本發(fā)明涉及地熱余熱利用技術領域，尤其涉及一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)。

背景技術：

我國地熱資源豐富，據(jù)預測，在距離地表2000m范圍內(nèi)，約有相當于137億噸標準煤的地熱資源量。目前全國已發(fā)現(xiàn)地熱點2000多處，以低于150℃的中低溫地熱資源為主。地熱供暖在地熱資源豐富的地區(qū)(如北京、天津等)已經(jīng)獲得成熟應用。供熱方式已由直接供熱向間接供熱(利用換熱器)、地板供熱、熱泵技術等多種方式發(fā)展。而隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能減排已成為人類社會生存和發(fā)展的基礎。地熱生產(chǎn)雖然有著成本較低、能源來源廣泛等優(yōu)勢，但是地熱廠存在效率較低、排放物資源浪費較多等缺點。而在能源緊缺、傳統(tǒng)能源使用費用持續(xù)走高的情勢下，如何提高效率利用地熱的余熱已成為擺在人類社會面前的一個重要課題，一旦合理利用起來就相當于提高了經(jīng)濟收益，同時還降低了大氣的溫室效應符合環(huán)保的理念。

在現(xiàn)有采暖方式中，通過潛水泵抽出的80～150℃地熱水首先與采暖熱水進行換熱，溫度降至40～50℃。為了最大限度地利用地熱，再采用電動熱泵對換熱后的地熱水進一步提取熱量，使得地熱尾水溫度進一步降低至10～20℃，然后通過潛水泵回灌至地下。對于現(xiàn)有地熱采暖利用方式，高溫地熱水直接通過換熱器與采暖熱水換熱，換熱溫差達到30℃以上，高溫地熱水的能量品位損失較大。同時，利用電動熱泵對換熱后的地熱水提取熱量，需要消耗大量電能，在能效與經(jīng)濟性上有進一步提高的空間。

本發(fā)明二氧化碳熱泵系統(tǒng)對地熱廢氣的熱量進行回收，但當今的余熱回收系統(tǒng)大多功率太小，不適用于一些大功率大規(guī)模的地熱廠，鑒于此，本發(fā)明使用多臺壓縮機并聯(lián)的方式使得其熱泵功率達到兆瓦級，同時壓縮機的工作臺數(shù)也可根據(jù)工業(yè)的功率需求進行數(shù)量上的把控避免能源浪費。該發(fā)明利用了廢氣里的熱量，同時使用壓縮機對二氧化碳進行壓縮升溫，結(jié)合氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器和氣液分離器實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用和熱量回收，最后形成一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述余熱回收系統(tǒng)大多功率太小，不適用于一些大功率大規(guī)模的地熱廠的技術問題，本發(fā)明采用了以下技術措施：

一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)，其特征在于，包含：

地熱回收循環(huán)模塊，包含相連通的蒸汽井、分離裝置、熱交換室和循環(huán)熱水箱，所述的熱交換時連接有熱交換室第一回路和熱交換室第二回路，所述熱交換室第一回路的輸入端和輸出端均與地下地殼相連通，所述熱交換室第二回路的輸入端和輸出端均和循環(huán)熱水箱相連通；

二氧化碳換熱循環(huán)模塊，包含相連通的壓縮機組、氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器和氣液分離器，形成二氧化碳換熱循環(huán)回路；所述壓縮機組為若干臺壓縮機并聯(lián)組成；所述回熱器連接有回熱器第一回路和回熱器第二回路，所述回熱器第一回路的輸入端與氣體冷卻器相連通，輸出端與蒸發(fā)器相連通；所述回熱器第二回路的輸入端與氣液分離器相連通，輸出端與壓縮機相連通；

供水系統(tǒng)，包含相連通的供水水箱、工藝水泵、冷卻設備和冷水箱。

作為進一步改進，所述熱交換器輸入回路上依次連接地下底殼、蒸汽井和分離裝置；所述分離裝置中設有過濾設備；所述輸出回路上設有一潛水泵。

作為進一步改進，所述循環(huán)熱水箱上連接有循環(huán)熱水箱第一回路和循環(huán)熱水箱第二回路；所述循環(huán)熱水箱第一回路的輸入端與所述供水水箱相連通用于給循環(huán)熱水箱提供用水，所述循環(huán)熱水箱第一回路的輸出端與熱交換室、循環(huán)泵依次連通，形成循環(huán)熱水箱第二回路的輸入端，所述熱交換室實現(xiàn)輸出用水與廢氣的熱交換；所述循環(huán)熱水箱第二回路的輸出回路經(jīng)過一帶有溫度計的熱水泵后分為兩路，一路直接與一熱水儲存裝置連接進而提供家庭第一階段用水，另一路與所述氣體冷卻器相連通。

作為進一步改進，所述壓縮機組由一干燥二氧化碳氣體充注裝置提供二氧化碳氣體，所述壓縮機組的輸入和輸出回路上均設有壓力表和溫度計，二氧化碳通過所述壓縮機組壓縮升溫后進入氣體冷卻器中進行熱交換。

作為進一步改進，所述氣體冷卻器上連接有氣體冷卻器第一回路和氣體冷卻器第二回路；所述氣體冷卻器第二回路的輸入端與所述循環(huán)熱水箱相連通，所述氣體冷卻器第一回路的輸入端與壓縮機相連通；所述氣體冷卻器實現(xiàn)循環(huán)熱水箱第二回路輸出的用水與高溫二氧化碳的熱交換；所述氣體冷卻器第二回路的輸出端與一熱水儲存裝置相連通以供給熱交換后的家庭第二階段高溫用水，所述氣體冷卻器第一回路的輸出端與回熱器相連通輸出冷卻后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述氣體冷卻器與所述生產(chǎn)設備之間設有一溫度計。

作為進一步改進，所述回熱器與所述氣體冷卻器之間設有一溫度計；所述回熱器與所述蒸發(fā)器之間依次設有一溫度計、一節(jié)流閥、一溫度計和一壓力表；所述回熱器將二氧化碳冷凝水過冷處理防止其在節(jié)流前汽化。

作為進一步改進，所述的蒸發(fā)器上連接有蒸發(fā)器第一回路和蒸發(fā)器第二回路；所述蒸發(fā)器第一回路的輸入端與所述回熱器相連通，所述蒸發(fā)器第一回路的輸出端與氣液分離器相連通；所述蒸發(fā)器第二回路的輸入端與供水水箱相連通，所述蒸發(fā)器第二回路的輸出端與冷水箱相連通且輸出回路上設有一溫度計；所述蒸發(fā)器加熱二氧化碳冷凝水使其沸騰氣化，并對所述供水水箱的供應用水進行降溫，最終輸出冷卻后的用水至冷水箱內(nèi)。

作為進一步改進，所述氣液分離器輸入端與蒸發(fā)器相連通，所述氣液分離器輸出端與回熱器第二回路的輸入端相連通；所述回熱器第二回路的輸出端與壓縮機相連通；所述回熱器將二氧化碳氣體進行過熱處理提高氣體溫度使其符合壓縮機工作要求。

作為進一步改進，定義所述二氧化碳換熱循環(huán)模塊中二氧化碳通過的線路為二氧化碳循環(huán)回路，所述二氧化碳循環(huán)回路的管道外徑為89mm，厚度為6mm，其選用材料為304不銹鋼。

作為進一步改進，所述冷水箱向所述冷卻設備供應生產(chǎn)需要的冷水；所述供水水箱回收冷卻設備使用后的用水；所述工藝水泵設置于供水水箱的輸出端。

與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)中的壓縮機組采用多臺壓縮機并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，加大了壓縮機的使用功率，使其系統(tǒng)適用于大功率工業(yè)生產(chǎn)中。

2、本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)使用壓縮機組、氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器和氣液分離器組成的循環(huán)系統(tǒng)來對工業(yè)廢氣和二氧化碳實現(xiàn)循環(huán)利用。

3、本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)設置了二氧化碳回收利用和熱量循環(huán)回收裝置，將地殼下的地熱水中的熱能進行利用以及將熱交換后的地熱水重新灌入地殼進行二次利用和循環(huán)使用，并分別將余熱回收用于不同溫度下的生產(chǎn)需求中，提高經(jīng)濟效益的同時減少地熱廠導致的能源浪費問題。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性?！跋噙B通”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)，包含：地熱回收循環(huán)模塊10，包含相連通的蒸汽井18、分離裝置11、熱交換室12和循環(huán)熱水箱13，所述的熱交換室12連接有熱交換室第一回路和熱交換室第二回路，所述熱交換室第一回路的輸入端和輸出端均與地下地殼相連通，所述熱交換室第二回路的輸入端和輸出端均和循環(huán)熱水箱13相連通；二氧化碳換熱循環(huán)模塊20，包含相連通的壓縮機組21、氣體冷卻器22、回熱器23、蒸發(fā)器25和氣液分離器26，形成二氧化碳換熱循環(huán)回路；所述壓縮機組21為若干臺壓縮機并聯(lián)組成；所述回熱器23連接有回熱器第一回路和回熱器第二回路，所述回熱器23第一回路的輸入端與氣體冷卻器22相連通，輸出端與蒸發(fā)器25相連通；所述回熱器23第二回路的輸入端與氣液分離器26相連通，輸出端與壓縮機21相連通；供水系統(tǒng)30，包含相連通的供水水箱31、工藝水泵32、冷卻設備33和冷水箱34。

請參考圖1，所述供水系統(tǒng)30中的供水水箱31用于向整個系統(tǒng)提供用水，所述供水水箱31后設有工藝水泵32用于對源頭用水進行升壓處理便于后續(xù)使用，所述供水水箱31還連接有冷卻設備33和冷水箱34，冷水箱34中輸出冷水以供冷卻設備33使用，最后將使用過的用水輸入到供水水箱31中供系統(tǒng)循環(huán)使用。所述的冷卻設備33可為家庭中使用的制冷設備如空調(diào)、冰箱等電器。與所述供水水箱31相連接的線路使用外徑108mm，厚度4mm，材質(zhì)為20不銹鋼的鋼管。對冷水進行收集利用的話可以使用在家庭制冷設備當中，節(jié)省了大多能源。同時利用這樣的結(jié)構(gòu)可對系統(tǒng)中的用水進行循環(huán)利用最后重新由供水水箱供給整個系統(tǒng)使用，同時對供水系統(tǒng)的路線采用大口徑的管路可保證供水穩(wěn)定。

請參考圖1，實施例中，所述熱交換器第一回路的輸入回路上依次連接地下底殼、蒸汽井18和分離裝置11；所述分離裝置11中設有過濾設備可將地殼蒸汽中的固定顆粒過濾從而輸出純度較高的蒸汽；所述熱交換室第一回路的輸出回路上設有一潛水泵用于將熱交換后的液態(tài)蒸汽水重新灌入地下地殼。所述蒸汽井18用于收集地下地殼中的高溫蒸汽，經(jīng)過分離裝置11后進行熱交換室12，同時循環(huán)熱水箱13向熱交換室12傳輸用水實現(xiàn)高溫蒸汽與用水之間的熱交換從而提高用水溫度降低蒸汽溫度并使其冷凝成液態(tài)水。熱交換后，液態(tài)蒸汽水經(jīng)過潛水泵灌回地下地殼實現(xiàn)地殼資源的循環(huán)使用。所述循環(huán)熱水箱13上連接有循環(huán)熱水箱第一回路和循環(huán)熱水箱第二回路；所述循環(huán)熱水箱第一回路的輸入端與所述供水水箱31相連通用于給循環(huán)熱水箱提供用水，所述循環(huán)熱水箱第一回路的輸出端與熱交換室12、循環(huán)泵14、依次連通實現(xiàn)用水在熱交換室中的循環(huán)流動，最后形成循環(huán)熱水箱第二回路的輸入端；所述循環(huán)熱水箱第二回路的輸出回路經(jīng)過一帶有溫度計的熱水泵15后，溫度計測量水溫合格后，一路直接與一熱水儲存裝置16連接進而對家庭熱水器17提供第一階段家庭用水，另一路與所述氣體冷卻器22相連通提供用水。對地熱水進行熱量回收以及對地熱水灌回地殼處理從而進行再利用不僅提高了經(jīng)濟效益，也保護了大氣環(huán)境；所述循環(huán)廢氣換熱循環(huán)模塊中的循環(huán)熱水箱采用兩進兩出的回路設置同時實現(xiàn)了水源的供給、高溫蒸汽與用水的熱交換。

請參考圖1，實施例中，所述壓縮機組21由若干臺德國博客設計制造的HGX46/345-4SCO2T型跨臨界CO₂壓縮機并聯(lián)組成，其中所述每臺壓縮機的最大工作電流為90.9A，最大功率消耗為53.4kW，定義其壓縮機的臺數(shù)數(shù)量為n，其中n的范圍為4～6，優(yōu)選的，因本發(fā)明所述的系統(tǒng)要求的功率為兆瓦級，而實現(xiàn)兆瓦級的壓縮機最低標配為4臺故選用n為4。所述壓縮機組21由一干燥二氧化碳氣體充注裝置28提供二氧化碳氣體，所述壓縮機組21的輸入和輸出回路上均設有壓力表和溫度計用于測量二氧化碳的氣溫和氣壓，二氧化碳通過所述壓縮機組21壓縮升溫后進入氣體冷卻器中進行熱交換。所述壓縮機組采用多臺并聯(lián)的形式不僅實現(xiàn)了兆瓦級功率的需求，同時壓縮機組的并聯(lián)臺數(shù)可根據(jù)功率需求自行決定并聯(lián)的壓縮機是否全開和是否增加并聯(lián)壓縮機的臺數(shù)，可選的功率范圍不僅節(jié)約了能源，而且能夠適用于很多大功率的工業(yè)生產(chǎn)。

請參考圖1，實施例中，所述氣體冷卻器22上連接有氣體冷卻器第一回路和氣體冷卻器第二回路；所述氣體冷卻器第二回路的輸入端與所述循環(huán)熱水箱13相連通以提供用水，所述氣體冷卻器第一回路的輸入端與壓縮機組21相連通用于輸入升溫升壓后的二氧化碳；所述氣體冷卻器22實現(xiàn)循環(huán)熱水箱第二回路輸出的第一階段家庭用水與高溫二氧化碳的熱交換；所述氣體冷卻器第二回路的輸出端與一熱水儲存裝置29相連通從而向家庭熱水器27以供給熱交換后的第二階段家庭高溫用水，此高溫用水相比于上述循環(huán)熱水箱供給熱水儲存裝置17的熱水溫度更高，所述氣體冷卻器第一回路的輸出端與回熱器相連通輸出冷卻后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述氣體冷卻器22與所述生產(chǎn)設備27的之間設有一溫度計用于測量二氧化碳冷凝水的溫度是否符合要求。采用氣體冷卻器能夠?qū)崿F(xiàn)液體和氣體之間的熱交換從而使工藝用水達到更高溫度以投入到家庭用水當中，保證每個溫度區(qū)間的熱水都能得到合理的使用，同時可供溫度選擇的高溫熱水更能適用于不同場所不同條件下的家庭用水。

請參考圖1，實施例中，所述回熱器23連接有回熱器第一回路和回熱器第二回路，所述回熱器第一回路的輸入端與氣體冷卻器第一回路的輸出端相連通用于傳輸二氧化碳冷凝水，輸出端與蒸發(fā)器25相連通用于將過冷后的冷凝水傳輸至蒸發(fā)器中；所述回熱器第二回路的輸入端與氣液分離器的輸出端相連通用于傳輸氣液分離后的二氧化碳氣體，輸出端與壓縮機21的輸入端相連通；所述回熱器23與所述蒸發(fā)器25之間依次設有一溫度計、一節(jié)流閥24、一溫度計和一壓力表，第一個溫度計用于測量通過回熱器后二氧化碳冷凝水的溫度以滿足后方的節(jié)流閥24工作要求、后方的溫度計和壓力表用于測量節(jié)流后的二氧化碳冷凝水的溫度和水壓以滿足蒸發(fā)器25工作要求；所述回熱器在第一回路上用于將二氧化碳冷凝水過冷處理防止其在節(jié)流前汽化，所述回熱器23在第二回路上用于將二氧化碳氣體過熱處理以便滿足壓縮機21工作要求。采用回熱器裝置作為氣體冷卻器-蒸發(fā)器，氣液分離器-壓縮機之間的連接對二氧化碳可以起到過冷過熱的作用并使整個循環(huán)過程順利進行。

請參考圖1，實施例中，所述的蒸發(fā)器25上連接有蒸發(fā)器第一回路和蒸發(fā)器第二回路；所述蒸發(fā)器第一回路的輸入端與所述回熱器第一回路的輸出端相連通，所述蒸發(fā)器第一回路的輸出端與氣液分離器的輸入端相連通；所述蒸發(fā)器第二回路的輸入端與供水水箱31相連通，所述蒸發(fā)器第二回路的輸出端與冷水箱34相連通且輸出回路上設有一溫度計；所述蒸發(fā)器25加熱從回熱器23傳輸過來的二氧化碳冷凝水，使其沸騰氣化，二氧化碳在氣化的同時吸熱并對所述供水水箱31提供的供應用水進行降溫，最終向氣液分離器26輸出二氧化碳氣體、向冷水箱34輸出冷卻后的用水。但由于蒸發(fā)器25在蒸發(fā)過程中容易產(chǎn)生水氣并與二氧化碳氣體一并輸出故在蒸發(fā)器25后方設有一氣液分離器26。所述氣液分離器26輸入端與蒸發(fā)器25相連通，所述氣液分離器26輸出端與回熱器第二回路的輸入端相連通；所述回熱器第二回路的輸出端與壓縮機21的輸入端相連通；所述氣液分離器26將輸送過來的氣液混合體進行氣液分離器并輸出二氧化碳氣體至回熱器進行過熱處理，提高二氧化碳氣體溫度使其符合壓縮機工作要求。

請參考圖1，實施例中，定義所述二氧化碳換熱循環(huán)模塊20中二氧化碳通過的線路為二氧化碳循環(huán)回路，所述二氧化碳循環(huán)回路的管道外徑為89mm，厚度為6mm，其選用材料為304不銹鋼。所述二氧化碳循環(huán)回路連接壓縮機、氣體冷卻器、回熱器、蒸發(fā)器和氣液分離器并使其形成一個二氧化碳的循環(huán)回路，二氧化碳在這個回路中實現(xiàn)了氣態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的轉(zhuǎn)化以滿足各個設備的工作要求和冷熱交換，最終輸出熱水和冷水以供生產(chǎn)使用。

請參考圖1，上述實施例中，所述熱交換室12、供水水箱31、工藝水泵32、冷卻設備33、熱水儲存裝置和冷水箱34均為舊設備重復使用，設備的利舊使用不僅可以節(jié)省和節(jié)約工業(yè)機械成本，同時也避開了場地受限等影響。本發(fā)明一種在地熱領域應用中的兆瓦級二氧化碳熱泵系統(tǒng)中的地熱蒸汽熱量回收和水資源循環(huán)使用、大氣資源循環(huán)使用以及各個設備的利舊使用都本著節(jié)能環(huán)保的綠色理念進行設計，順應當今工業(yè)發(fā)展的趨勢，同時貫徹國家對工業(yè)化建設的愿景。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。