CN102748895B - 基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统，其原理及结构为：通过燃气发动机驱动由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器依次连接所构成的热泵系统；由燃气机缸套换热器、燃气余热换热器、涡轮透平机、发动机、冷却器、储液罐以及循环泵等构成余热回收循环发电系统。通过第二和第三截止阀将两个系统连接在一起。第三工作介质从冷凝器、燃气机缸套换热器和燃气余热换热器吸收发动机余热后，进入涡轮透平机做功，驱动发电机发电。由天然气一次能源输入，通过余热回收循环发电系统能够实现脱离电网而独立运行，因此其系统效率和稳定性得到极大的提高，同时降低了系统的运行成本，达到了经济节能的效果。

Description

基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统
技术领域
本发明属于冷热电联产技术领域，具体涉及一种利用余热进行发电的冷热电联产运行系统装置。
背景技术
夏季空调负荷剧增所引发的供电紧张导致电网运行不堪重负，因此以天然气作为能源的燃气热泵系统日益受到广泛的关注。燃气机热泵系统能够回收燃气发动机余热，其一次能源利用率比网电热泵要高，节能效果十分明显。燃气发动机的余热主要应用于辅助供暖，而应用于制冷则较少。与此同时，普通燃气机热泵系统的辅助设备如风机、水泵等，仍需要网电驱动，这对于天然气资源丰富而电力相对匮乏的地区来说，燃气热泵的开发利用将受到很大限制。
基于燃气机热泵和燃气轮机发电机的热电冷三联供系统（CN100337074C），采用微型燃气轮机驱动发电机发电实现系统运行，无需外界供电。其发电机是由微型燃气轮机驱动，需外界供应天然气予以实现。燃气发动机回收的余热属于低品位能源，主要用于生活热水或供暖，如能将该低品位能源与燃气热泵技术等相结合，将低品位余热转化为高品质的电能，实现冷热电三联供系统而无需网电，则是能源领域的一大技术进步。可直接大幅提高系统的一次能源利用率，具有经济、节能、环保的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统。由天然气一种能源输入形式，实现低品位能源向高品位能源转化技术及燃气热泵系统脱离网电而独立供能运行。
本发明的技术方案是这样实现的：基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统包括：燃气发动机、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、燃气机缸套换热器、燃气余热换热器、涡轮透平机、发电机、蓄电装置、冷却器、储液罐、循环泵以及三个截止阀等，其技术方案是：通过燃气发动机驱动由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器依次连接所构成的热泵系统；由燃气机缸套换热器工质侧、燃气余热换热器工质侧、涡轮透平机、冷却器、储液罐、循环泵以及第一截止阀依次连接构成余热回收循环系统。循环泵与冷凝器之间设有第二截止阀；冷凝器出口管路与第一截止阀的出口管路的交汇点，交汇点与冷凝器出口之间，设有第三截止阀。涡轮透平机、发电机以及蓄电装置依次连接。燃气发动机所用的燃料作为第一工作介质；热泵循环系统灌充的制冷工质B作为第二工作介质；余热回收循环系统灌充的制冷工质C作为第三工作介质。
燃气发动机通过驱动压缩机使热泵系统运行，通过第二工作介质实现制冷或制热；第三工作介质吸收燃气机缸套余热和燃气机排（废）气余热使得高温高压第三工作介质推动涡轮透平机运转发电，然后进入冷却器冷凝后进入循环泵，由此使得发电机发电或给予蓄电装置输出的电能用于自身辅助设备需求。
本发明的特点及有益效果是：
（1）第一工作介质不局限于天然气一种能源，还可利用甲烷（沼气）、生物质气等可再生能源；第三工作介质所用制冷剂具有低沸点、大比热等特点。
（2）由天然气一次能源输入，通过余热回收循环发电系统能够实现脱离电网而独立运行，因此其系统效率和稳定性得到极大的提高。
（3）第三工作介质与燃气发动机余热换热后通过涡轮发电系统获得高品位电能，从而实现了低品位能源向高品位能源的转化，扩大了能源的利用范围。
（4）本发明在一次能源利用率和环保等方面都有明显的优势，同时降低了系统的运行成本，达到了经济节能的效果。
附图说明
所示附图为本发明的工作原理及部件连接系统简图。图中所示箭头分别为二种制冷工质的循环路径。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明的结构原理作进一步的说明。但是本实施例是叙述性的，而非限制性的，并不局限于本发明所要保护的范围。
基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统（如图），其原理以及各部件连接结构为：通过燃气发动机1驱动由压缩机2、冷凝器3、电子膨胀阀4、蒸发器5依次连接所构成的热泵系统；由燃气机缸套换热器6工质侧、燃气余热换热器7工质侧、涡轮透平机8、冷却器9、储液罐10、循环泵11以及第一截止阀12-1依次连接构成余热回收循环系统。循环泵与冷凝器之间设有第二截止阀12-2；冷凝器出口管路与第一截止阀的出口管路的交汇点，交汇点与冷凝器出口之间，设有第三截止阀12-3，第二和第三截止阀将两个系统连接在一起。涡轮透平机8、发电机13以及蓄电装置14依次连接，根据用能要求，或者发电或者蓄电（能）。燃气发动机的燃料是天然气、或者是甲烷气体、或者是生物质气体作为第一工作介质；热泵循环系统灌充制冷工质B作为第二工作介质；余热回收循环系统灌充制冷工质C作为第三工作介质。本实施例燃气发动机的燃料是天然气；制冷工质B为R134a；制冷工质C为R245fa。
在热泵循环系统制冷工况下，第一截止阀关闭，第二和第三截止阀开启。制冷工质C通过燃气机缸套换热器和燃气余热换热器吸收燃气机余热，进入涡轮透平机做功，驱动发电机进行发电或者对蓄电装置蓄能。
在热泵系统制热工况下，第一截止阀开启，第二、第三截止阀关闭。制冷工质C依次通过所述燃气机缸套换热器和燃气（废气）余热换热器吸收发动机余热，进入涡轮透平机，驱动发电机发行发电或者对蓄电装置蓄能，制冷工质C温度和压力降低，进入冷却器和储液罐，由循环泵经第一截止阀到燃气机缸套换热器和燃气余热换热器完成发电循环。发出的电力向自身辅助设备及建筑物其它设备供电。由燃气发动机驱动热泵系统压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器以及制冷工质B等完成制热循环。
供冷运行时，热泵机组使低温介质降温实现用户供冷，制冷工质C由循环泵泵入冷凝器换热，此时，第二和第三截止阀开启，第一截止阀关闭。工质从燃气机缸套换热器和燃气余热换热器吸收发动机余热后，进入涡轮透平机做功，驱动发电机发电。然后工质经冷却器和储液罐循环到循环泵。发出的电力向自身辅助设备及建筑物其它设备供电。因为供暖或供冷过程中的制冷工质C均通过涡轮透平机和发电机进行发电，因此，系统能够脱离电网而独立运行。与此同时，作为第三工作介质的制冷工质C将低品位的燃气发动机余热通过涡轮透平机和发电机或蓄电装置转化为高品位的电能。

Claims (4)

1.基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统，包括燃气发动机、压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、燃气机缸套换热器、燃气余热换热器、涡轮透平机、发电机、蓄电装置、冷却器、储液罐、循环泵以及截止阀，其特征在于：通过燃气发动机(1)驱动由压缩机(2)、冷凝器(3)、电子膨胀阀(4)、蒸发器(5)依次连接所构成的热泵系统，由燃气机缸套换热器(6)工质侧、燃气余热换热器(7)工质侧、涡轮透平机(8)、冷却器(9)、储液罐(10)、循环泵(11)以及第一截止阀(12-1)依次连接构成余热回收循环系统，循环泵与冷凝器之间设有第二截止阀(12-2)，冷凝器出口管路与第一截止阀的出口管路设置有交汇点，交汇点与冷凝器出口之间设有第三截止阀(12-3)，涡轮透平机(8)、发电机(13)以及蓄电装置(14)依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统，其特征在于：所述燃气发动机(1)的燃料是天然气、或者是甲烷气体、或者是生物质气体作为第一工作介质；所述热泵系统灌充制冷工质B作为第二工作介质；所述余热回收循环系统灌充制冷工质C作为第三工作介质。
3.根据权利要求2所述的基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统，其特征在于：所述热泵系统制热工况下，所述第一截止阀(12-1)开启，第二和第三截止阀关闭，所述制冷工质C通过所述燃气机缸套换热器(6)和燃气余热换热器(7)吸收燃气机余热，进入所述涡轮透平机(8)驱动发电机(13)进行发电或者对所述蓄电装置(14)蓄能。
4.根据权利要求2所述的基于第三工作介质发电的燃气热泵供能系统，其特征在于：所述热泵系统制冷工况下，所述第二、第三截止阀开启，第一截止阀关闭，所述制冷工质C依次通过所述冷凝器(3)、燃气机缸套换热器(6)和燃气余热换热器(7)吸收发动机余热，进入所述涡轮透平机(8)驱动发电机(13)进行发电或者对所述蓄电装置(14)蓄能。
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