CN105841396B - 一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源利用相关技术领域，并公开了一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统，该系统包括燃气轮机、发电机组、溴化钾吸收式热泵机组、磁悬浮热泵机组、高温烟气换热器和烟气冷凝换热器等，其中燃气轮机的烟气出口分为两条，第一条管路与烟气型溴化锂吸收式热泵连接并驱动其实现制冷制热；第二条管路与高温烟气换热器连接，用于加热经过烟气冷凝换热器预热后的自来水至所需温度，高温烟气换热器的出口与烟气冷凝换热器的烟气入口相连；此外燃气轮机发电的一部分供给用户，另一部分用于驱动磁悬浮热泵机组制冷制热。通过本发明，能够在执行灵活复合供能的同时实现余热深度回收，并具备结构紧凑、便于操控，适应性强等特点。

Description

一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统

技术领域

本发明属于能源利用相关技术领域，更具体地，涉及一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统。

背景技术

冷热电三联供系统是指以天然气为主要燃料带动燃气发电设备运行，所产生的电力除了供应用户的电力需求之外，系统发电后排出的余热可通过余热回收利用设备向用户提供供热和供冷功能。通过这种方式，可明显提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用；此外还能够提供并网电力作能源互补，整个系统的经济收益及效率均相应增加。

现有技术中已经提出了一些冷热电三联供方案。例如，CN20142064744.2中公开了一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其能够充分利用太阳能、风能和地热能，并按照需求端变化实现两种耦合模式，但该技术受制于太阳能和风能的条件，因此受到较大的局限。此外，CN201210142139.0公开了一种天然气基分布式能源系统与地源热泵耦合的复合系统，该系统可充分利用低温烟气并将其用作吸收式除湿，但该系统需要配置冰蓄冷装置和并网装置，并可能面临电力上网困难的问题。相应地，本领域亟需作出进一步的研究和改进，以便更好地发挥冷热电三联供自身的供能优势，并对余热实现更深层次的回收利用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统，其中通过对整体系统的体系构造重新进行设计，特别是对多个关键组件如溴化锂吸收式热泵机组、磁悬浮热泵机组与高温烟气换热器、烟气冷凝换热器之间的相互连接及设置方式作出改进，相应与现有技术相比，能够在高效执行对建筑物的供暖/供冷/供电功能的同时实现余热深度回收，并具备结构紧凑、便于操控，适应性强等特点，因而尤其适用于夏热冬冷地区且具备供暖供冷需求的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，该冷热电三联供复合供能系统包括燃气轮机、发电机组、溴化钾吸收式热泵机组、磁悬浮热泵机组、高温烟气换热器和烟气冷凝换热器，其中：

所述燃气轮机利用来自城市天然气官网的天然气直接驱动发电机组，所获得的电能除了一部分提供用户作为基本用电负荷之外，其余部分用于所述磁悬浮热泵机组来执行制冷/制热功能，由此为用户提供冷水/热水；此外，该燃气轮机的烟气出口用于输出第一高温烟气，并被分为第一烟气管路和第二烟气管路继续输送，其中该第一烟气管路可控地连接至所述溴化钾吸收式热泵机组，并用于提供第二高温烟气来驱动此溴化钾吸收式热泵机组，由此执行制冷/制热功能且为用户提供冷水/热水；该第二烟气管路可控地连接至所述高温烟气换热器，并用于提供第三高温烟气对流经该高温烟气换热器的自来水执行加热；所述高温烟气换热器的烟气出口继续与所述烟气冷凝换热器的烟气入口保持相连，由此为该烟气冷凝换热器提供第一低温烟气；

所述溴化钾吸收式热泵机组的烟气出口分为第三烟气管路和第四烟气管路，其中该第三烟气管路可控地连接至所述烟气冷凝换热器的烟气入口，由此为该烟气冷凝换热器提供第二低温烟气；该第四烟气管路可控地连接至第一换热器并为其提供第三低温烟气，由此通过该第一换热器来提高所述磁悬浮热泵机组的地源侧进水温度；此外，所述第一换热器继续串联至第二换热器和第三换热器，并通过该第二换热器和第三换热器来共同提高所述磁悬浮热泵机组的地源侧出水温度；

所述烟气冷凝换热器用于输入自来水，并借助于来自所述第三烟气管路和所述高温烟气换热器的低温烟气共同执行首次加热，然后继续将温水输送至所述高温烟气换热器并借助于来自所述第二烟气管路的高温烟气执行二次加热，最后将热水提供给用户。

作为进一步优选地，所述溴化钾吸收式热泵机组的烟气出口所输出的低温烟气的温度被设定为170摄氏度左右。

作为进一步优选地，所述烟气冷凝换热器的余热烟气被排放至外界，并且其排烟温度被设定为80摄氏度左右。

作为进一步优选地，上述系统按照以电定热的原理来运行。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备下列优点：

1、本发明通过对整个供热系统的体系构造重新进行设计，燃气轮机的发电一部分可提供用户基本用电负荷，另一部分用于驱动磁悬浮热泵机组制热制冷，这样不仅减轻了电网负担，而且还能够在多个环节优先利用余热来供能，在不足时可由溴化钾吸收式热泵机组进行补充；相应地，可以显著增加了整个系统的热电比调节范围，提高了系统的使用灵活性，有助于充分利用谷价电来制冷制热，同时能够实现对整体系统余热的深度回收；

2、本发明中通过采用磁悬浮热泵机组来替代常规的水源热泵机组，并利用冷热电三联供系统的余热来弥补磁悬浮热泵机组在温度上的应用限制，相应不仅可以适当提高磁悬浮热泵机组的热水出水温度，获得更高的制热能效，而且制热不足部分能够方便地由烟气余热或与此联接的蓄热水箱进行补充；

3、本发明中通过对溴化钾吸收型热泵机组的设计，能够充分回收其所排出的低温烟气的热能；在具体应用时，夏季能时利用烟气冷凝换热器和高温烟气制取生活热水；冬季时能利用烟气余热适当提高磁悬浮热泵的出水水温以及地源侧进出水水温，从而提高磁悬浮热泵机组的制热能效，并回灌热量于土壤中，对排热量大于吸热量的地区可平衡土壤温度。同时，在磁悬浮热泵未开启的情况下，也能充分回收烟气余热。

4、按照本发明的复合功能系统与常规的冷热电三联供系统相比，不仅能够有效克服后者在以热定电时电输出过多而上网或储存困难的问题，而且还可以避免以电定热时热量输出往往不足的缺陷，同时整个系统结构紧凑、便于操控，使用灵活且适用性强，因而尤其适用于夏热冬冷地区同时具备供暖供冷需求的应用场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的冷热电三联供复合供能系统的整体构造示意图；

图2显示了上述冷热电三联供复合供能系统在夏季工况下的运行示意图；

图3显示了上述冷热电三联供复合供能系统在冬季工况下的运行示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-燃气轮机 2-发电机组 3-溴化钾吸收式热泵机组 4-磁悬浮热泵机组 5-高温烟气换热器 6-烟气冷凝换热器 41-第一换热器 42-第二换热器 43-第三换热器 7-蓄热器 8-分水器 9-集水器 10-热水循环泵 20-土壤侧循环泵

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的冷热电三联供复合供能系统的整体构造示意图。如图1中所示，该冷热电三联供复合供能系统主要包括燃气轮机1、发电机组2、溴化钾吸收式热泵机组3、磁悬浮热泵机组4、高温烟气换热器5和烟气冷凝换热器6等单元，此外还可包括控制管路关闭或连通的多个阀门、与两个热泵机组相连通的蓄热器7、以及分水器8、集水器9等常规结构，下面将对重要组成部分逐一进行具体的解释说明。

首先，燃气轮机1连接有天然气源和空气，并利用来自城市天然气官网的天然气直接驱动发电机组2，所获得的电能除了一部分P1提供用户作为基本用电负荷之外，其余部分P2则用于磁悬浮热泵机组4来执行制冷/制热功能，由此为用户提供冷水/热水(H2/C2)；此外，该燃气轮机1的烟气出口用于输出第一高温烟气E1，并被分为第一烟气管路和第二烟气管路继续输送，其中该第一烟气管路譬如经由阀门V4可控地连接至溴化钾吸收式热泵机组3，并用于提供第一高温烟气中的一部分也即第二高温烟气E2来驱动此溴化钾吸收式热泵机组3，由此执行制冷/制热功能且为用户提供冷水/热水(H1/C2)；该第二烟气管路同样譬如可经由阀门V3可控地连接至高温烟气换热器5，并用于提供第一高温烟气中的其余部分也即第三高温烟气E3对流经该高温烟气换热器5的自来水执行加热。此外，高温烟气换热器5的烟气出口继续与烟气冷凝换热器6的烟气入口保持相连，由此为该烟气冷凝换热器提供第一低温烟气E6。

接着，溴化钾吸收式热泵机组3的烟气出口分为第三烟气管路和第四烟气管路，流经溴化钾吸收式热泵机组3的高温烟气将降温至相对低的程度并输出低温烟气，其中该第三烟气管路譬如可经由阀门V2可控地连接至烟气冷凝换热器6的烟气入口，由此为该烟气冷凝换热器6提供由溴化钾吸收式热泵机组所输出的低温烟气中的一部分也即第二低温烟气E4；该第四烟气管路譬如可经由阀门V1可控地连接至第一换热器41，并为其提供由溴化钾吸收式热泵机组所输出的低温烟气中的另外一部分也即第三低温烟气E5，由此通过该第一换热器41来提高所述磁悬浮热泵机组4的地源侧进水温度，即提高磁悬浮热泵机组的热源水进水温度；此外，第一换热器41继续串联至第二换热器42和第三换热器43，并通过该第二换热器和第三换热器来共同提高磁悬浮热泵机组4的地源侧出水温度，余热烟气处理后排放至外界环境。

此外，烟气冷凝换热器6作为一种烟气-水换热器，烟气经由于其时会被冷却，而自来水流经于其会被加热。在本发明中，该烟气冷凝换热器6用于输入自来水W1，并借助于来自所述第三烟气管路和所述高温烟气换热器5的低温烟气E4、E6来共同执行首次加热，然后继续将温水W2输送至高温烟气换热器5，并借助于来自第二烟气管路的高温烟气E3执行二次加热，最后将热水W3提供给用户。

下面将参照图2和图3分别解释说明按照本发明的冷热电三联供复合供能系统在不同工况下的运行过程。

如图2中所示，显示了本发明在夏季工况下的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足用户的电负荷需求以及维持机组运行的电负荷需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入烟气型溴化锂吸收式机组制冷，从烟气型溴化锂吸收式机组出来的低温烟气进入烟气冷凝换热器。譬如为20℃的冷水先进入烟气冷凝换热器，吸收热量后成为35℃的温水，该温水被从燃气轮机出来的部分高温烟气E3加热至65℃左右，输出热量H3，经蓄热水箱供给热用户。此外，还可根据用户的热水需求量，调节E3的烟气量，若建筑没有热水需求，则可关闭第二烟气管路，将全部的烟气用于驱动烟气型溴化锂吸收式热泵制取冷量。

白天时，燃气轮机开启，同时，烟气E2进入烟气型溴化锂吸收式热泵，热泵为制冷模式，输出冷量C1。冷量不足时，启动磁悬浮热泵机组，输出冷量C2。夜晚时，燃气轮机关闭，利用谷价电驱动磁悬浮热泵机组提供冷量C2。其中，输出的冷量C1、C2均绕过蓄热水箱，直接连入分水器。系统按以电定热设计，发电机所发电力一部分P1供给用户，一部分P2用于驱动磁悬浮热泵机组，不足电量从公网购买。

如图3中所示，显示了本发明在冬季工况下的运行示意图。来自城市天然气管网的天然气进入燃气轮机做功发电，用于满足用户的电负荷需求以及维持机组运行的电负荷需求，从燃气轮机出口的高温烟气进入烟气型溴化锂吸收式机组制热，从烟气型溴化锂吸收式机组出来的低温烟气进入烟气冷凝换热器。首先，譬如5℃的冷水先进入烟气冷凝换热器，吸收热量后成为30℃的温水，该温水被从燃气轮机出来的部分高温烟气加热至65℃左右的热水，最后供给热用户。同时，烟气E2进入烟气型溴化锂吸收式热泵，热泵为制热模式，输出热量H1。发电机所发电力一部分P1供给用户，一部分P2用于驱动磁悬浮热泵。从烟气型溴化锂吸收式热泵出来的烟气优选被设定约为170℃，首先用于加热磁悬浮热泵的出水水温，输出热量H2，从第一换热器出来的烟气优选被设定约为80℃，通过第二换热器，预热地源热泵地源侧出水口水温至15℃；从第二换热器出来的烟气继续与地源热泵系统地源侧进水口通过换热器3进行热交换，预热进水。

白天时，燃气轮机开启，同时，烟气E2进入烟气型溴化锂吸收式热泵，热泵为制热模式，输出热量H1，当热负荷需求较低，磁悬浮热泵机组处于停机状态，此时，V1关闭，V2、V3、V4开启，利用烟气冷凝换热器与高温烟气换热器制取热水，输出热量H3，多余热量储存在蓄热水箱中。热量不足时，启动磁悬浮热泵机组，开启V1、V4，关闭V2、V3，从烟气型溴化锂吸收式热泵出来的烟气约为170℃，将磁悬浮热泵的出水水温由40℃提高至55℃，输出热量H2。夜晚时，燃气轮机关闭，利用谷价电驱动磁悬浮热泵机组提供热量，由于磁悬浮热泵出水水温仅有40℃，因此，与蓄热水箱中的热水在分水器中混合后供给用户。

综上，对于按照本发明所构建的基于余热深度回收的以上系统而言，通过采用烟气冷凝换热器与高温烟气换热器配合，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很低，出来的热水往往达不到采暖所需的供水温度，而在本发明中冷水经烟气冷凝换热器初步加温后，吸收部分高温烟气的热量，从而可输出较高温度的热水，再送入分水器中与其他热水混合以满足用户的热需求。冬季时，从烟气型溴化锂吸收式热泵机组出来的烟气可用于提高磁悬浮热泵的出水水温，还能提高地源侧的进出口水温，进而提高地源热泵系统的制热能效。同时，燃气轮机所发电力，一部分用于满足用户的基本用电，一部分用于驱动磁悬浮热泵机组供热供冷。通过调节电负荷的输出，控制磁悬浮热泵机组的制冷制热，达到调节热电输出的目的，提高系统灵活性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于余热深度回收的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，该冷热电三联供复合供能系统包括燃气轮机(1)、发电机组(2)、溴化钾吸收式热泵机组(3)、磁悬浮热泵机组(4)、高温烟气换热器(5)和烟气冷凝换热器(6)，其中：

所述燃气轮机(1)利用来自城市天然气管网的天然气直接驱动所述发电机组(2)，所获得的电能除了一部分(P1)提供用户作为基本用电负荷之外，其余部分(P2)用于所述磁悬浮热泵机组(4)来执行制冷/制热功能，由此为用户提供冷水/热水(H2/C2)；此外，该燃气轮机(1)的烟气出口用于输出第一高温烟气(E1)，并被分为第一烟气管路和第二烟气管路继续输送，其中该第一烟气管路可控地连接至所述溴化钾吸收式热泵机组(3)，并用于提供第二高温烟气(E2)来驱动此溴化钾吸收式热泵机组(3)，由此执行制冷/制热功能且为用户提供冷水/热水(H1/C2)；该第二烟气管路可控地连接至所述高温烟气换热器(5)，并用于提供第三高温烟气(E3)对流经该高温烟气换热器(5)的自来水执行加热；所述高温烟气换热器(5)的烟气出口继续与所述烟气冷凝换热器(6)的烟气入口保持相连，由此为该烟气冷凝换热器提供第一低温烟气(E6)；

所述溴化钾吸收式热泵机组(3)的烟气出口分为第三烟气管路和第四烟气管路，其中该第三烟气管路可控地连接至所述烟气冷凝换热器(6)的烟气入口，由此为该烟气冷凝换热器(6)提供第二低温烟气(E4)；该第四烟气管路可控地连接至第一换热器(41)并为其提供第三低温烟气(E5)，由此通过该第一换热器(41)来提高所述磁悬浮热泵机组(4)的地源侧进水温度；此外，所述第一换热器继续串联至第二换热器(42)和第三换热器(43)，并通过该第二换热器和第三换热器来共同提高所述磁悬浮热泵机组(4)的地源侧出水温度；

所述烟气冷凝换热器(6)用于输入自来水(W1)，并借助于来自所述第三烟气管路和所述高温烟气换热器(5)的低温烟气(E4，E6)共同执行首次加热，然后继续将温水(W2)输送至所述高温烟气换热器(5)并借助于来自所述第二烟气管路的高温烟气(E3)执行二次加热，最后将热水(W3)提供给用户。

2.如权利要求1所述的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，所述溴化钾吸收式热泵机组(3)的烟气出口所输出的低温烟气的温度被设定为170摄氏度。

3.如权利要求1或2所述的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，所述烟气冷凝换热器的余热烟气被排放至外界，并且其排烟温度被设定为80摄氏度。

4.如权利要求1或2所述的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，上述冷热电三联供复合供能系统按照以电定热的原理来运行。

5.如权利要求3所述的冷热电三联供复合供能系统，其特征在于，上述冷热电三联供复合供能系统按照以电定热的原理来运行。