CN104395675A - 电热联产站 - Google Patents

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哈拉尔德·内斯·里斯拉
K·索维格
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Viking Heat Engines AS
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Abstract

一种热电联产厂(1)，其中至少一个主热源(11)经由一个或多个主换热器(111)热连接到热能(Q)的热分配网络(15)，以及其中至少一个次热源(12)热连接到一个或多个换能器(13)，换能器被设置为当从至少一个次热源供应一定量的热能(QH)时，产生用于热电联产厂(1)中的内部配电网络(19)的一定量的电能(PEL)。还描述了一种运行热电联产厂(1)的方法。

Description

电热联产站
技术领域
描述了一种热电联产厂(CHP厂)，其中主热源经由主换热器与热能的热分配网络热接触。还描述了一种运行CHP厂的方法。
背景技术
现代的区域供热站在很大程度上使用生物燃料作为能量源，燃烧生物燃料，释放的能量被用于加热水至合适的温度。为遵守监管要求，例如，对于蒸汽锅炉等，这样的区域供热厂通常在温度不高于120℃、工作压力高达2巴的条件下运行。尽管部分地，它们的能源生产量大，但是工厂不能作为独立的单元运行，因为它们必须具有来自外部配电网络的电能，用于运行泵等。
发明内容
本发明的目的是弥补或减少现有技术中的至少一个缺陷或至少为现有技术提供一种有益的替代方案。
该目的通过在下面的说明书及随附的权利要求书中详细说明的特征来实现。
本发明提供了一种热电联产(CHP)厂，除了在相对较低的温度(高达120℃)下产生热量之外，其在电能上是自己自足的，也可以向外部配电网络传送剩余的电能。这通过这样的CHP厂实现，该CHP厂包括主热源，其中燃料的燃烧(典型地通过燃烧生物燃料)使得用于热分配网络(也称为区域热分配网络)中的循环的主热分配流体达到指定的温度，典型地高达120℃；以及其中，除了主热源外，还设置次热源，其中燃料(典型地为与主热源中相同类型的燃料)的燃烧使得次热分配流体被加热到比主热分配流体更高的温度，以便由此提供用于换能器的运行的更高等级的热能，换能器典型地为用于驱动发电机的热力发动机，或将热能转换为电能的热电发电机。电能用于主热源以及可能全部的或部分的热分配网络的运行。此外，剩余能量可经由电气接口装置被传输到电能的外部配电网络，在CHP厂的自产电能不足时，例如在换能器或次热源关闭的情况下，也可使用外部配电网络。
本发明的目的还在于，利用来自换能器的剩余热能，该剩余热能尽可能最大程度上被传输到主热分配流体，主热分配流体被用于将热能从CHP厂传输到连接到关联的热分配网络的消耗装置。这可借助一个或多个换热器实现，通过将所有或部分的主热分配流体循环通过换能器中的换热器，换热器将换能器的剩余热能传输至主热分配流体。
主热源与次热源之比典型地可介于2:1-20:1的范围之间，其中，典型地，目标是换能器提供约5kW的电能。
次热源将典型地传送借助于加热的热油、加压水等分配的在150-300℃范围内的热量，热量继而循环到换能器。在需要较少的热能时期，可以设想，只有次热源保持运转，因为来自换能器的剩余热能为热分配网络提供了足够的能量供应。
在一些情况下，换能器供应的电能在其随后被引导回到内部配电网络之前，也可在外部配电网络上分配。通常这在计量系统记录能量输入与能量输出之比的情况下进行，因此单独的计量仪可被用于监测系统的能量流入和流出。在现有的一些欧洲的小型水力发电站中，这是其如今的工作方式。换言之，所有产生的功率首先在外部网络上供给，这是因为内部网络消耗的功率总是来自于外部网络。在此方面，电器接口装置可被限于仅在换能器和外部配电网络之间形成接口，这是因为内部配电网络随后将总是直接连接到外部配电网络。还有更多在CHP厂配置配电流的方式，本发明不限于一种特定配置。
主热源还可包括并不基于燃烧的热源，例如各种废热热源或地热热源。
连接到次热源的换热流体回路还可设有旁路换热器，无论何时有需要，例如在换能器关闭期间，旁路换热器可直接传输热量到热分配网络。
对于一般的热输送，可使用一些类型的热流体，最明显的几种将是水、空气或多种工业热传输流体，例如各种热油或硅油。
在简单实施例中，热分配网络可包括进气口、风扇、多个管和换热器以及还有热空气出口，其中热空气可用于加热，或例如干燥不同材料，例如生物燃料。在这种情况下，热分配网络将是开放系统，即作为热流体的空气将始终与大气交换，这与封闭系统相反，封闭系统例如常使用以水作为热流体的闭合回路的大多数本地/区域供热厂。
在第一方案中，本发明更具体地涉及一种热电联产厂，其中至少主热源经由一个或多个主换热器而热连接到热能的热分配网络，其特征为，至少一个次热源被热连接到一个或多个换能器，换能器被设置为当至少一个次热源供应一定量的热能时，产生用于CHP厂中的内部配电网络的一定量的电能。
内部配电网络和外部配电网络可经由电气接口装置电气互连，该电气接口装置被设置为将所述换能器产生的电能的量中的至少部分传输到外部配电网络。
电气接口装置可被设置为，将至少与所述换能器中可产生的一定量的电能所对应的一定量的电能从外部配电网络传输到内部配电网络。
热分配网络可包括至少一个第三换热器，该第三换热器热连接到所述换能器中的一个或多个，并设置为用于传输来自所述换能器的一定量的剩余热能。
所述第三换热器可设置于所述主换热器的上游。
空气预热器可热连接到所述换能器中的一个或多个，并可被设置为接收来自所述换能器的剩余热能的量的一部分。
主热源的额定热功率容量与次热源的额定热功率容量之比在2:1-20:1的范围内。
在第二方案中，本发明更具体地涉及一种运行热电联产(CHP)厂的方法，其特征为，该方法包括以下步骤：
a)为连接到热分配网络的一个或多个热能消耗装置提供一定量的热能，
a1)以便，通过至少一个主热源与热分配网络之间的热接触并经由一个或多个主换热器，将来自所述主热源的热能传输到热分配网络中的热流体；
b)借助一个或多个换能器，使从至少一个次热源供应到所述换能器的一定量的热能转换成电能；
c)将电能从所述换能器传输到内部配电网络；
d)当存在剩余电能时，产生的电能的一部分经由电气接口装置传输到外部配电网络；以及
e)当电能不足时，电能从外部配电网络经由电气接口装置传输到所述内部配电网络。
该方法还包括步骤：
a2)通过至少一个次热源与所述热分配网络之间的热接触，通过所述换能器将从所述次热源供应的一定量的热能转换为电能，经由至少一个第三换热器供应剩余热能形式的一定量的热能。
该方法还包括步骤：
f)经由所述主热源的上游的所述第三换热器供应一定量的热能。
该方法还包括步骤：
g)借助空气预热器将热能供应到所述主热源的空气供应部，热能至少部分地为来自所述换能器的剩余热能。
附图说明
在下文中，描述了在附图中呈现的一个优选实施例的实例，在附图中：
图1示出了根据现有技术的区域供热厂的原理图；
图2示出了根据本发明的热电联产厂的第一实施例的原理图；
图3示出了根据本发明的热电联产厂的第二实施例的原理图；以及
图4示出了根据本发明的热电联产厂的第三实施例的原理图。
具体实施方式
具体参照作为本发明示意性实施例描述的图2、图3和图4。如在图1中出现的现有技术，其显示了一些与本发明共有的主要特征，且相似的元件用相似的附图标记表示。
附图标记1表示根据本发明的热电联产(CHP)厂。主热源11连接到热分配网络15，热分配网络15设置为将热能Q传送到热消耗装置16。主热源11可为本身正常尺寸的锅炉，额定输出为0.1-1MW。主热源11可通过在空气供应部181的条件下燃烧合适的供应燃料18(例如生物燃料)而被加热，产生可用于主换热器111的一定量的热能QL1，主换热器111构成由热分配网络15形成的循环回路的部分。经由主换热器111，主热源11加热合适的第一热分配流体，例如水或热油，第一热分配流体在热分配网络15中循环，且在不超过约2巴的压力下出口温度被限于约120℃。
次热源12可为较小的锅炉，其额定输出约为50kW。次热源12可通过在空气供应部181的条件下燃烧合适的燃料18’(例如与主热源11所使用的相同类型的燃料)而被加热，产生可用于第一次换热器121的一定量的热能QL2。次热源12加热合适的第二热分配流体，例如过压之下的水或热油，第二热分配流体在换热器流体回路122中循环到显著高于120℃的出口温度，典型地为150-300℃。一定量的热能QH被传输到换能器13中的第二次换热器131，换能器13典型地形成热力发动机或热电发电机，换能器13借助供应的热能QH产生典型地约5kW的额定功率输出的电能PEL。传送到内部配电网络19的电能PEL用于电力部件(图中未示)的运行，这些电力部件连接到CHP厂1中的主热源11及可能的其他电消耗装置。
电气接口装置14(例如变频器)连接到CHP厂1中的内部配电网络19，并以来自换能器13的剩余的电能PEL可被供应到配电网络17的方式连接到外部配电网络17，而来自换能器13的电能PEL的不足可由来自配电网络17的供应所弥补，例如在次热源12或换能器13关闭的情况下将需要供应外部电能源。
热分配网络15形成第一热分配流体循环以及一定量的热能Q传输到一个或多个热能消耗装置16(在这里以一个热能消耗装置16示意性地示出)的闭合回路。在图3和图4所示的实施例中，热分配网络15还连接到第三换热器151，第三换热器151被设置于换能器13中，并设置为传输来自换能器13的剩余热能QL，从而预热在热分配网络15中循环的冷的第一热分配流体的回流。剩余热能QL有利地在主换热器111的上游供应到主热源11，以实现换能器13的尽可能最低的散热温度，从而提高效率。
特别地，预热空气供应部181以便提高主热源11的效率可以是有利的。为此，可使用空气预热器182，在根据图4所示的实施例中，空气预热器182得到从热分配网络15供应的热量，热分配网络的第三换热器151的下游位于经过空气预热器182的环路中。在一未示出的实施例中，空气预热器182可连接到单独的热分配回路(未示出)，该单独的热分配回路例如经由第三换热器151或另一个与换能器13连接设置的换热器(图中未示)而与换能器13热接触，用于传输一部分剩余热能QL。
当对热能几乎没有需要时，例如在夏天，根据图3和图4所示的实施例，换能器13供应的剩余热能QL可足以弥补对热能Q的需求。在这种情况下，主热源11的运行可停止。当主热源11的运行被停止时，则电能PEL的需要将会减少，可用的剩余热能QL可增加。
主热源11与次热源12之比典型地为2:1-20:1，即主热源11可设有用于该类型厂的常规尺寸的燃烧器，即典型地在100到1000kW之间，而次热源则设有相对小的燃烧器，典型地约为50kW。
根据本发明的CHP厂1可被用于多种目的，其中通过燃料的燃烧产生的热能将被分配。典型的应用领域是垃圾焚烧、生物燃料、常规区域供热厂、木材干燥器(木屑、刨花和锯材干燥器)等等的工厂。

Claims (11)

1.一种热电联产厂(1)，其中至少一个主热源(11)经由一个或多个主换热器(111)热连接到热能(Q)的热分配网络(15)，其特征在于，至少一个次热源(12)热连接到一个或多个换能器(13)，所述换能器被设置为，在从所述至少一个次热源(12)供应一定量的热能(QH)时，产生用于所述热电联产厂(1)中的内部配电网络(19)的一定量的电能(PEL)。
2.根据权利要求1所述的热电联产厂(1)，其中，所述内部配电网络(19)和一外部配电网络(17)经由电气接口装置(14)电气互连，所述电气接口装置被设置为将所述换能器(13)产生的电能(PEL)的量中的至少部分传输到所述外部配电网络(17)。
3.根据权利要求2所述的热电联产厂(1)，其中，所述电气接口装置(14)被设置为将至少与对应于能在所述换能器(13)中产生的电能(PEL)的量的一定量的电能从所述外部配电网络(17)传输到所述内部配电网络(19)。
4.根据权利要求1所述的热电联产厂(1)，其中，所述热分配网络(15)包括至少一个第三换热器(151)，所述第三换热器热连接到所述换能器(13)或所述换能器之一，并设置为传输来自所述换能器(13)的一定量的剩余热能(QL)。
5.根据权利要求4所述的热电联产厂(1)，其中，所述第三换热器(151)设置于所述主换热器(111)的上游。
6.根据权利要求1所述的热电联产厂(1)，其中，空气预热器(182)热连接到所述换能器(13)中的一个或多个，并被设置为接收来自所述换能器(13)的一定量的剩余热能(QL)的一部分。
7.根据权利要求1所述的热电联产厂(1)，其中，所述主热源(11)的额定热功率容量(QL1)与所述次热源(12)的额定热功率容量(QL2)之比在2:1-20:1的范围内。
8.一种运行热电联产厂(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)为连接到热分配网络(15)的一个或多个热能消耗装置(16)提供一定量的热能(Q)，
a1)以便，通过至少一个主热源(11)与所述热分配网络(15)之间的热接触并经由一个或多个主换热器(111)，将来自所述主热源(11)的热能传输到所述热分配网络(15)中的热流体(152)；
b)借助一个或多个换能器(13)，使从至少一个次热源(12)供应到所述换能器(13)的一定量的热能(QH)转换成电能(PEL)；
c)将电能(PEL)从所述换能器(13)传输到内部配电网络(19)；
d)当存在剩余电能时，产生的电能(PEL)的一部分经由电气接口装置(14)传输到外部配电网络(17)；以及
e)当电能不足时，电能从所述外部配电网络(17)经由所述电气接口装置(14)传输到所述内部配电网络(19)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：
a2)通过所述至少一个次热源(12)与所述热分配网络(15)之间的热接触，通过所述换能器(13)将从所述次热源(12)供应的一定量的热能(QH)转换为电能(PEL)，经由至少一个第三换热器(151)供应剩余热能(QL)形式的一定量的热能。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：
f)经由所述主热源的上游的所述第三换热器(151)供应一定量的热能。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括步骤：
g)借助空气预热器(182)将热能供应到所述主热源(11)的空气供应部(181)，所述热能至少部分地为来自所述换能器(13)的剩余热能(QL)。
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