CN101761392B - 集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统属于新型冷热电联产系统设备。针对常规联产系统冷热电负荷经常不匹配，低效运行问题，提出在微型燃气轮机冷热电联产系统的基础上引入蒸汽回注、进气冷却、烟气冷凝水回收等措施，增加蒸汽输出口与热水输出口，从而形成集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统。该系统具有多种适用于不同场合的工作模式，可有效解决联产系统冷热电负荷的矛盾问题，使系统始终保持在效率较高的状态下运行。
Description
技术领域
本发明属于冷热电联产设备，特别涉及一种集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统。
背景技术
微型燃气轮机冷热电联产系统是前景看好的分布式能源的主要形式之一。理论上微型燃气轮机冷热电联产系统可实现能量的梯级利用，能量的综合利用效率可以达到80％以上。但是大量工程实际证明，综合利用效率可以达到60％就是比较成功的。这是因为实际应用中联产系统的冷热电负荷是时刻变化的，冷热电的负荷需求并不能时刻保证匹配，所以冷热电联产系统的能量的梯级利用的优势无法充分发挥。电冷热的负荷需求不匹配有如下多种情况：当微型燃气轮机冷热电联产系统没有冷热需求时，联产系统会处于单纯发电的状态，烟气完全被浪费；当微型燃气轮机冷热电联产系统电需求较高而冷热需求较低时，发电后烟气利用不充分；在夏季高温天气下，由于微型燃气轮机属于容积性设备，其发电功率与发电效率会显著下降，联产系统的余热制冷功率也会随着下降，但此时系统的电负荷与冷负荷处于提高状态，系统的需求与微燃机的工作状态出现矛盾等等。
发明内容
本发明为解决微型燃气轮机冷热电联产系统冷热电负荷的矛盾，提出了一种集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，可有效解冷热电负荷的矛盾，使联产系统始终保持在较高的能量综合利用效率。
本联产系统在由微型燃气轮机、蒸汽余热锅炉、溴化锂制冷机组成的常规冷热电联产系统的基础上，引入了蒸汽回注、进气冷却及冷凝水回收等措施，增加热水与蒸汽产品，形成了集成化的联产系统，并通过阀门控制，实现联产系统在不同的场合采用不同的工作模式，可有效缓解冷热电负荷不匹配造成的系统低效运行问题。
增加余热锅炉的蒸汽出口，使蒸汽引入燃烧室，增加透平作功；采用蒸汽回注模式后，余热锅炉的补给水由储水器的水经水处理器的化学处理后供给；在压气机的空气进口处增加并联的板翘式换热器通路，板翘式换热器串联冷用户，系统余热制得冷量先对压气机进口空气进行冷却，再向其他冷用户供冷；在余热锅炉的排烟进入烟囱处增加并联的烟气冷凝器通路，在采用蒸汽回注模式时使用，使烟气中的水蒸气在冷凝器中凝结成水，并收集到储水器中；储水器中处理后的水作为冷凝器的冷却介质，在烟气冷凝器中被预热后作为锅炉补给水；在增加余热锅炉的蒸汽出口通路上设置并联的蒸汽输出口，使蒸汽可直接引到系统外部向外供蒸汽；在供暖用的供热系统上并联了供生活用热水的供热系统，使冷水输入后变为热水向系统外输出。
所述冷用户上增加电空调，在不能满足冷用户供冷需求时使用，增加系统供冷能力。
所述余热锅炉有4个并联的蒸汽出口，蒸汽进入溴化锂制冷机、或进入汽水换热器、或进入燃烧室、或直接输出到外部；所述空气进口的空气进入压气机有两个并联的通路，空气直接进入压气机，或先进入板翘式换热器再进入压气机；所述余热锅炉的烟气进入烟囱处并联了冷凝器通路，烟气直接进入烟囱或先进入冷凝器后再进入烟囱；所述补给水经过水处理器后进入余热锅炉有两个并联的通路，处理后的补给水直接进入余热锅炉，或先进入冷凝器后再进入余热锅炉。
在所述所有并联通路处分别设有阀门，通过阀门的开启与关闭实现系统在不同场合下的多种工作模式的转换。
所述集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统通过阀门的组合开启，其工作模式有：典型的冬季供暖工作模式、典型的夏季供冷工作模式、典型的无冷热负荷工作模式、典型的供热水模式、典型的供蒸汽模式、以及上述典型工作模式的组合模式。
本发明的有益效果为：
(1)当微型燃气轮机冷热电联产系统没有冷热需求时，把余热生产的蒸汽回注到燃烧室，成为蒸汽回注循环发电系统，可提高微型燃气轮机的发电效率。例如：可使额定功率为100kW，额定压比3.8，透平进口温度900℃，回热度为0.88的微型燃气轮机的发电效率由29.13％提高至31.11％，效率提高幅度为6.8％。
(2)在夏季高温天气，引入进气冷却措施，用系统生产的冷量首先用来对压气机进口的空气进行冷却，然后再向冷用户供冷，同时配合使用电空调，使用微型燃气轮机多发的电功率制冷，对制冷功率进行补偿。可提高微型燃气轮机的发电功率与效率，并提高系统供冷能力。例如：额定功率为100kW的微型燃气轮机冷电联产系统，额定制冷功率94.04kW。但是在环境温度达到40℃高温时，发电功率只有83.48kW，制冷功率为90.86KW。而引入进气冷却系统，可在相同的环境温度下使发电功率达到99.39kW，制冷功率达到149.67KW。
(3)采用回注蒸汽时，启动烟气冷凝水回收装置，对烟气中的水冷凝回收；当启动烟气冷凝水回收装置与采用进气冷却时启动冷凝水处理装置，处理回收水资源，处理后的水作为余热锅炉给水。
(4)增加热水产品出口，增加与供暖用的闭式热水循环系统并联的开放式生活热水生产系统；增加蒸汽产品出口，可直接对外提供蒸汽产品。增加了热水与蒸汽产品后，使余热产品在时间上重合，避免余热浪费。
(5)通过阀门的开启与关闭使联产相关的部分投入使用或停用，可方便的利用现有设备实现多种功能的多种工作模式的转化。
本发明通过引入回注蒸汽、进气冷却等大型燃气轮机用来提高发电效率的手段，作为解决联产冷热电负荷不匹配的问题有效措施；同时增加蒸汽热水等产品，增加余热利用上时间上的重叠度，从而提高系统余热利用的程度；并且增加冷凝水回收技术与凝结水处理系统，提高系统的节水性能。通过多种技术的集成组合，实现了微型燃气轮机冷热电联产系统的高效环保性。
附图说明
图1是所述集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的结构图如图1所示：压气机、回热器、燃烧室、透平、发电机构成了发电部分。空气直接进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平拖动压气压缩空气，同时拖动发电机发电；余热锅炉、储水器、水处理器、烟囱、余热锅炉、溴化锂制冷机、汽水换热器构成了余热利用部分(冷热产品生产部分)。回热器出口的烟气进入余热锅炉生产蒸汽，蒸汽进入溴化锂制冷机制冷，然后可供冷用户用冷。蒸汽进入汽水换热器可生产暖气用热水，供热用户供热。蒸汽进入溴化锂制冷机与汽水换热器采用了并联，回路控制分别由第四阀门4与第八阀门8控制。
引入回注蒸汽方法如下：增加余热锅炉的蒸汽出口，使第四阀门4与第八阀门8关闭时蒸汽可引入燃烧室。蒸汽引入燃烧室后，蒸汽进入烟气，关闭阀门14，锅炉给水由储水器的水经化学处理供给。
引入进气冷却方法如下：在压气机空气进口处并联板翘式换热器通路，空气在环境温度较低时可直接进入压气机，而在高温天气下选择通过板翘式换热器进入压气机。板翘式换热器串联进冷用户中，使压气机进口空气作为第一个冷用户，先对压气机进口空气进行冷却后再向其他冷用户供冷。压气机进口空气冷却后，微型燃气轮机的发电功率增加，但是烟气余热生产的冷用户可用冷量减少。此时增加电空调作为补偿，用微型燃气轮机增加的发电量驱动，同时为冷用户供冷，增加系统供冷能力。
引入冷凝水回收方法如下：在余热锅炉的排烟进入烟囱处增加并联的烟气冷凝器通路。当未采用蒸汽回注时，烟气直接进入烟囱，当采用蒸汽回注时则选择使烟气先进入冷凝器，然后再进入烟囱。烟气中的水蒸气在冷凝器中凝结成水并收集到储水器中，处理后可作为补给水来源。储水器中经过化学处理后的水作为冷凝器的冷却介质。
增加蒸汽产品方法如下：在回注蒸汽的通路另设出口，把蒸汽直接引到系统外部，分别采用第六阀门6与第七阀门7控制。
增加热水产品方法如下：开启第十七阀门17使冷水输入后变为热水向外输出。
具体的工作方式如下：
实施例1
典型的冬季供暖工作模式：第二阀门2、第八阀门8、第十阀门10、第十一阀门11、第十四阀门14开启，第九阀门9根据热负荷情况开启或关闭，其他阀门关闭。空气直接进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平出口的烟气首先在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气直接从烟囱排出。蒸汽进入汽水换热器生产供暖用热水，蒸汽凝结水作为补给水返回余热锅炉，如果需要另外补给水，可打开第十六阀门16从储水器中补水。
实施例2
典型的夏季供冷工作模式：第一阀门1、第四阀门4、第五阀门5、第十一阀门11、第十四阀门14开启，第九阀门9根据冷负荷情况开启或关闭，其他阀门关闭。空气先进入板翘式换热器经冷却后，再进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平出口的烟气首先在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气从烟囱排出。燃气在透平中膨胀功后，在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气直接从烟囱排出。余热锅炉生产的蒸汽进入溴化锂制冷机组制冷，制得冷量首先用来冷却压气机进口的空气，然后供冷用户使用，因为首先用来冷却空气，可供冷用户使用冷量减少，此时开启电空调用微型燃气轮机多发的电功率来制冷，增加系统制冷量。蒸汽凝结水作为补给水再返回余热锅炉，如果需要另外补给水，可打开第十六阀门16从储水器中补水。
实施例3
典型的无冷热负荷工作模式(回注蒸汽发电模式)：第二阀门2、第三阀门3、第六阀门6、第十二阀门12、第十三阀门13、第十五阀门15开启，其他阀门关闭。空气直接进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平出口的烟气首先在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气经冷凝器除水后从烟囱排出。余热锅炉生产的蒸汽回注到燃烧室，与燃料及空气一起燃烧，增加燃气量从而提高透平作功量。由于蒸汽回注到燃烧室，烟气中含有大量水蒸汽，在冷凝器中被冷凝得到冷凝水，然后进入储水器。储水器中的水经处理后为补给水进入冷凝器作为冷却介质冷却烟气，同时得到预热，然后作为补给水进入余热锅炉。
实施例4
典型的供热水模式：第二阀门2、第八阀门8、第十七阀门17、第十一阀门11、第十四阀门14开启，第九阀门9根据热水负荷情况开启或关闭，其他阀门关闭。空气直接进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平出口的烟气首先在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气直接从烟囱排出。蒸汽进入汽水换热器生产热水，热水直接对外输出，蒸汽凝结水作为补给水返回余热锅炉，如果需要另外补给水，可打开第十六阀门16从储水器中补水。
实施例5
典型的供蒸汽模式：第二阀门2、第三阀门3、第七阀门7、第十二阀门12、第十三阀门13、第十五阀门15开启，第九阀门9根据蒸汽负荷情况开启或关闭，其他阀门关闭。空气直接进入压气机压缩，然后在回热器中被烟气加热后进入燃烧室，空气与燃料在燃烧室燃烧后产生的燃气进入透平膨胀作功，透平出口的烟气首先在回热器中对空气进行加热，然后进入余热锅炉生产蒸汽，最后烟气直接从烟囱排出。蒸汽直接对外输出。储水器中的水经化学处理后直接进入余热锅炉作为补给水。
以上只是本发明几个典型的工作模式，也可以采用阀门的复合开启，使系统处于上述典型模式的复合模式，例如供暖的同时可以向外供蒸汽，本领域内技术人员可以随意组合。
Claims (5)
1.集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，其特征在于：本联产系统在由微型燃气轮机、蒸汽余热锅炉、溴化锂制冷机组成的常规冷热电联产系统的基础上，引入了蒸汽回注、进气冷却及冷凝水回收措施，增加热水与蒸汽产品，形成了集成化的联产系统，并通过阀门控制，实现联产系统在不同的场合采用不同的工作模式，可有效缓解冷热电负荷不匹配造成的系统低效运行问题；
在余热锅炉的蒸汽出口上并联增加余热锅炉的蒸汽出口，使蒸汽引入燃烧室，增加透平作功；采用蒸汽回注模式后，余热锅炉的补给水由储水器的水经水处理器的化学处理后供给；
在压气机的空气进口处增加并联的板翘式换热器通路，板翘式换热器串联冷用户，系统余热制得的冷量先对压气机进口空气进行冷却，再向其他冷用户供冷；
在余热锅炉的排烟进入烟囱处增加并联的烟气冷凝器通路，在采用蒸汽回注模式时使用，使烟气中的水蒸气在冷凝器中凝结成水，并收集到储水器中；储水器中处理后的水作为冷凝器的冷却介质，在烟气冷凝器中被预热后作为锅炉补给水；
在增加余热锅炉的蒸汽出口通路上设置并联的蒸汽输出口，使蒸汽可直接引到系统外部向外供蒸汽；
在供暖用的供热系统上并联了供生活用热水的供热系统，使冷水输入后变为热水向系统外输出。
2.根据权利要求1所述的集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，其特征在于，所述冷用户上增加电空调作为补偿，在不能满足冷用户供冷需求时用微型燃气轮机增加的发电量驱动电空调为冷用户供冷，增加系统供冷能力。
3.根据权利要求1所述的集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，其特征在于，所述余热锅炉有4个并联的蒸汽出口，蒸汽进入溴化锂制冷机、或进入汽水换热器、或进入燃烧室、或直接输出到外部；
所述空气进口的空气进入压气机有两个并联的通路，空气直接进入压气机，或先进入板翘式换热器再进入压气机；
所述余热锅炉的烟气进入烟囱处并联了冷凝器通路，烟气直接进入烟囱或先进入冷凝器后再进入烟囱；
所述补给水经过水处理器后进入余热锅炉有两个并联的通路，处理后的补给水直接进入余热锅炉，或先进入冷凝器后再进入余热锅炉。
4.根据权利要求2所述的集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，其特征在于，在所述所有并联通路处分别设有阀门，通过阀门的开启与关闭实现系统在不同场合下的多种工作模式的转换。
5.根据权利要求1所述的集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统，其特征在于，所述集成化的多功能高效微型燃气轮机冷热电联产系统通过阀门的组合开启，其工作模式有：典型的冬季供暖工作模式、典型的夏季供冷工作模式、典型的无冷热负荷工作模式、典型的供热水模式、典型的供蒸汽模式、以及上述典型工作模式的组合模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Duan Liqiang Inventor after: Yang Yongping Inventor after: He Binbin Inventor after: Xu Gang Inventor after: Li Ran Inventor before: Duan Liqiang Inventor before: Yang Yongping Inventor before: He Binbin Inventor before: Xu Gang |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: DUAN LIQIANG YANG YONGPING HE BINBIN XU GANG TO: DUAN LIQIANG YANG YONGPING HE BINBIN XU GANG LI RAN |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120208 Termination date: 20190111 |