CN103670791B - 基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统，包括燃气内燃机，燃气内燃机的烟气出口分为第一烟气管路和第二烟气管路，第一烟气管路与温差发电装置连接，第一烟气管路内的烟气用于驱动温差发电装置实现热电转换，温差发电装置的烟气出口与烟气冷凝换热器的烟气入口相连；第二烟气管路与烟气型溴化锂吸收式热泵连接，第二烟气管路内的烟气用于驱动烟气型双效溴化锂吸收式热泵实现制冷或供热；烟气型双效溴化锂吸收式热泵连接的烟气出口与烟气冷凝换热器的烟气入口连接；烟气冷凝换热器与外界环境连接。本发明能够将较高温度的烟气余热转换成电能。当冷或热负荷不足时，可以减少烟气余热的浪费。

Description

基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统

技术领域

本发明涉及分布式能源领域，尤其涉及一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统。

背景技术

我国每年要消耗大量化石能源，其中煤炭在一次能源消耗中占的比重达70%左右，这引起了严峻的环境问题和能源压力。因此，发展清洁高效的能源技术十分必要。天然气作为一种相对洁净的化石燃料，已经广为普及，尤其是基于天然气的冷热电联供技术，为化石燃料的高效利用提供了重要的思路。常规的冷热电联供系统，热效率可以达到60～80%，在一定程度上实现节能。但在目前的冷热电联供系统模式中，燃料的利用率普遍未挖掘出其最大潜力。尤其是以天然气为燃料时产生的烟气，最终排放温度往往在100℃左右，而且含有大量低温潜热，回收这部分余热将可以进一步提升冷热电联供系统的能量利用效率。另外，在过度季，当热或冷需求不足时，有必要将余热转换为电能以防止余热浪费。

申请号为CN201210576484.5的中国发明专利申请公开了一种回收烟气余热的直燃型溴化锂吸收式冷热水机，燃料燃烧以驱动直燃型溴化锂吸收式冷热水机，产生的170℃以下的排烟进一步被利用，用于在烟气冷凝换热器中加热冷剂水或者加热稀溶液，以实现烟气余热中显热和潜热的最大化回收利用，从而提高燃料利用效率。此发明仅仅是将烟气冷凝技术应用在直燃型溴化锂吸收式冷热水机内部结构的优化上，未涉及冷热电联供。

申请号为CN200810246985.0的中国发明专利申请公开了一种内燃机余热温差电转换发电系统，其通过在一路烟气管道上布置温差发电装置，实现烟气余热向电能的转换，可以节能燃油5%左右。实际上，根据现有温差发电技术，烟气中85%以上的热量是无法转变为电能的，这部分能量被冷却介质带走并散失到环境中，因此此种回收方式仅仅是对烟气余热的极小部分进行了回收利用。

此外，常规的冷热电联系系统一般通过余热回收实现能量的回收利用。以基于燃气内燃机的小型或微型系统为例，内燃机的余热在冬季可以直接回收用以供热，在夏季则可用以驱动吸收式制冷机，最终排烟温度可以降到100℃左右。然而现有技术主要存在两个方面的缺陷：一是对于过渡季，由于没有足够的冷热负荷，余热往往不能有效利用；二是对于低温烟气的显热以及潜热，不能进一步回收。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种充分实现烟气余热有效能的最大化回收利用的冷热电联供系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统，实现联供系统中烟气和缸套余热的梯级利用和更彻底的回收。

为实现上述目的，在一个方面，本发明提供了一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统，包括燃气内燃机，燃气内燃机的烟气出口分为第一烟气管路和第二烟气管路，第一烟气管路与温差发电装置连接，第一烟气管路内的烟气用于驱动温差发电装置实现热电转换，温差发电装置的烟气出口与烟气冷凝换热器的烟气入口相连；第二烟气管路与烟气型双效溴化锂吸收式热泵连接，第二烟气管路内的烟气用于驱动烟气型双效溴化锂吸收式热泵实现制冷或供热；烟气型双效溴化锂吸收式热泵连接的烟气出口与烟气冷凝换热器的烟气入口连接；烟气冷凝换热器与外界环境连接。

可选地，燃气内燃机以天然气为燃料。

进一步地，燃气内燃机设有缸套水换热器，燃气内燃机用于驱动发电机组发电。

可选地，温差发电装置为管式结构。

进一步地，温差发电装置为套筒类结构，套筒结构的冷热两壁侧经过换热强化。

进一步地，温差发电装置的管内为烟气的通道；温差发电装置的外壁侧用于通过中间水并对中间水进行加热。

进一步地，温差发电装置的热端经强化传热后与烟气直接接触换热；温差发电装置的冷端直接与中间水接触并换热。

进一步地，烟气冷凝换热器是一种烟气-水换热器，烟气流经烟气冷凝换热器被冷却，中间水流经烟气冷凝换热器被加热。

进一步地，系统还包括热水箱，水流经过缸套水换热器后进入到热水箱内，并在水箱中缓冲或用于分配给热用户。

可选地，水流经过缸套水换热器后用作循环水，多次进入缸套水换热器内。

较佳地，热水箱中的部分水用作循环加热水，所述循环加热水向热用户负荷释放热量后直接回送至缸套水换热器内重新吸收热量。

在另一个方面，本发明还提供一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统的运行模式，其中，燃气内燃机产生的烟气通过第一烟气管路依次进入温差发电装置、烟气冷凝换热器被冷却；冷水依次通过烟气冷凝换热器、温差发电装置、缸套水换热器被加热，进入到热水箱内，用于分配给热用户。

在另一个方面，本发明还提供一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统的运行模式，其中，燃气内燃机产生的烟气通过第二烟气管路依次进入烟气型溴化锂吸收式热泵、烟气冷凝换热器被冷却；冷水依次通过烟气冷凝换热器和缸套水换热器被加热，进入到热水箱内，用于分配给热用户。

具体而言，本发明的运行存在以下两种模式。

模式1：冷水W1首先被烟气冷凝换热器D5加热成中间水W2，然后中间水W2吸收温差发电装置4的放热后被加热成中间水W4，最后中间水W4被缸套水换热器D2加热成热水W7，热水W7输出，供给热用户。与此同时，烟气E1全部用作烟气E2，此时的烟气流程为：E1→E2→E4→E6，相应的水流程为：W1→W2→W4→W6→W7→W8，这种模式可用于过度季节。

模式2：冷水W1首先被烟气冷凝换热器D5加热成中间水W3，然后中间水W3被缸套水换热器D2加热成热水W7，热水W7输出，供给热用户。与此同时，烟气E1全部用作烟气E3，此时的烟气流程为：E1→E3→E5→E6，相应的水流程为：W1→W3→W6→W7→W8。模式2中的烟气型双效溴化锂吸收式热泵D3能够制热或者制冷，制冷时W9为冷水回水，产出冷冻水C；制热时W9为热水回水，产出热水C。此模式可用于夏季或冬季。

由此可见，本发明具有如下技术效果：

第一，本发明能够将较高温度的烟气余热转换成电能。当冷或热负荷不足时，可以减少烟气余热的浪费。

第二，本发明的温差发电装置经由中间水冷却，冷却水带走的热量没有被浪费。温差发电装置在热端吸收的热量中，仅很少一部分转换成电能，绝大部分被冷却水带走，可以避免这部分冷却水的浪费。

第三，本发明采用了烟气冷凝换热器与其它装置配合，能够有效实现烟气中低温部分的显热和潜热的回收。烟气冷凝换热器回收的热水温度非常低，出来的热水往往达不到普通热水的温度要求，本发明中，冷水经由三级加热，先吸收烟气中的低温热量，然后吸收温差发电装置中放出的热量，然后被缸套水加热，从而能输出较高温度的热水，满足各种热用户需求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统的原理图。

其中：D1-内燃机，D2-缸套水换热器，D3-烟气型双效溴化锂吸收式热泵，D4-温差发电装置，D5-烟气冷凝换热器，D6-热水箱，H-热水输出，F-燃气输入，P-电能输出，C-冷冻水输出；

E1-内燃机出口烟气，E2-进入到D4的烟气，E3-进入到D3的烟气，E4-从D4出来的烟气，E5-从D3出来的烟气，E6-从D5出来并最终排放的烟气；

W1-补给冷水，W2-从D5出来并供向D4的中间水，W3-从D5出来并供向D2的中间水，W4-从D4出来的中间水，W5-用户端回水，W6-供往D2的中间水，W7-经D2加热后的热水，W8-从热水箱出来并供向用户的热水。

具体实施方式

如图1所示，一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统，包括内燃机D1、缸套水换热器D2、烟气型双效溴化锂吸收式热泵D3，温差发电装置D4，烟气冷凝换热器D5和热水箱D6。

内燃气D1为燃气内燃气，用于直接驱动发电机组发电。燃气内燃机在原有缸套水循环的基础上装有缸套水换热器D2。燃气内燃机的烟气出口分为第一烟气管路和第二烟气管路，所述第一烟气管路与温差发电装置D4连接，所述第一烟气管路内的烟气用于驱动温差发电装置D4实现热电转换，所述温差发电装置D4的烟气出口与烟气冷凝换热器D5的烟气入口相连；所述第二烟气管路与烟气型双效溴化锂吸收式热泵D3连接，所述第二烟气管路内的烟气用于驱动烟气型双效溴化锂吸收式热泵D3实现制冷或供热；所述烟气型溴化锂吸收式热泵D3连接的烟气出口与烟气冷凝换热器D5的烟气入口连接；所述烟气冷凝换热器与外界环境连接。

温差发电装置D4为管式结构或套筒类结构。套筒类结构的温差发电装置D4的冷热两壁侧经过换热强化。温差发电装置D4的管内为烟气的通道；所述温差发电装置D4的外壁侧用于通过中间水并对所述中间水进行加热。

烟气冷凝换热器D5是一种烟气-水换热器，烟气流经所述烟气冷凝换热器D5被冷却，所述中间水流经所述烟气冷凝换热器D5被加热。

本实施例的水路循环中的冷水在相关设备中逐步吸热升温。首先冷水W1先进入烟气冷凝换热器D5，W1吸收热量后成为中间水，此中间水可以分两路走。一路W2直接进入温差发电装置的冷却水入口，对D4进行冷却，然后从D4中出来，进入缸套水换器D2的冷却水入口；另一路W3直接进入缸套水换热器D2的冷却水入口，同时，还可有一回水W5的管路与缸套水换器D2的冷却水入口相连。水流最终在缸套水换热器D2中吸收热量成为热水W7，W7先进入热水箱D6，然后分配给热用户。

具体而言，本实施例的基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统具备以下三种季节性运行方式。

夏季时，控制水路流量，水路循环中的冷水在相关设备中逐步吸热升温。首先20℃冷水W1先进入烟气冷凝换热器D5，W1吸收热量后成为32℃的中间水W3，W3直接进入缸套水换热器D2的冷却水入口，在缸套水换热器D2中吸收热量成为68℃热水W7，W7先进入热水箱D6，然后分配给热用户。与此同时，烟气E1（E3）直接进入烟气型溴化锂吸收式热泵D3，D3为制冷模式，输出冷量C。此时的烟气流程为：E1→E3→E5→E6，相应的水流程为：W1→W3→W6→W7→W8。

冬季时，控制水路流量，水路循环中的冷水在相关设备中逐步吸热升温。首先5℃冷水W1先进入烟气冷凝换热器D5，W1吸收热量后成为27℃的中间水W3，W3直接进入缸套水换热器D2的冷却水入口，在缸套水换热器D2中吸收热量成为81℃热水W7，W7先进入热水箱D6，形成热输出H分配给热用户。与此同时，烟气E1（E3）直接进入烟气型溴化锂吸收式热泵D3，D3为制热模式，产生热量输出C。热量输出H用作一次性热水，热量输出C可用于采暖。此时的烟气流程为：E1→E3→E5→E6，相应的水流程为：W1→W3→W6→W7→W8。

过度季时，控制水路流量，水路循环中的冷水在相关设备中逐步吸热升温。首先12℃冷水W1先进入烟气冷凝换热器D5，W1吸收热量后成为25℃的中间水W3，W3直接进入温差发电装置D4的冷却水入口，在D4中吸收热量成为42℃的中间水W4，W4进入缸套水换热器D2中，进一步吸收热量成为78℃热水W7，W7先进入热水箱D6，形成热输出H分配给热用户。与此同时，烟气E1（E2）直接进入温差发电装置D4，产生电输出P。此时的烟气流程为：E1→E2→E4→E6，相应的水流程为：W1→W2→W4→W6→W7→W8。

由此可见，本实施例的基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统能够将较高温度的烟气余热转换成电能。当冷或热负荷不足时，可以减少烟气余热的浪费。

此外，本实施例的温差发电装置经由中间水冷却，冷却水带走的热量没有被浪费。温差发电装置在热端吸收的热量中，仅很少一部分转换成电能，绝大部分被冷却水带走，本实施例可以避免这部分冷却水的浪费。

本实施例采用了烟气冷凝换热器与其它装置配合，能够有效实现烟气中低温部分的显热和潜热的回收。烟气冷凝换热器回收的热水温度非常低，出来的热水往往达不到普通热水的温度要求，本实施例中，冷水经由三级加热，先吸收烟气中的低温热量，然后吸收温差发电装置中放出的热量，然后被缸套水加热，从而能输出较高温度的热水，满足各种热用户需求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于余热梯级利用和深度回收的冷热电联供系统，其特征在于，包括燃气内燃机，所述燃气内燃机的烟气出口分为第一烟气管路和第二烟气管路，所述第一烟气管路与温差发电装置连接，所述第一烟气管路内的烟气用于驱动所述温差发电装置实现热电转换，所述温差发电装置的烟气出口与烟气冷凝换热器的烟气入口相连；所述第二烟气管路与烟气型双效溴化锂吸收式热泵连接，所述第二烟气管路内的烟气用于驱动所述烟气型双效溴化锂吸收式热泵实现制冷或供热；所述烟气型双效溴化锂吸收式热泵连接的烟气出口与所述烟气冷凝换热器的烟气入口连接；所述烟气冷凝换热器与外界环境连接。

2.如权利要求1所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述燃气内燃机以天然气为燃料。

3.如权利要求1所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述燃气内燃机设有缸套水换热器，所述燃气内燃机直接用于驱动发电机组发电。

4.如权利要求3所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括热水箱，水流经过所述缸套水换热器后进入到所述热水箱内，并在水箱中缓冲或分配给热用户。

5.如权利要求4所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述热水箱中的部分水用作循环加热水，所述循环加热水向热用户负荷释放热量后直接回送至缸套水换热器内重新吸收热量。

6.如权利要求1所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述温差发电装置的热端经强化传热后与烟气直接接触换热；所述温差发电装置的冷端直接与中间水接触并换热。

7.如权利要求1所述的冷热电联供系统，其特征在于，所述烟气冷凝换热器是一种烟气-水换热器，烟气流经所述烟气冷凝换热器被冷却，中间水流经所述烟气冷凝换热器被加热。

8.一种如权利要求4所述的冷热电联供系统的运行模式，其特征在于，所述燃气内燃机产生的烟气通过所述第一烟气管路依次进入所述温差发电装置、所述烟气冷凝换热器被冷却；冷水依次通过所述烟气冷凝换热器、所述温差发电装置、所述缸套水换热器被加热，进入到所述热水箱内，用于分配给热用户。

9.一种如权利要求4所述的冷热电联供系统的运行模式，其特征在于，所述燃气内燃机产生的烟气通过所述第二烟气管路依次进入所述烟气型双效溴化锂吸收式热泵、所述烟气冷凝换热器被冷却；冷水依次通过所述烟气冷凝换热器和所述缸套水换热器被加热，进入到所述热水箱内，用于分配给热用户。