CN101806249A - 一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置 - Google Patents

Abstract

一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，特别是一种含有太阳能热利用的多级能源利用装置。该装置包括燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)、空气-蒸汽换热器(2)、吸收式制冷空调装置(3)、生活用热水装置(4)、空气介质通道(5)、蒸汽循环连接管路(7)、阀门；该综合装置采用了以燃气轮机与太阳能联合的方式，太阳能可以为燃气轮机提供高温高压空气，节省了燃料用量。该综合装置能够针对各种实际天气情况，根据各级的热利用需求提供热源，在满足热发电的同时，可以满足空调、热水的热源使用要求。另外，太阳能集热利用装置可独立使用。该装置的设计充分利用了燃气轮机的高温排气，针对任意一种热利用需求时，都可以实现其单独运行。

Description

一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置

技术领域

本发明涉及一种能源综合利用装置，特别是一种含有太阳能热利用的多级能源利用装置，属于能源利用技术领域。

背景技术

太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为世界能源战略的重要组成部分。太阳能热利用是太阳能利用中最主要的方式，其利用形式具有多样性，按照其介质所达到的温度，分为低、中、高温利用，太阳能热水器太阳能供热取暖、太阳能制冷空调、太阳能海水淡化、太阳能干燥、太阳能发电等。

太阳能热发电是一种替代常规能源的方法，是各国科学家和政府关注的重点之一，按照聚光型式的不同。太阳能热发电主要有塔式、槽式、碟式三种方式，集热效率都可达到60％以上，但发电效率一般在20％左右，大量的光热转换能量没得到应用，因而成本较高，推广难度较大。

为了降低太阳能发电成本并保证稳定的运行，研究人员提出了太阳能联合循环发电(ISCCS)的方式，燃气轮机发电装置中，其排出的高温烟气和太阳能集热装置来共同加热工质，以推动蒸汽轮机进行进一步发电的利用，这样可以简化太阳能利用的装置并保证运行的稳定性。目前在印度、埃及、摩洛哥、墨西哥已经建立四个这种方式的电站。其成本和热损失得到降低，但也存在着利用功能单一、总热利用效率较低的缺点。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述现有相关太阳能热利用装置的缺陷，提供了一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，能够使得太阳能高效率、安全稳定、满足各种热利用方式及各种热利用需求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

该装置包括燃气轮机联合太阳能集热利用装置、空气-蒸汽换热器、吸收式空调装置、生活用热水装置、空气介质通道、空气通道阀门、蒸汽循环连接管路、阀门；燃气轮机联合太阳能集热利用装置出口连接空气-蒸汽换热器的空气进口，空气-蒸汽换热器的蒸汽出口通过蒸汽循环管路第一阀门与吸收式空调装置的蒸汽进口连接，吸收式空调子装置的蒸汽出口通过第三阀门与生活用热水装置的蒸汽进口连接，生活用热水装置的蒸汽出口分两路，其中一路与空气-蒸汽换热器的蒸汽进口连接，另一路接第六阀门；在第一阀门的进口另分一路接第二阀门，第二阀门出口再分三路，一路接第三阀门的进口，二路接第四阀门进口，三路接第五阀门；第四阀门出口接空气-蒸汽换热器的蒸汽进口。

燃气轮机联合太阳能集热利用装置包括空气压缩机，空气回热器，太阳能集热器，燃烧室，燃气透平，发电机，燃料供应管路，空气介质通道；空气压缩机出口与空气回热器被加热空气进口连接，空气回热器被加热空气出口与太阳能集热器的进口连接，太阳能集热器的出口与燃烧室进口连接，燃烧室出口连接到燃气透平的进口，燃气透平的出口分两路，一路经过空气介质第一通道与空气回热器的燃气轮机的尾气进口连接，另一路经过空气介质第二通道与空气-蒸汽换热器的空气进口连接；太阳能集热器出口通过空气介质第三通道与空气介质第二通道的进口连接。

燃气轮机联合太阳能集热利用装置中，压缩空气经太阳能集热器加热后经由燃气透平到空气介质通道，该方式形成燃气透平的驱动热源与空气-蒸汽换热器的换热热源联合装置。

燃气轮机联合太阳能集热利用装置中，压缩空气经太阳能集热器加热后不经燃气透平，经阀门和空气介质通道与空气介质通道连接，该方式不发电，仅为空气-蒸汽换热器的提供换热热源。

空气-蒸汽换热器包括空气-蒸汽换热器和蒸汽循环泵，蒸汽循环泵的输出端连接空气-蒸汽换热器的蒸汽输入端，为吸收式制冷空调装置与生活用热水装置以及旁路装置提供驱动热源。

所述吸收式空调装置包括吸收式制冷机、冷冻水环路、空调用户、冷冻水循环泵、冷却水环路、冷却塔、冷却水循环泵；其中，吸收式制冷机的冷却水环路、冷却塔，冷却水循环泵形成一个回路；吸收式制冷机的冷冻水环路、空调用户、冷冻水循环泵形成一个回路；生活用热水装置包括热水换热器、给水泵、水管路和热水用户；给水泵，水管路、热水换热器中的热水进、出端、热水用户串联连接。

吸收式空调装置中，空气-蒸汽换热器的蒸汽出口经过蒸汽循环连接管路分两路，一路经第一阀门与吸收式制冷机的蒸汽进口连接，另一路经第二阀与吸收式制冷机的蒸汽出口连接，吸收式制冷机的蒸汽出口分两路，一路经第三阀门与热水换热器蒸汽进口连接，另一路经第四阀门和蒸汽循环连接管路与空气-蒸汽换热器的蒸汽进口连接；吸收式制冷机的蒸汽出口分两路，一路经第三阀门与热水换热器的蒸汽进口连接，另一路经第二阀门和第四阀门与热水换热器蒸汽出口连接，热水换热器蒸汽出口与空气-蒸汽换热器的蒸汽进口连接。

蒸汽循环连接管路在吸收式制冷机蒸汽出口留有旁通出管，为旁路装置的进口，蒸汽循环管连接管路在热水换热器蒸汽出口留有旁通进管。

空气回热器，部分燃气轮机尾气经阀门和空气介质通道在空气回热器内与压缩空气换热，利用部分回热，提高太阳能集热器进口空气温度。

有益效果：

1)该装置采用了以燃气轮机和太阳能联合提供能量的方式，可以保证太阳能利用能够安全稳定的运行。同时，可以独立使用太阳能为后续装置提供能量。

2)太阳能与燃气轮机联合运用时，太阳能为燃气轮机提供高温高压气体，得到的燃气轮机尾气与独立使用太阳能时提供的高温气体，其热利用按温度分成了两个等级，都可以满足其不同的热利用需求，提高了装置综合热利用效率，

3)太阳能加热段采用的是单回路方式，简化了装置，降低了成本和热损失。

4)太阳能集热器是加热压缩气体到高温高压，进而提高燃烧室内气体温度，节省了燃料。

5)根据太阳能集热器集热温度，合理调配燃料的用量，可以保证在各种天气下燃气轮机正常的运行，以及满足装置的要求。

6)该装置的设计可以针对各种天气情况，可以满足各级热利用的需求，并使得该蒸气循环管路有最优化的管道通路。

7)该装置的设计可以实现对于两个温度级别的热利用装置，在任意一种温度热利用需求时，该装置都可以实现其运行，并保证热利用效率。同时，还留有旁通口，保证了该装置的扩展性。

附图说明

图1是一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置的结构示意图。

图中有：燃气轮机联合太阳能集热利用装置1、空气-蒸汽换热器2、吸收式空调装置3、生活用热水装置4、空气介质通道5、蒸汽循环连接管路7、阀门8。

图2是燃气轮机联合太阳能集热利用装置的结构示意图。

图中有：空气压缩机1-1，空气回热器1-2，太阳能集热器1-3，燃烧室1-4，燃气，发电机1-6，燃料供应1-7，空气介质通道5，空气通道阀门6。

图3是空气-蒸汽换热器的结构示意图。

图中有：空气-蒸汽换热器2-1和蒸汽循环泵2-2。

图4是两级热利用装置的结构示意图。

图中有：吸收式制冷机3-1、冷冻水管路3-2、空调用户3-3、冷冻水循环泵3-4、冷却水管路3-5、冷却塔3-6、冷却水循环泵3-7、热水换热器4-1、给水泵4-2、水管路4-3、热水用户4-4、蒸汽循环管路7和蒸汽循环管路阀门8。

图5是整体装置详图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，包括燃气轮机联合太阳能集热利用装置1、空气-蒸汽换热器2、吸收式空调装置3、生活用热水装置4、空气介质通道5、蒸汽循环连接管路7、阀门；燃气轮机联合太阳能集热利用装置1可以采用燃气轮机结合塔式太阳集热器的方式，或者燃气轮机结合蝶式太阳集热器的方式。空气-蒸汽换热器2采用间壁式换热器，主要形式有管壳式、套管式、交叉流式、板式和螺旋板式。吸收式制冷空调装置3可以采用溴化锂吸收式制冷空调或氨水吸收式制冷空调。生活用热水装置4可以采用间壁式换热器与热水循环结合的方式。空气介质通道5可采用带承压能力的风管。蒸汽循环连接管路7可采用满足承压要求的不锈钢管。燃气轮机联合太阳能集热利用装置1的高温空气进入空气-蒸汽换热器2的空气进口，与空气-蒸汽换热器2中的蒸汽进行换热，被加热蒸汽可以依次进入吸收式制冷空调装置3和生活用热水装置4进行换热，或者选择其中一个装置进行换热。

如图2所示，燃气轮机联合太阳能集热利用装置1包括空气压缩机1-1，空气回热器1-2，太阳能集热器1-3，燃烧室1-4，燃气透平1-5，发电机1-6，燃料供应管路1-7，空气介质通道；空气回热器1-2可采用间壁式换热器，太阳能集热器1-3可以采用塔式太阳能集热器或碟式太阳能集热器。空气从压缩机进口进入压缩机1-1加压，经空气回热器1-2预热后，进入太阳能集热器1-3，在太阳能集热器1-3中加热成高温高压气体，太阳能集热器1-3出口有两种选择：一种是高温高压气体进入燃烧室1-4，由燃料补充要达到燃气透平1-5进口温度要求的能量，满足要求的高温高压气体进入燃气透平1-5做功，带动发电机1-6发电，同时，产生的尾气一部分经空气回热器1-2预热压缩空气，大部分进入空气-蒸汽换热器2换热。另一种是，不发电情况下，压缩空气从压缩机进口进入压缩机1-1加压，经空气回热器1-2预热后，进入太阳能集热器1-3，在太阳能集热器1-3中加热成高温高压气体，此时高温高压气体不经燃烧室1-4进入燃气透平1-5做功，带动发电机1-6发电，二是直接由一旁通空气介质通道5-3通到燃气透平1-5出口，进入空气-蒸汽换热器2换热。

如图3所示，高温高压的空气与两级热利用装置中的蒸汽在空气-蒸汽换热器2进行逆流换热，产生高温蒸汽或过热蒸汽。

如图4所示，收式制冷机3-1可以采用溴化锂吸收式制冷机或氨水吸收式制冷机；热水换热器4-1可以采用间壁式换热器。热利用可分为三种形式：即逐级使用，任一级的单独使用和外接装置使用。逐级使用即产生的高温蒸汽或过热蒸汽先经吸收式制冷机3-1再经热水换热器4-1，最后的低温蒸汽或者低温水再进入空气-蒸汽换热器2进行逆流换热进入下一循环，这种情况要求要打开第一阀门8-1、第三阀门8-3，闭合第二阀门8-2、第四阀门8-4、第五阀门8-5、第六阀门8-6。单独使用吸收式制冷空调装置，即产生的高温蒸汽或过热蒸汽只经吸收式制冷机3-1，产生的低温蒸汽直接回空气-蒸汽换热器2进行逆流换热进入下一循环，这种情况要求打开阀门第一阀门8-1、第四阀门8-4，闭合第二阀门8-2、第三阀门8-3、第五阀门8-5、第六阀门8-6。单独使用生活用热水装置，即产生的高温蒸汽或过热蒸汽只经热水换热器4-1，产生的低温蒸汽直接回空气-蒸汽换热器2进行逆流换热进入下一循环，这种情况要求打开第二阀门8-2、第三阀门8-3，闭合第一阀门8-1、第四阀门8-4、第五阀门8-5、第六阀门8-6。外接装置使用，即在装置预留的外接口出接其他热利用装置，产生的高温蒸汽或过热蒸汽经外接装置被利用后，产生的低温蒸汽直接回空气-蒸汽换热器2进行逆流换热进入下一循环，这种情况要求这种情况要求打开第五阀门8-5、第六阀门8-6，闭合第一阀门8-1、第二阀门8-2、第三阀门8-3、第四阀门8-4。

如图5，即上述过程的联合。

本发明还可以有其它实施方式，凡依据本发明的技术实质所采用的任何细微修改、等效变换、替代所形成的技术方案，均落在本发明专利要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于该装置包括燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)、空气-蒸汽换热器(2)、吸收式制冷空调装置(3)、生活用热水装置(4)、空气介质通道(5)、蒸汽循环连接管路(7)、阀门；燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)出口连接空气-蒸汽换热器(2)的空气进口，空气-蒸汽换热器(2)的蒸汽出口通过蒸汽循环管路第一阀门(8-1)与吸收式制冷空调装置(3)的蒸汽进口连接，吸收式制冷空调装置(3)的蒸汽出口通过第三阀门(8-3)与生活用热水装置(4)的蒸汽进口连接，生活用热水装置(4)的蒸汽出口分两路，其中一路与空气-蒸汽换热器(2)的蒸汽进口连接，另一路接第六阀门(8-6)；在第一阀门(8-1)的进口另分一路接第二阀门(8-2)，第二阀门(8-2)出口再分三路，一路接第三阀门(8-3)的进口，二路接第四阀门(8-4)进口，三路接第五阀门(8-5)；第四阀门(8-4)出口接空气-蒸汽换热器(2)的蒸汽进口。

2.根据权利要求1所述空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)包括空气压缩机(1-1)，空气回热器(1-2)，太阳能集热器(1-3)，燃烧室(1-4)，燃气透平(1-5)，发电机(1-6)，燃料供应管路(1-7)，空气介质通道；空气压缩机(1-1)出口与空气回热器(1-2)被加热空气进口连接，空气回热器(1-2)被加热空气出口与太阳能集热器(1-3)的进口连接，太阳能集热器(1-3)的出口与燃烧室(1-4)进口连接，燃烧室(1-4)出口连接到燃气透平(1-5)的进口，燃气透平(1-5)的出口分两路，一路经过空气介质第一通道(5-1)与空气回热器(1-2)的燃气轮机的尾气进口连接，另一路经过空气介质第二通道(5-2)与空气-蒸汽换热器(2)的空气进口连接；太阳能集热器(1-3)出口通过空气介质第三通道(5-3)与空气介质第二通道(5-2)的进口连接。

3.根据权利要求1或2所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)中，压缩空气经太阳能集热器(1-3)加热后经由燃气透平(1-5)到空气介质通道(5-2)，形成燃气透平(1-5)的驱动热源与空气-蒸汽换热器(2)的换热热源联合装置。

4.根据权利要求1或2所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于燃气轮机联合太阳能集热利用装置(1)中，压缩空气经太阳能集热器(1-3)加热后不经燃气透平(1-5)，经阀门(6-1)和空气介质通道(5-3)与空气介质通道(5-2)连接，该方式不发电，仅为空气-蒸汽换热器(2)的提供换热热源。

5.根据权利要求1或2所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于空气-蒸汽换热器(2)包括空气-蒸汽换热器(2-1)和蒸汽循环泵(2-2)，蒸汽循环泵(2-2)的输出端连接空气-蒸汽换热器(2-1)的蒸汽输入端，为吸收式制冷空调装置(3)与生活用热水装置(4)以及旁路装置提供驱动热源。

6.根据权利要求1所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于所述吸收式制冷空调装置(3)包括吸收式制冷机(3-1)、冷冻水环路(3-2)、空调用户(3-3)、冷冻水循环泵(3-4)、冷却水环路(3-5)、冷却塔(3-6)、冷却水循环泵(3-7)；其中，吸收式制冷机(3-1)的冷却水环路(3-5)、冷却塔(3-6)，冷却水循环泵(3-7)形成一个回路；吸收式制冷机(3-1)的冷冻水环路(3-2)、空调用户(3-3)、冷冻水循环泵(3-4)形成一个回路；生活用热水装置(4)包括热水换热器(4-1)、给水泵(4-2)、水管路(4-3)和热水用户(4-4)；给水泵(4-2)，水管路(4-3)、热水换热器(4-1)中的热水进出口、热水用户(4-4)串联连接。

7.根据权利要求1、5或6所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于吸收式制冷空调装置(3)中，空气-蒸汽换热器(2-1)的蒸汽出口经过蒸汽循环连接管路(7-1)分两路，一路经第一阀门(8-1)与吸收式制冷机(3-1)的蒸汽进口连接，另一路经第二阀门(8-2)与吸收式制冷机(3-1)的蒸汽出口连接，吸收式制冷机(3-1)的蒸汽出口分两路，一路经第三阀门(8-3)与热水换热器(4-1)蒸汽进口连接，另一路经第四阀门(8-4)和蒸汽循环连接管路(7-2)与空气-蒸汽换热器(2)的蒸汽进口连接；吸收式制冷机(3-1)的蒸汽出口分两路，一路经第三阀门(8-3)与热水换热器(4-1)的蒸汽进口连接，另一路经第二阀门(8-2)和第四阀门(8-4)与热水换热器(4-1)蒸汽出口连接，热水换热器(4-1)蒸汽出口与空气-蒸汽换热器(2-1)的蒸汽进口连接。

8.根据权利要求1所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，

其特征在于蒸汽循环连接管路(7)在吸收式制冷机(3-1)蒸汽出口留有旁通出管(7-3)，为旁路装置的进口，蒸汽循环管连接管路(7)在热水换热器(4-1)蒸汽出口留有旁通进管(7-4)。

9.根据权利要求2所述的空气介质的燃气轮机联合太阳能热利用综合装置，其特征在于在空气回热器(1-2)中，部分燃气轮机尾气经阀门(6-4)和空气介质通道(5-1)在空气回热器(1-2)内与压缩空气换热，利用部分回热，提高太阳能集热器(1-3)进口空气温度。

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