CN101285420A - 一种燃气轮机循环与热泵集成的供能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机循环与热泵复合供能系统及方法，由燃气轮机循环装置和水源热泵系统集合。燃气轮机循环装置排烟通过换热器供热或进入吸收式热泵实现供热或制冷。调整燃气轮机循环装置供给水源热泵的电能，用于满足任意比例的热或冷、或电负荷需求。该系统在冬季可以实现热电联供、夏季实现冷电联供。根据需要还可以提供生活热水。系统可以在无电功率输出的情况下实现设计供热量，而且供热量可以达到甚至超过输入燃料量热值的2倍以上。热电比范围大，热电负荷灵活性好，克服传统热电联供系统夏季利用率低、以热定电、供热量小于输入的燃料量热值等诸多缺陷。同时改善电网和城市燃气管网季节性负荷峰谷差。

Description

一种燃气轮机循环与热泵集成的供能系统及方法

技术领域

本发明属于分布式能源热电冷联供技术领域，具体地涉及一种复合供能系统。

本发明还涉及用于提高上述供能系统性能的低温烟气余热利用技术和系统。

背景技术

城市住宅及建筑物供暖供冷每年要消耗大量的化石能源，但现有的供暖和供冷装置大多能源利用率较低，浪费严重，同时加重了大气污染。在能源及环境问题已经受到全球普遍关注的今天，上述的供能系统显然无法满足要求。而构建清洁、高效、科学用能的复合供能系统是提高能源利用率、节省能源、降低污染的有效途径。

以燃气机为核心的热电(冷)联供、热泵系统被认为是当前比较合理的供暖(冷)方式。

热电(冷)联供机组符合能量梯级利用的原则，系统的能源利用率较高。但是，其生产的高品质电能相当于是热(冷)能的副产品。由于机组容量小、参数低，故发电效率一般低于大型电站发电效率，造成能源利用率下降。因为一部分燃料热值转变成电能，所以供热量必然小于消耗的燃料发热量，对以供热(冷)为目的的机组来说，并不希望这样。另外，热电负荷灵活性不够，电负荷由热负荷决定，当需要的热(冷)负荷一定时，相应的电负荷就被决定了，无法在电负荷为零的情况下向外供暖或供冷。因此，要实现供热(冷)，这类机组必须并入电网运行，由于政策和技术上的原因，受到诸多限制。目前相当多的机组仅仅是热电联产机组，它们还存在另一个问题是夏季热负荷极低，全年可用率下降。而夏季制冷，又多采用电动空调，加重了电网尖峰负荷。

热泵系统，尤其是地源热泵，以其高效、清洁环保和利用可再生能源的特点近年来得到迅速发展。其本身的优点非常突出。一般输入1kW电能可获得3～5kW热(冷)量。目前的热泵系统多采用电驱动，其实际能效比有所下降。主要是因为电网供电效率一般不足35％，也就是说，每消耗1kW燃料热量，最终通过热泵转换成的热(冷)量仅在1.0～1.8kW。热泵的高性能被集中式发电厂的低能源利用率给抵消了。另外，电驱动热泵系统的最大缺点在于夏季加重了电网尖峰负荷，增加电网安全运行负担。

很自然地，构建一种新型的复合供能系统，充分利用热电(冷)联产和热泵系统的优点，又能有效地弥补它们的不足是很必要的。由前述可知，热电(冷)联供系统用能科学，能源利用率高。只是发出的电能不能直接用于供热(冷)，而且燃料量一定时每多发一份电能，相应的就少供一份热(冷)。如果将多发的这一份电能直接用于驱动热泵，则可以变成3～5份的热(冷)能，系统总的供热(冷)量增加了2～4份，同时既解决了热电(冷)联供系统发电上网的问题，也解决了热泵从电网取电、加重电网尖峰负荷的问题。而且，热电冷联供系统的电效率越高，消耗相同燃料量可提供的热(冷)量就越多，燃料的一次能源利用率就越高。

燃气轮机循环具有高效、清洁的特点，将其与水源热泵集成，可以提高系统的一次能源利用率。对改善系统的热(冷)电比范围、热(冷)电负荷灵活性、避免发电上网的麻烦和夏季给电网增加尖峰负荷、减轻环境污染等问题都有积极的意义。另外，也降低了城市燃气峰谷差，提高燃气管网夏季利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由燃气轮机循环与热泵集成的供能系统及提高供能系统热/冷及电负荷灵活性的方法，可用于住宅、建筑物等的供暖、供冷、供电；该复合供能系统具有一次能源利用率高、热电比范围大、供热(冷)能力大、可缓解电网和城市燃气管网季节性负荷峰谷差。各部分间独立性强、灵活性好等特点。

为实现上述目的，本发明提供了燃气轮机循环与热泵集成的供能系统；在该系统中，燃气轮机循环装置发出的部分或全部电能提供给具有较高性能系数(简称COP：Coefficient of Performance)的水源热泵，从水源中提取热(冷)量供给用户。

所述的复合供能系统，还包括配电设备，燃气轮机循环装置的发电机发出的电能经配电设备后供给水源热泵或入电网。

所述的复合供能系统，还包括烟气余热利用设备，向外供热或供冷。

所述的复合供能系统，所述烟气余热利用设备为余热锅炉、换热器或烟气型制冷机。

所述的复合供能系统，还包括第一换热器，烟气经过余热利用设备后引入第一换热器，用于提供生活热水。

所述的复合供能系统，在冬季时，烟气引入第一换热器加热去往水源热泵中的水，以提高热泵性能。

为了实现所述的目的，本发明提供一种提高供能系统热/冷电负荷灵活性的方法，包括：调整燃气轮机循环装置供给水源热泵的电能，用于满足任意比例的热或冷、或电负荷需求。

本发明与现有热(冷)电联供系统相比具有以下的优点和有益效果。

(1)一次能源利用率高。燃气轮机循环装置每发出1kW电能，在输入水源热泵后就可以提供3～5kW的热(冷)。供热(冷)的一次能源利用率自然升高。若发电效率40％左右，加上排烟部分提供的热(冷)，能源利用率可达2.0以上。

(2)热电比范围扩大；热电负荷灵活性明显改善。复合系统热(冷)电负荷性能曲线如图2所示。系统可以单纯发电不供热(冷)；也可以在输出0kW电能的情况下提供最大的热(冷)负荷，热电比在0～∞范围变化；系统也可以在任意的热(冷)电负荷下运行。在实现上述功能的前提下，复合供能系统可以保证在较高效率乃至设计效率下运行，经济性好。

(3)在机组容量相同的情况下，供热(冷)能力比现有联供系统明显增加，甚至可多出数倍。若保持供热(冷)负荷不变，机组容量可以明显减小。

(4)与现有联供系统相反，燃气轮机循环装置部分发电效率越高(对应的排烟温度就越低)，复合系统的供热(冷)能力越强，能源利用率就越高。更符合热(冷)用户的要求。

(5)本发明所述复合供能系统，发电无需上网；夏季也不会增加电网尖峰负荷。

(6)本发明所述的复合供能系统，各部分间独立性强，灵活性好。在燃气轮机循环装置无法正常提供电能的情况下，仍可以通过从电网购电驱动水源热泵实现供热(冷)。在仅需要电负荷时可以单独发电。

(7)在“以热定电”原则下，热负荷相同时，本发明所述复合供能系统燃机循环工作点更接近设计工况点，具有更高的效率，一次能源利用率高。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明所述复合供能系统的热电负荷性能曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

燃气轮机循环装置1的发电机发出的电，除供给水源热泵2外，还可以就地供给其它用电设备使用，不必上网。若需要的冷(热)负荷较大，燃气轮机循环装置1发电机负荷不能满足需要，还可以从电网购买较少部分的电能。避免了上网和夏季增加电网尖峰负荷的问题。

将燃气轮机循环装置1的发电机发出的部分或全部电能供给水源热泵2后，可以在保证复合系统一次能源利用率较高的情况下，实现在电负荷为零时提供最大的冷(热)负荷，系统的热电比范围增大、热电负荷灵活性增强。

燃气轮机循环装置1排烟可以经烟气余热利用设备3即余热锅炉或换热器或烟气型热泵加以利用，这与常规联供系统一样。而这些设备出口的低温烟气，在冬季可以用来加热水源热泵2来水，提高热泵制热性能。

如图1为本发明复合供能系统循环示意图所示，主要包括：

燃气轮机循环装置1、水源热泵2、烟气余热利用设备3、第一换热器4、配电设备5、以及相关阀门以及相关第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9、第五阀门10和管道等组合而成。

燃气轮机循环装置1：Bowman公司TG80微燃机循环。

水源热泵2，也可以是其它热泵，如空气源热泵等。本例采用CIATLWP系列水源热泵。

烟气余热利用设备3，可以采用表面式换热器，也可以采用余热锅炉、烟气型制冷机等。

所述第一换热器4，可以采用表面式或直接接触式换热器，烟气侧压力为常压，水侧压力不超过0.7MPa。

配电设备5，额定电压为380V、额定电流为250A的空气开关。

第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9、第五阀门10，它们均采用普通的截止阀，公称压力1.0MPa

燃料11输入燃气轮机循环装置1中产生电能的同时，其高温排烟首先经过烟气余热利用设备3向外第一供热或冷13；然后烟气直接排放掉或进入第一换热器4加热水源热泵2来水17(仅限冬季)，以提高热泵性能；此时，水源热泵2来水经第三阀门8进入第一换热器4后再经第五阀门10进入水源热泵2，然后返回水源18；第一阀门6、第二阀门7、第四阀门9关闭。烟气余热利用设备3出口的低温烟气也可以用来提供生活热水14。自来水16经第二阀门7进入第一换热器4，被加热后经第一阀门6供给用户，第三阀门8和第五阀门10关闭。因水源热泵来水17和生活热水14水质不同，二者不能互相取代。第一换热器4出口烟气15经烟囱排入大气中。

燃气轮机循环装置1发出的电能经配电设备5，再根据需要供给水源热泵2，驱动水源热泵2向外第二供热(冷)13。如果电能不够，可以从电网12购电；如果发出的电能可以上电网12，那么可以尽量保证机组在最佳效率下运行，多出的电能送入电网12。

图2是本发明复合供能系统的热电负荷性能曲线图。在实际运行中，供能系统的热(冷)电负荷由外界需求确定，二者之间并无必然联系。但是，燃气轮机循环本身的热(冷)电负荷间存在着特定的关系，Q_B＝f(P_B)。图2中给出了在特定热(冷)电负荷下(对应A点)，复合系统中燃气轮机循环工作点的确定方法：

Q_A＝Q_B+(P_B-P_A)×COP    (1)

Q_A——外界需求的热负荷。

Q_B——烟气余热利用设备直接提供的热负荷。

P_A——外界需求的电负荷。

P_B——燃气轮机循环装置发电机输出的电负荷。

COP——热泵的性能系数。

按上式计算得到的Q_B和P_B即可确定湿化循环的工作点B。亦即，只要燃气轮机循环装置工作在B点，则将其发出电能中的(P_B-P_A)部分供给水源热泵2，就可以同时满足用户特定的热(冷)电负荷(A点)要求。若发电可以上电网12，则可以始终保持燃气轮机循环装置1在其最高效率工况下运行，发出的电能分为三部分：一部分满足电负荷要求，一部分驱动水源热泵2满足热负荷要求，剩下的一部分供给电网12。

从图2可见，本发明系统热电负荷变化方向相反，即电负荷增加则热负荷减小，反之亦然。热电负荷非常灵活，只要调整燃气轮机循环装置1供给水源热泵2的电能，就可满足任意比例的热(冷)、电负荷需求。这与传统的热电联供系统明显不同。当外界要求的电负荷减小、热负荷增加时(比如电负荷由P_B降到P_A，热负荷由Q_B增加到Q_A)，传统热电联供系统根本无法满足要求。而在本发明系统中，只要将燃气轮机循环装置1输出的电负荷更多地用于驱动水源热泵2，在降低对外输出电负荷的同时又增加了热负荷，直到最终同时满足外界热电负荷要求为止。显然，热电负荷更加灵活。在极端情况下，当外界需要的电负荷为0而热负荷最大(Qmax)时，将所有电负荷全部用于驱动水源热泵2即可满足要求。此时的热电比为无穷大，系统的热电比范围较传统联供系统有较大拓展。这时系统虽然看起来似乎相当于供热锅炉，但是有本质的区别。首先是系统可以在夏季实现供冷。其次，无论是单纯供热还是单纯供冷，系统的一次能源利用率均大于100％。这两点都是普通锅炉根本无法做到的。以Bowman公司TG80微燃机循环(发电效率可达25％)与COP为4.5的水源热泵2(CIAT LWP系列热泵)构成的复合供能系统为例，并保守的假定烟气余热利用设备可提供的热量仅占输入一次能源的40％。则系统单纯供热、在输入100kW一次能源时，可以提供的热量为：100×25％×4.5+100×40％＝152.5kW。多出的热量是由水源热泵2从环境当中提取的，根本不消耗一次能源，所以对应的一次能源利用率为：152.5/100＝1.525。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。水源热泵2的水并非一定源自地下，也可以来自江河湖海以及水库，或是工业废水、地热水等。水源热泵2可以换成其他形式的热泵，热网中传递热量(冷量)的工质不仅仅限于水，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1. 一种燃气轮机循环与热泵集成的供能系统，其特征在于：由燃气轮机循环装置(1)和水源热泵(2)系统集成，燃气轮机循环装置(1)以燃气或燃油为燃料(11)，驱动燃气轮机循环装置(1)的发电机发出电能，部分或全部用于驱动水源热泵(2)。

2. 如权利要求1所述的供能系统，其特征在于：还包括配电设备(5)，燃气轮机循环装置(1)的发电机发出的电能经配电设备(5)后供给水源热泵(2)或入电网(12)。

3. 如权利要求1所述的供能系统，其特征在于：还包括烟气余热利用设备(3)，向外供热或供冷。

4. 如权利要求3所述的供能系统，其特征在于：所述烟气余热利用设备(3)为余热锅炉、换热器或烟气型制冷机。

5. 如权利要求3所述的供能系统，其特征在于：还包括第一换热器(4)，烟气经过余热利用设备(3)后引入第一换热器(4)，用于提供生活热水。

6. 如权利要求5所述的供能系统，其特征在于：在冬季时，烟气引入第一换热器(4)加热去往水源热泵(2)中的水，以提高热泵性能。

7. 一种提高供能系统热/冷及电负荷灵活性的方法，其特征在于：调整燃气轮机循环装置供给水源热泵的电能，用于满足任意比例的热或冷、或电负荷需求。

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