一种sCO2-地热与太阳能、苦咸水淡化耦合的系统及方法

本发明属于地热能开发利用领域，具体涉及一种sco2-地热与太阳能、苦咸水淡化耦合的系统及方法。

背景技术：

1、地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是可再生能源，具有清洁、环保、利用系数高等特点。

2、超临界二氧化碳驱采地热是一种以超临界二氧化碳为介质的新型驱采地热的方法，二氧化碳化学性质稳定，无味无毒，并且大量存在于空气中，易于获得，且超临界二氧化碳制取价格低廉，是一种理想的循环工质，具有密度大、流阻小的特点。作为驱采地热能系统的工质流体，超临界二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，且超临界二氧化碳循环系统简单、结构紧凑、效率高、可空冷。超临界二氧化碳循环可以与各种热源组合成发电系统，在火力发电、核能发电、太阳能发电、余热发电、地热能发电、生物质发电等领域均具有良好的应用前景。

3、常用的超临界二氧化碳循环一般为布雷顿循环，其基本流程为：利用压气机将二氧化碳加压至超临界状态并经注入井注入地下；其中有部分超临界二氧化碳工质封存于地下，其余超临界二氧化碳工质吸收地热热量加热至高温，再从注出井中抽出至地面；高温高压的超临界二氧化碳工质进入透平做功，带动发电机发电；进入冷却塔冷却后的超临界二氧化碳工质再次通过压气机加压注入地下热交换系统循环利用，形成一个高温热流体的闭合式回路系统。

4、目前的问题在于，地热温度并不高，热量利用率较低，同时，西北地区淡水资源较为匮乏，部分矿区仍然存在大量无法直接利用的矿井水，需要足够多的能量进行淡化处理，而地热井附近通常储有大量苦咸水，如何高效利用这些苦咸水也是问题之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种sco2-地热与太阳能、苦咸水淡化耦合的系统及方法。该系统可以耦合较低温度的地热能和较高温度的太阳能组成混合热源发电系统，同时，利用超临界二氧化碳驱采地热能，在开采初期注出井会排出大量的咸水，该系统可以利用对不同热源的综合调配，对苦咸水和矿井水进行淡化处理，减少对周围环境的污染，并实现咸水的资源化处理。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

3、一种sco2-地热与太阳能、苦咸水淡化的耦合系统，其特征在于，包括压气机ⅰ、分流调控单元、冷凝器、回热器、地热能换热器、太阳能加热器、透平、阀门ⅰ、电-热-水调控单元、换热器ⅰ、换热器ⅱ、阀门ⅱ、阀门ⅲ、电能调控单元、压气机ⅱ、注入井、地热井、注出井、分离器、泄压阀、流量调节单元、咸水淡化处理系统、燃煤电厂，其中：

4、所述压气机ⅰ、分流调控单元、冷凝器、回热器、地热能换热器、太阳能加热器、透平、电-热-水调控单元组成混合热源发电循环，用于耦合地热能与太阳能，利用超临界二氧化碳作为循环工质通过透平进行循环发电，所述压气机ⅱ、注入井、地热井、注出井、分离器、地热能换热器、分流调控单元、泄压阀组成采热循环，用于采集地热，利用超临界二氧化碳作为循环工质采集地热能，通过地热能换热器将地热能传递给混合热源发电循环；

5、所述压气机ⅰ，用于吸收燃煤电厂捕集到的二氧化碳工质以及完成混合热源发电循环后经冷凝器冷却后的二氧化碳工质，并把二氧化碳工质加压至超临界态后输出到分流调控单元中作为混合热源发电循环的工质；

6、所述分流调控单元，用于调控压气机ⅰ输出的超临界二氧化碳工质输出到地热能换热器和回热器的分流率，其中超临界二氧化碳工质分流到地热能换热器和回热器的比例范围为0-100％，0％代表吸收地热能的超临界二氧化碳工质占压气机ⅰ输出的超临界二氧化碳工质的比例为0％，100％代表吸收地热能的超临界二氧化碳工质占压气机ⅰ输出的超临界二氧化碳工质的比例为100％，分流调控单元还可以调控混合热源发电循环和采热循环之间的传质过程，在当地太阳光照较强、太阳能较充裕时，超临界二氧化碳工质将通过分流调控单元从采热循环输出到混合热源发电循环过程中，此时混合热源发电循环主要以太阳能为主要热源，在当地太阳光照较弱时，超临界二氧化碳工质将通过分流调控单元从混合热源发电循环输出到采热循环过程中，此时混合热源发电循环主要以地热能为主要热源；

7、所述回热器，用于采集余热，分流调控单元分流后的超临界二氧化碳工质分为两路吸收热量，其中一路经由回热器与透平排出的超临界二氧化碳工质进行换热，吸收经电-热-水调控单元后的超临界二氧化碳工质的余热，对超临界二氧化碳进行一次加热；

8、所述地热能换热器，用于采集地热，分离器分离出的携带地热的超临界二氧化碳工质通入地热能换热器，与分流调控单元分流后的剩余一路超临界二氧化碳工质进行换热；

9、所述太阳能加热器，用于对经过回热器和地热能换热器一次加热的超临界二氧化碳进行二次加热；

10、所述太阳能加热器采用的加热器包括槽式太阳能集热器、塔式太阳能集热器、碟式太阳能集热器以及菲涅尔式太阳能集热器；

11、所述透平，利用经过太阳能加热器的高温高压的超临界二氧化碳工质做功发电，透平设有多个压力出口，可以通过调节不同出口的开关去调节出口压力和温度；

12、所述电-热-水调控单元，包括阀门ⅰ、换热器ⅰ、换热器ⅱ、阀门ⅱ、阀门ⅲ以及电能调控单元，透平的不同压力气体出口与阀门ⅰ连接，阀门ⅰ通过调控透平不同压力出口的开关程度以控制透平发电量和透平的出口气体温度，阀门ⅰ出口的温度较低的流股与换热器ⅰ的热侧入口相连，生活用水由阀门ⅱ控制，从换热器ⅰ的冷侧入口流入，与阀门ⅰ出口的二氧化碳工质进行换热，温度较高的流股则通过换热器ⅱ加热矿井水，利用阀门ⅲ控制矿井水和温度较高流股的换热量，被加热后的矿井水用于与苦咸水混合进行咸水淡化处理，参与了不同换热过程的多个流股共同流入回热器中，用于加热从分流调控单元输出的部分超临界二氧化碳；电能调控单元吸收透平做功所转化的电能，并将电能输出给压气机ⅰ和压气机ⅱ驱动其运行；

13、所述冷凝器，用于冷却透平排出的二氧化碳工质，透平排出的二氧化碳工质经电-热-水调节单元以及回热器释放部分热量，最后经冷凝器冷却后进入下一个循环过程；

14、所述压气机ⅱ，用于吸收燃煤电厂捕集到的二氧化碳工质以及完成采热循环的超临界二氧化碳工质，将这些工质加压至超临界态后经注入井注入至地热井中采集地热；

15、所述注入井，用于将经压气机ⅱ加压至超临界态的超临界二氧化碳工质注入地热井中，在此期间，会有比例为0-100％的超临界二氧化碳工质被地质封存，其中，0％的比例代表此次循环中没有超临界二氧化碳被地质封存，100％的比例代表此次循环中所有的超临界二氧化碳工质均通过地质封存。剩余超临界二氧化碳工质将被注入地热储层作为取热媒介，利用沉积盆地地层中的天然孔隙作为热交换通道提取地热资源；

16、所述地热井，用于开采地热能，被注入井注入的超临界二氧化碳工质作为取热媒介在地热井中充分吸收地热储层中蕴含的地热能，从而使得自身温度升高，成为携热超临界二氧化碳工质；

17、所述注出井，用于将吸收了地热热量的超临界二氧化碳工质带回地面，从而利用地热能量，同时，还可将地下深部咸水引入地面，有效实现咸水的资源化；

18、所述分离器，用于分离注出井带出的杂质气体、超临界二氧化碳工质与苦咸水，其中，杂质气体作为废气处理掉、苦咸水进入咸水淡化处理系统进行淡化处理，超临界二氧化碳工质进入地热能换热器进行换热；

19、所述泄压阀，用于降低由分流调控单元输入到压气机ⅱ的二氧化碳工质的压力，防止压气机ⅱ入口处的压力过大，保障采热循环的稳定运行；

20、所述流量调节单元，用以控制经换热器ⅱ加热后的矿井水与分离器分离出的苦咸水的混合比例，混合比例的范围是0-100％，其中，混合比例0％代表此次混合中没有矿井水参与，混合比例100％代表此次混合中没有苦咸水参与，混合后的流体进入咸水淡化处理系统中进行淡化处理；

21、所述咸水淡化处理系统，利用苦咸水与经换热器ⅱ加热后的矿井水混合后的流体自身的热量进行咸水淡化，生成的淡水可以作为工业用水供给燃煤电厂使用；

22、所述燃煤电厂，用于供给循环所需的二氧化碳，保障采热循环和混合热源发电循环的稳定运行，并且可以利用咸水淡化处理后的淡水，有效实现资源的综合利用；

23、一种sco2-地热与太阳能、苦咸水淡化的耦合方法，该方法包括：

24、燃煤电厂输出的二氧化碳工质经压气机ⅱ加压至超临界态，超临界二氧化碳工质通过注入井被注入地热井，其中一部分超临界二氧化碳被地质封存，其余超临界二氧化碳作为工质吸收地热能，之后从注出井中抽出至地面，在此期间，注出井会排出大量的苦咸水，经分离器分离出杂质气体、携带地热的超临界二氧化碳工质和苦咸水，其中，杂质气体被处理掉，携带地热的超临界二氧化碳工质进入地热能换热器与太阳能加热系统耦合，组成混合热源发电系统；压气机ⅰ将二氧化碳压缩至超临界态并通入分流调控单元，分流调控单元控制采热循环与混合热源发电循环的传质过程以及压气机ⅰ输出至回热器和地热能换热器的分流率，一部分超临界二氧化碳经过泄压阀降压后进入压气机ⅱ重新参与采热循环；在混合热源发电循环中，超临界二氧化碳工质通过分流调控单元，一路经回热器吸收透平排出的二氧化碳工质的热量，另一路经地热能换热器与分离器分离出的携热超临界二氧化碳工质进行换热，吸收地热能，两路超临界二氧化碳工质吸收热量后，再经太阳能加热器吸收热量后进入透平释放压力，利用经过太阳能加热器的高温高压的超临界二氧化碳工质做功发电，通过电-热-水调控单元调控电、热、水的综合利用。透平的不同压力气体出口与阀门ⅰ连接，阀门ⅰ通过调控透平不同压力出口的开关程度以控制透平发电量和透平的出口气体温度，阀门ⅰ出口的温度较低的流股与换热器ⅰ的热侧入口相连，生活用水由阀门ⅱ控制流量，从换热器ⅰ的冷侧入口流入，与阀门ⅰ出口的二氧化碳工质进行换热，温度较高的流股则通过换热器ⅱ加热矿井水，利用阀门ⅲ控制矿井水和温度较高流股的换热量，被加热后的矿井水用于与苦咸水混合进行咸水淡化处理，参与了不同换热过程的多个流股共同流入回热器中，用于加热从分流调控单元输出的部分超临界二氧化碳；电能调控单元吸收透平做功所转化的电能，并将电能输出给压气机ⅰ和压气机ⅱ驱动其运行；分离器分离的剩余的苦咸水，与经换热器ⅱ加热后的矿井水通过流量调节单元混合，利用混合后的流体自身的热量进行咸水淡化，生成的淡水可以作为工业用水供给燃煤电厂使用。

25、本发明所产生的有益效果是：

26、(1)采用超临界二氧化碳作为工质，既提高了地热开采效率，还能减少传统开采地热能过程中水资源的大量损耗，并且在采集地热的过程中还能实现一定程度的碳封存；二氧化碳不与大多数岩石矿物发生反应，保证了工质的纯度，减少了循环利用的后处理工序，以及降低了对设备的损害。

27、(2)通过将较低品位的地热能与较高品位的太阳能耦合，实现了热量的梯级利用，减少了损，提高了系统发电量，在地面上的混合热源发电循环系统中，耦合太阳能进行二次加热，升高了气体温度从而提高了气体的做功能力，使得热量的利用更加高效，同时也解决了地热能品位低导致电能转化率低的问题。

28、(3)对二氧化碳进行地质封存的同时携带出了大量的苦咸水，且地热井所在地区存在大量废弃矿井水，通过地热能与太阳能的综合调配，实现了对苦咸水和矿井水的淡化处理，减少对周围环境的污染，并实现咸水的资源化处理，减少了热量损耗，同时咸水淡化后的淡水可作为工业用水供给燃煤电厂从而进行发电，具有较好的环境效益和经济效益。