CN103114912B - 结合冷冻法的冷热水电四联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合冷冻法的冷热水电四联产系统，它包括燃气轮机发电机组、热电联产系统、海水制冰系统、制冷制水联产系统。燃气轮机发电机组的排气出口与热电联产系统的余热锅炉的烟气进口连接，热电联产系统的小背压机与海水制冰系统的压缩机同轴连接，海水制冰系统的压缩机出口与热电联产系统的加热器入口连接，海水制冰系统的洗涤室与制冷制水联产系统的融化室连通，制冷制水联产系统的融化室、板式换热器、储水箱之间形成循环水回路，板式换热器另一侧与空调冷冻水回路连接，储水箱设有淡水溢流管。本发明同时产生冷、热、电三种能量和淡水输出，系统能量利用效率很高，同时有利于降低海水淡化的成本，实现了能源和资源的综合利用。

Description

结合冷冻法的冷热水电四联产系统

技术领域

本发明属于海水淡化技术和分布式能源技术范围，特别是涉及一种结合冷冻法的冷热水电四联产系统。

背景技术

能源的合理利用及提高其利用效率不仅关系到资源节约和经济发展，而且影响到生态环境和人类前途，因此世界各国均把建立可靠、安全、稳定、高效的能源供应保障体系作为国民经济可持续发展的战略。分布式能源系统立足于现有的能源-资源配置条件和成熟的技术组合，追求资源利用效率的最大化、最优化、以减少中间环节损耗，降低对环境的污染和破坏。分布式能源系统的主要形式是冷热电联产系统(CCHP),由于对输入燃料的能量进行了梯级利用，冷热电联产系统具有很强的节能优势；使用燃料量的减少以及采用低排放的技术，使系统的污染物排放大为降低，从而减轻了对环境的压力，同时产生多种能量输出，可以有效应对用户的特殊需求。

另一方面，海水淡化是解决淡水资源短缺问题的有效的战略途径，它是世界范围内涉及人类生存和社会发展的长远而重大的问题。目前海水淡化方法主要是蒸馏法、膜法、冷冻法等。利用冷冻法进行海水淡化即海冰淡化，与其他海水淡化方法相比，具有能耗低、成本低、对设备的腐蚀和结垢轻等优点而具有广阔的发展前景。其中丁烷冷冻法最为方便可靠，在目前的大、中型海水淡化工厂中应用较普遍。但丁烷冷冻法中采用低压丁烷蒸汽经电动压缩机加压后再融化冰晶的工艺过程，不仅造成所得淡水因含有少量丁烷而受到污染，而且丁烷蒸汽所具有的热量和冰晶储存的大量冷量直接相互抵消，两者都没有得到最合理的利用，由此造成很大的能量浪费。

若考虑将丁烷冷冻法和冷热电联产系统之间进行相耦合，由冷冻法中冰晶储存的大量冷量替代冷热电联产系统中溴化锂制冷机所提供的制冷量，则利用单项能耗就能同时实现完成制冷和制取淡水的双重功能。另外冷热电联产系统的蒸汽可以考虑作为丁烷冷冻法的驱动力能源，而丁烷冷冻法的高压丁烷蒸汽可以考虑对冷热电联产系统释放出热量。若上述举措得以实施将有利于使新耦合系统的资源利用效率比冷热电联产系统得到进一步优化，同时得到新的产品-淡水，新系统将更为经济节能。因此研究丁烷冷冻法和冷热电联产系统的耦合问题，实现冷热水电四联产的分布式能源系统，具有非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将丁烷冷冻法和冷热电联产系统相耦合、同时获取冷量和淡水、能量利用效率高的结合冷冻法的冷热水电四联产系统。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：

本发明是一种结合冷冻法的冷热水电四联产系统，它包括燃气轮机发电机组、热电联产系统、海水制冰系统、制冷制水联产系统组成；燃气轮机发电机组的排气出口通过管道与热电联产系统的余热锅炉的烟气进口连接；热电联产系统的小背压机与海水制冰系统的压缩机同轴连接，热电联产系统的加热器入口通过管道与海水制冰系统的压缩机出口连接；海水制冰系统的洗涤室与制冷制水联产系统的融冰室连通，海水制冰系统洗涤室的喷嘴进口与制冷制水联产系统循环泵出口的支路管道连接。

所述的热电联产系统包括余热锅炉、背压汽轮机发电机组、小背压机、热负载、凝结水泵、加热器；所述的余热锅炉的蒸汽出口通过管道分别与背压汽轮机发电机组的蒸汽进口和小背压机的蒸汽进口连接；所述的背压汽轮发电机组的排汽出口和小背压机的排汽出口通过管道汇合在一起连接热负载的进口，对热负载直接供热，热负载出口通过管道依次连接凝结水泵和加热器，该管道曲折或盘旋穿过加热器后连接余热锅炉。

所述的海水制冰系统包括预冷器、蒸发室、压缩机、节流阀、洗涤室、调节阀；所述的预冷器的入口连通海水进料管道，其出口通过管道连接蒸发室，来自洗涤室的排污水管道曲折或盘旋地穿过预冷器后排向环境；所述的蒸发室的工质为正丁烷，操作压力为0.9个标准大气压，蒸发室的工质出口通过管道与压缩机的入口连接，蒸发室的冰水混合物出口通过管道与洗涤室连通；所述的压缩机与热电联产系统的小背压机同轴连接，压缩机的出口通过管道与热电联产系统的加热器的入口连接，加热器的出口通过管道与蒸发室连通，在该管道上设置节流阀。所述的洗涤室内腔的上方安装有洗涤水喷嘴，喷嘴的进口与制冷制水联产系统循环泵出口的支路管道连接，在该支路管道上设有调节阀。

所述的制冷制水联产系统包括融冰室、循环回水泵、板式换热器、储水箱、循环泵、空调负载、冷水泵等。所述的融冰室与海水制冰系统的洗涤室连通，融冰室内腔的上方安装有循环水喷嘴，喷嘴的进口通过管道与储水箱出口连接，并在连接管道上设有循环泵，循环泵出口的管路上设有一支路与海水制冰系统洗涤室的喷嘴连接；融冰室的底部与循环水管道连接，循环水管道通过循环回水泵曲折或盘旋地穿过板式换热器后与储水箱连通；所述的板式换热器的出口通过冷媒水管道连接空调负载，回收的冷媒水通过管道由冷水泵输送至板式换热器的进口；所述的储水箱设有启动用水管道和淡水溢流管道。

采用上述方案后，本发明具有以下几个特点：

一、制冷制水形成共生，同时获取冷量和淡水。制冷制水联产系统的融冰室内利用循环水融化冰晶释放出大量冷量并通过换热器为空调系统提供低温冷媒水，而空调系统则通过换热器释放出环境热量并重新提高了循环水的温度。冰晶融化所得的淡水减掉小部分的洗涤用水后，剩余的大部分淡水通过储水箱的淡水溢流管自动输出。本发明的新工艺同时完成了制取淡水和制冷的作用，不仅利用了冰晶储存的大量冷量，而且环境热量也得到了有效地利用，因此本发明具有很好的技术优越性。

二、能量利用效率很高。热电联产系统的小背压机驱动海水制冰系统的压缩机工作，取代了原丁烷冷冻法中的电动压缩机，该技术减少了能量转换中间环节的损耗，具有显著的节能效果；海水制冰系统的高压丁烷蒸汽通过加热器对热电联产系统的凝结水进行加热，将其从蒸发室吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量释放给热电联产系统，也显著地提高了系统的能量利用效率。

综上所述，本发明将丁烷冷冻法海水淡化技术与冷热电联产系统进行很好地耦合，实现了冷热水电四联产的分布式能源系统。本发明同时产生多种能量和淡水输出，可以有效应对沿海缺水城市的特殊需求。本发明能量利用效率很高，不仅具有很强的节能优势，而且也有利于降低海水淡化的成本，特别适合于低成本模块化生产，具有非常广泛的应用前景。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的能量流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种冷热水电四联产分布式能源系统，它包括燃气轮机发电机组1、热电联产系统2、海水制冰系统3、制冷制水联产系统4组成。

所述的热电联产系统2包括余热锅炉21、背压汽轮发电机组22、小背压机23、热负载24、凝结水泵25、加热器26等。所述的余热锅炉21的蒸汽出口通过管道分别与背压汽轮发电机组22的蒸汽进口和小背压机23的蒸汽进口连接，所述的背压汽轮发电机组22的排汽出口和小背压机23的排汽出口通过管道汇合在一起连接热负载24的进口，对热负载24直接供热，热负载24出口通过管道依次连接凝结水泵25和加热器26，该管道曲折或盘旋穿过加热器26后连接余热锅炉21，使得热负载24产生的回收凝结水通过管道凝结水泵25输送并曲折或盘旋地穿过加热器26后返回余热锅炉21。

所述的海水制冰系统3包括预冷器31、蒸发室32、压缩机33、节流阀34、洗涤室35、调节阀36等。所述的预冷器31的入口连通海水进料管道311，其出口通过管道连接蒸发室32，来自洗涤室35的排污水管道352曲折或盘旋地穿过预冷器31后排向环境；所述的蒸发室32的工质为正丁烷，操作压力为0.9个标准大气压，蒸发室32的工质出口通过管道与压缩机33的入口连接，蒸发室32的冰水混合物出口通过管道与洗涤室35连通；所述的压缩机33与热电联产系统2的小背压机23同轴连接，压缩机33的出口通过管道与热电联产系统2的加热器26的入口连接，加热器26的出口通过管道与蒸发室32连通，在该管道上设置节流阀34。所述的洗涤室35内腔的上方安装有洗涤水喷嘴351，喷嘴351的进口与制冷制水联产系统4循环泵45出口的支路管道451连接，在该支路管道上设有调节阀36。

所述的制冷制水联产系统4包括融冰室41、循环回水泵42、板式换热器43、储水箱44、循环泵45、空调负载46、冷水泵47等。所述的融冰室41与海水制冰系统3的洗涤室35连通，融冰室41内腔的上方安装有循环水喷嘴411，喷嘴411的进口通过管道与储水箱44出口连接，并在连接管道上设有循环泵45，循环泵45出口的管路上设有一支路451与海水制冰系统3洗涤室35的喷嘴351连接；融冰室41的底部与循环水管道连接，循环水管道通过循环回水泵42曲折或盘旋地穿过板式换热器43后与储水箱44连通。所述的板式换热器43的出口通过冷媒水管道连接空调负载46，回收的冷媒水通过管道由冷水泵47输送至板式换热器43的进口；所述的储水箱44设有启动用水管道441和淡水溢流管道442。

如图1、图2所示，本发明的工作原理包括四个工作过程：燃气机组的发电过程、供热发电联合生产过程、海水制冰洗冰过程、制冷制水联合生产过程。

1、燃气机组的发电过程：燃气轮机发电机组1利用压缩空气和天然气混合燃烧产生的高温燃气送入燃气轮机中膨胀做功，部分输出功带动发电机工作产生电能；

2、供热发电联合生产过程：燃气轮机发电机组1的排气导入热电联产系统2的余热锅炉21产生水蒸汽，水蒸汽分成两路输出，一路前往背压汽轮机发电机组22做功发电，另一路前往小背压机23做功，其输出功带动海水制冰系统3的压缩机33工作。背压汽轮机发电机组22的排汽和小背压机23的排汽汇合在一起对热负载24进行供热，供热后回收的凝结水由凝结水泵25输送至加热器26，在加热器26内凝结水与来自海水制冰系统3的高压丁烷蒸汽换热后温度提高，作为余热锅炉21的给水；

3、海水制冰洗冰过程：进料海水经过海水制冰系统3的预冷器31被冷却后进入蒸发室32，在蒸发室32内进料海水与冷媒正丁烷直接接触并放热结成冰，含冰的淤浆送入洗涤室35被洗涤水冲洗后得到干净的冰晶，洗涤后的排污水经过预冷器31冷却进料海水后排向外界。蒸发室32内的冷媒正丁烷吸热后变成低压蒸汽，经压缩机33压缩后压力和温度提高，前往热电联产系统2的加热器26内进行冷凝放热，冷凝后的正丁烷液体经节流阀34降压后返回蒸发室32。

4、制冷制水联合生产过程：海水制冰系统3的冰晶进入制冷制水系统4的融冰室41与循环水直接接触换热，冰晶融化成淡水并连同循环水一起由循环回水泵42输送至板式换热器43被加热后流入储水箱44。循环泵45从储水箱44抽水分别送至融冰室41和海水制冰系统3的洗涤室35，作为融冰用水和洗涤用水，并由循环泵45和调节阀36共同控制两股用水的流量。循环泵45启动前，储水箱44由启动用水管441补充外来水以维持一定的水位，循环泵45启动后由于冰晶融化所得的淡水远大于洗涤用水，储水箱44的水位自动上升，当达到高水位后通过淡水溢流管442自动输出淡水。空调系统返回的温度较高的冷媒水回水通过冷水泵47输送至板式换热器43被冷却后重新形成低温冷媒水，低温冷媒水前往空调系统完成制冷循环。

 以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种结合冷冻法的冷热水电四联产系统，其特征在于：它包括燃气轮机发电机组、热电联产系统、海水制冰系统、制冷制水联产系统组成；所述的热电联产系统的小背压机与海水制冰系统的压缩机同轴连接，热电联产系统的加热器入口通过管道与海水制冰系统的压缩机出口连接；所述的海水制冰系统的洗涤室与制冷制水联产系统的融冰室连通，所述的制冷制水联产系统循环泵的出口通过支路管道连接海水制冰系统洗涤室的喷嘴进口；所述的制冷制水联产系统包括融冰室、循环回水泵、板式换热器、储水箱、循环泵、空调负载、冷水泵；所述的融冰室与海水制冰系统的洗涤室连通，融冰室内腔的上方安装有循环水喷嘴，喷嘴的进口通过管道与储水箱出口连接，并在连接管道上设有循环泵，循环泵出口的管路上设有一支路与海水制冰系统洗涤室的喷嘴连接；融冰室的底部与循环水管道连接，循环水管道通过循环回水泵曲折或盘旋地穿过板式换热器后与储水箱连通；所述的板式换热器的出口通过冷媒水管道连接空调负载，回收的冷媒水通过管道由冷水泵输送至板式换热器的进口；所述的储水箱设有启动用水管道和淡水溢流管道。

2.根据权利要求1所述的结合冷冻法的冷热水电四联产系统，其特征在于：所述的热电联产系统包括余热锅炉、背压汽轮机发电机组、小背压机、热负载、凝结水泵、加热器；所述的余热锅炉的蒸汽出口通过管道分别与背压汽轮机发电机组的蒸汽进口和小背压机的蒸汽进口连接；所述的背压汽轮发电机组的排汽出口和小背压机的排汽出口通过管道汇合在一起连接热负载的进口，对热负载直接供热，热负载出口通过管道依次连接凝结水泵和加热器，该管道曲折或盘旋穿过加热器后连接余热锅炉。

3.根据权利要求1所述的结合冷冻法的冷热水电四联产系统，其特征在于：所述的海水制冰系统包括预冷器、蒸发室、压缩机、节流阀、洗涤室、调节阀；所述的预冷器的入口连通海水进料管道，其出口通过管道连接蒸发室，来自洗涤室的排污水管道曲折或盘旋地穿过预冷器后排向环境；所述的蒸发室的工质出口通过管道与压缩机的入口连接，蒸发室的冰水混合物出口通过管道与洗涤室连通；所述的压缩机与热电联产系统的小背压机同轴连接，压缩机的出口通过管道与热电联产系统的加热器的入口连接，加热器的出口通过管道与蒸发室连通，在该管道上设置节流阀；所述的洗涤室内腔的上方安装有洗涤水喷嘴，喷嘴的进口与制冷制水联产系统循环泵出口的支路管道连接，在该支路管道上设有调节阀。

4.根据权利要求3所述的结合冷冻法的冷热水电四联产系统，其特征在于：所述的蒸发室的工质为正丁烷，操作压力为0.9个标准大气压。