热的过程中，有一部分二氧化碳泄出干热岩压裂带14进入远端岩层，并永久储存于地下，以实现二氧化碳的地质封存，另一部分被回气井15搜集。与此同时，为维持发电系统工质流量稳定，则需要对系统工质进行补充，即通过火电厂21进行二氧化碳的补充，其中，补充的二氧化碳流量与干热岩压裂带14中泄露并封存于地下的二氧化碳流量相等。
本发明在具体操作时，首先采用超临界二氧化碳布雷顿循环作为干热岩发电的动力循环，以提高干热岩发电的效率，降低干热岩发电单位发电量的设备初投资；其次，超临界二氧化碳在干热岩压裂带14中完成换热的过程中，部分二氧化碳泄出干热岩压裂带14进入远端岩层，并永久储存于地下，以实现地热发电及二氧化碳的地质封存，显著降低二氧化碳地质封存的能耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，包括注气井(13)、回气井(15)、压缩机(11)、回热器(12)、透平(16)、火电厂(21)、混合器(19)、发电机(17)以及埋藏于地下的干热岩压裂带(14)；
注气井(13)的下端及回气井(15)的下端均伸入到干热岩压裂带(14)内，压缩机(11)的出口与回热器(12)的冷侧入口相连通，回热器(12)的冷侧出口与注气井(13)相连通，回气井(15)与透平(16)的入口相连通，透平(16)的出口与回热器(12)的热侧入口相连通，回热器(12)的热侧出口及火电厂(21)的二氧化碳出口与混合器(19)的入口相连通，混合器(19)的出口与压缩机(11)的入口相连通，透平(16)与压缩机(11)及发电机(17)相连接。
2.根据权利要求1所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，回热器(12)的热侧出口经预冷器(18)与混合器(19)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，火电厂(21)的二氧化碳出口经二氧化碳输送管道(22)与混合器(19)的入口相连通。
4.根据权利要求3所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，二氧化碳输送管道(22)上沿二氧化碳流通方向依次设置有过滤器(23)及二氧化碳泵(24)。
5.根据权利要求1所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，透平(16)与压缩机(11)及发电机(17)同轴布置。
6.根据权利要求3所述的带二氧化碳封存的超临界二氧化碳干热岩发电系统，其特征在于，二氧化碳输送管道(22)与火电厂(21)的二氧化碳铺集装置出口相连通。
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