CN103452670A - 基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统 - Google Patents

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Abstract

基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，太阳能沼气生产环节子系统（A）的太阳能集热器（1）通过管道与储热水箱（2）相连通，储热水箱（2）与恒温沼气池（3）中的加热器相连，之间的管路上安装有第一阀（V1）、第一泵（P1）；微燃机沼气发电子系统（B）的压气机（5）通过回热器（8）与燃烧室（6）的下端相连，储气罐（4）通过第三阀（V3）与燃烧室（6）的下端相连；废气余热利用环节子系统（C）的蒸发换热器（9）通过与微燃机中的回热器（8）的出口相连进行换热，蒸发换热器（9）顶端的出口通过第四阀（V4）与蒸汽轮机及同轴发电机组（10）相连。

Description

基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统
技术领域
本发明涉及太阳热能、生物质能等可再生能源利用技术。
背景技术
分布式能源系统（DES，Distributed Energy Sources）是一种建立在“温度对口，能量梯级利用”概念上，将制冷、供热及发电过程一体化的多联产总能系统，它将供能系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立为用户提供能量也可与大电网相连协同工作，具有可靠性好、能量利用率高、对环境影响小的特点。因此，相比于其他供能系统，分布式能源系统更适合于可再生能源的开发利用，具有更高的经济效益和社会效益。常规的分布式能源系统一般包括动力装置发电和余热高效利用两个环节。
目前，市场上的分布式能源系统通常会采用锅炉汽轮机、燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机和燃料电池等动力装置作为动力源，而这些系统在可用燃料、功率范围、发电效率等方面均存在着明显的差异。通过对比可以看出，微型燃气轮机（Microturbine）凭借其自身具备的低燃料消耗率、燃料适用范围广、容量小、低排放、初投资少等特点，相比于其他动力装置更适用于分布式能源系统。如果再引入有机朗肯循环(ORC，Organic Rankine Cycle)作为微型燃气轮机的余热利用环节，便可以实现系统效率的显著提升了。
经文献检索发现，中国发明专利名称为：基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，申请号为：200910115491.3，该专利公开了一种基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统。系统包括了多个换热器单元及能量转换装置以及相应的管路和阀门。该专利提出的废热回收系统比现有的废热回收系统的能量回收效率更高，而且整个系统的运行更为平稳，结构布置更为紧凑。
中国发明专利名称为：基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，申请号为：201210265249.6，该专利公开了一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，包括了废气锅炉、有机工质膨胀机、减速器、交流发电机、回热器、冷凝器、有机工质增压泵和安装在废气锅炉里的蒸发器。该专利将有机朗肯循环作为了船用柴油发电机组的余热利用环节，从而实现了船用柴油发电机组废气余热的高效回收，提高了系统的发电效率。
中国发明专利名称为：一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统，申请号为：201210115541.X，该专利公开了一种基于有机朗肯循环的锅炉烟气余热利用系统。系统由烟气流量、有机工质流量以及空气流量三个控制子系统组成。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统。
本发明是基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，由太阳能沼气生产子系统A、微燃机沼气发电子系统B和废气余热利用子系统C组成，三个子系统通过管道连接，组成联合循环系统，其特征在于太阳能沼气生产环节子系统A由太阳能集热器1、储热水箱2、恒温沼气池3、储气罐4组成，太阳能集热器1通过管道与储热水箱2相连通，储热水箱2与恒温沼气池3中的加热器相连，之间的管路上安装有第一阀V1、第一泵P1，加热器出口则通过第二阀V5或回热器13进入第二泵P3，与太阳能集热器1相连；恒温沼气池3的顶端与储气罐4相连，之间管路上装有第二阀V2，恒温沼气池3的底端与微藻培养池14相连通；微燃机沼气发电子系统B包括微型燃气轮机及同轴的发电机组，微型燃气轮机由压气机5、燃烧室6、燃气透平及其发电机组7及回热器8组成，其中压气机5通过回热器8与燃烧室6的下端相连，储气罐4通过第三阀V3与燃烧室6的下端相连，燃烧室6的顶端与燃气透平及其发电机组7相连，燃气透平7的出口与回热器8相连；废气余热利用环节子系统C包括蒸发换热器9、蒸汽轮机及同轴发电机组10、冷凝器11、储液罐12以及溶液泵-第三泵P2，蒸发换热器9通过与微燃机中的回热器8的出口相连进行换热，蒸发换热器9顶端的出口通过第四阀V4与蒸汽轮机及同轴发电机组10相连，蒸汽轮机10与冷凝器11相连，冷凝器11与储液罐12相连，储液罐12则与蒸发换热器9的顶端入口相连，之间管路上安装有第三泵P2。
本发明首先利用太阳能恒温沼气生产技术制备沼气，再通过微型燃气轮机进行发电，但是，大部分微型燃气轮机的单机效率通常只能达到27%左右，这相比于常规的火电超临界（45%-46%）和超超临界机组的发电效率（47%-48%）要低很多。因此，本发明结合联合循环的思想，可是微燃机排气温度和水的热力性质决定了其与蒸汽轮机组成的燃气-蒸汽联合循环的效率不会很高，而从工质入手进行思考，引入有机朗肯循环作为微型燃气轮机的余热利用环节，如此便可以实现系统的联合发电，从而提升系统的发电效率。另外，在系统的工作过程中势必会出现沼液的后续处理和烟气中CO2含量过高的问题，为了解决这些废气废液的深化处理，可以在系统的烟气处理过程引进微藻（Microalgae）的培养技术，利用微藻可以固定CO2，消耗氮、磷等无机盐的特点，来实现系统的“节能减排，低碳环保”。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图，图2为水T－S图，图3为有机工质的T－S图。
具体实施方式
如图1所示，本发明是基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，由太阳能沼气生产子系统A、微燃机沼气发电子系统B和废气余热利用子系统C组成，三个子系统通过管道连接，组成联合循环系统，太阳能沼气生产环节子系统A由太阳能集热器1、储热水箱2、恒温沼气池3、储气罐4组成，太阳能集热器1通过管道与储热水箱2相连通，储热水箱2与恒温沼气池3中的加热器相连，之间的管路上安装有第一阀V1、第一泵P1，加热器出口则通过第二阀V5或回热器13进入第二泵P3，与太阳能集热器1相连；恒温沼气池3的顶端与储气罐4相连，之间管路上装有第二阀V2，恒温沼气池3的底端与微藻培养池14相连通；微燃机沼气发电子系统B包括微型燃气轮机及同轴的发电机组，微型燃气轮机由压气机5、燃烧室6、燃气透平及其发电机组7及回热器8组成，其中压气机5通过回热器8与燃烧室6的下端相连，储气罐4通过第三阀V3与燃烧室6的下端相连，燃烧室6的顶端与燃气透平及其发电机组7相连，燃气透平7的出口与回热器8相连；废气余热利用环节子系统C包括蒸发换热器9、蒸汽轮机及同轴发电机组10、冷凝器11、储液罐12以及溶液泵-第三泵P2，蒸发换热器9通过与微燃机中的回热器8的出口相连进行换热，蒸发换热器9顶端的出口通过第四阀V4与蒸汽轮机及同轴发电机组10相连，蒸汽轮机10与冷凝器11相连，冷凝器11与储液罐12相连，储液罐12则与蒸发换热器9的顶端入口相连，之间管路上安装有第三泵P2。
如图1所示，太阳能集热器1为太阳灶，或者全玻璃真空管集热器，或者热管式集热器，或者槽式集热器，或者碟式集热器，或者平板式太阳能集热器。
太阳能集热器1与蒸发换热器9中的热媒采用的流动介质为导热油或水。
废气余热利用子系统C采用R145a、R123、R245fa有机工质作为有机朗肯循环工质。
微藻培养池14为开放式光生物反应器，或者封闭式光生物反应器。
如图1所示，本发明的工作过程为：太阳能沼气生产子系统A利用太阳能集热器1获得太阳热能来加热恒温沼气池3制备沼气，再将生产的沼气储存在储气罐4中。微燃机沼气发电子系统B将制备的沼气通入燃烧室6与空气混合燃烧，带动透平7转动，并通过同轴的发电机组对外提供电负荷。微型燃气轮机在发电的同时会产生高温废气，废气余热利用子系统C利用这些废气的余热驱动有机朗肯循环实现联合发电。此外，系统在工作过程中势必会出现沼液的后续处理和烟气中CO2含量过高的问题，而为了解决废气废液的深化处理。
本发明引进了微藻培养池11，利用微藻可以固定CO2，消耗氮、磷等无机盐的特点。
如图2、图3所示，本发明采用有机朗肯循环作为微型燃气轮机废气余热利用环节，可以看出在中低温情况下，有机朗肯循环的效率明显比水作为工质的朗肯循环效率高得多，在回收中低品位热能时效率更高。其主要原因是有机朗肯循环在显热回收方面有较高的效率，这是因为有机朗肯循环的显热/潜热较大，因此采用有机朗肯循环可回收较多的热量。此外，相比于水，有机工质大部分都是等熵流体或干流体，其做功膨胀过程更趋向过热蒸汽区域，即工质越膨胀越干燥，所以有机工质无需过热，这样也不会对透平的叶片带来冲击或腐蚀的危害。

Claims (5)

1.基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，由太阳能沼气生产子系统（A）、微燃机沼气发电子系统（B）和废气余热利用子系统（C）组成，三个子系统通过管道连接，组成联合循环系统，其特征在于太阳能沼气生产环节子系统（A）由太阳能集热器（1）、储热水箱（2）、恒温沼气池（3）、储气罐（4）组成，太阳能集热器（1）通过管道与储热水箱（2）相连通，储热水箱（2）与恒温沼气池（3）中的加热器相连，之间的管路上安装有第一阀（V1）、第一泵（P1），加热器出口则通过第二阀（V5）或回热器（13）进入第二泵（P3），与太阳能集热器（1）相连；恒温沼气池（3）的顶端与储气罐（4）相连，之间管路上装有第二阀（V2），恒温沼气池（3）的底端与微藻培养池（14）相连通；微燃机沼气发电子系统（B）包括微型燃气轮机及同轴的发电机组，微型燃气轮机由压气机（5）、燃烧室（6）、燃气透平及其发电机组（7）及回热器（8）组成，其中压气机（5）通过回热器（8）与燃烧室（6）的下端相连，储气罐（4）通过第三阀（V3）与燃烧室（6）的下端相连，燃烧室（6）的顶端与燃气透平及其发电机组（7）相连，燃气透平（7）的出口与回热器（8）相连；废气余热利用环节子系统（C）包括蒸发换热器（9）、蒸汽轮机及同轴发电机组（10）、冷凝器（11）、储液罐（12）以及溶液泵-第三泵（P2），蒸发换热器（9）通过与微燃机中的回热器（8）的出口相连进行换热，蒸发换热器（9）顶端的出口通过第四阀（V4）与蒸汽轮机及同轴发电机组（10）相连，蒸汽轮机（10）与冷凝器（11）相连，冷凝器（11）与储液罐（12）相连，储液罐（12）则与蒸发换热器（9）的顶端入口相连，之间管路上安装有第三泵（P2）。
2.根据权利要求1所述的基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于太阳能集热器（1）为太阳灶，或者全玻璃真空管集热器，或者热管式集热器，或者槽式集热器，或者碟式集热器，或者平板式太阳能集热器。
3.根据权利要求1所述的基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于太阳能集热器（1）与蒸发换热器（9）中的热媒采用的流动介质为导热油或水。
4.根据权利要求1所述的基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于废气余热利用子系统（C）采用R145a、R123、R245fa有机工质作为有机朗肯循环工质。
5.根据权利要求1所述的基于可再生能源的微型燃气轮机联合循环系统，其特征在于：所述的微藻培养池（14）为开放式光生物反应器，或者封闭式光生物反应器。
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