CN105937812A - 发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵 - Google Patents

发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵 Download PDF

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Abstract

一种发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵：系统集成发电机、压缩式热泵、吸收式热泵；利用发电机输出高品位电能驱动压缩式热泵，避免输电损失；梯级利用发动机排出低品位烟气热能和套缸冷却热能共同驱动吸收式热泵；可切换实现春秋季梯级(制热+制冷)运行、冬季复叠制热运行、夏季并联制冷运行；与现有技术相比较投资回收期可缩短50％；综合能源利用率可提高一倍达180％，实现1份燃料热值最高产生6份有用热量和冷量。

Description

发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵
(一)技术领域
本发明涉及一种发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵。
(二)背景技术
石油开采需经注水、溶解、脱水、冷却等循环步骤，每个步骤都消耗大量能源。中石油各大油田现有各种加热炉共计22000台，因此由电压缩式热泵或吸收式热泵实现热能再利用，以全面取代加热炉，对油田的节能减排意义重大。然而该技术难以推广，其原因为：
(1)油田联合站位处边远地区，大规模布置电压缩式热泵，缺乏电力系统的容量支持和输配支持，需要额外增加输配电网投资；
(2)由伴生气直接驱动吸收式热泵，则1000℃的高温热能未充分用于生产高品位的电能或机械能，而大幅降低综合能源利用率；
(3)分布式能源系统为不宜建设集中式电站的地区，及输配电网的末端用户提供能源，有效降低电、热、冷的输送损失和输送系统投资，为用户提供高品质、高可靠的清洁能源服务；然而其冷量仅由吸收式热泵提供时，不仅最低供水温度被限制在7℃以上，而且供冷载体的循环温差也被限制在5℃以内，从而使得输冷管道较粗，以及输冷循环泵功耗较大。
因此在电力系统的容量支持和输配支持均无法满足的地区，如何进一步提高分布式能源系统的电热冷三联产的综合能源利用率，降低输冷管道投资，降低输冷循环泵功耗，是有待解决的技术难题。
(三)发明内容
本发明目的是：充分利用发电机的输出电能和发动机的排出烟气热能梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，即梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵的供热端与供冷端，加大其供冷载体的循环温差、降低输冷管径、降低循环泵功耗。
按照附图1所示的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其由1-发动机；1-1-进气口；1-2-主动轴；1-3-排气口；1-4-套缸冷却水进口；1-5-套缸冷却水出口；2-燃料；3-发电机；4-输配电；5-电动机；6-压缩机；7-冷凝器；8-干燥过滤器；9-膨胀阀；10-蒸发器；11-吸收式机组；12-再生器；13-吸收式机组蒸发器；14-吸收器；15-吸收式机组冷凝器；16-套缸回热再生器组成，其特征在于：
发动机1的进气口1-1通过管道输入燃料2，组成发动机进气回路；
发动机1的主动轴1-2通过发电机3以及输配电4带动电动机5旋转，组成发电机电力输出回路；
发动机1的排气口1-3连接烟气管道，组成发动机排气回路；
电动机5带动压缩机6旋转，组成压缩机电力输入回路；
压缩机6通过管道连接冷凝器7工质侧、干燥过滤器8、膨胀阀9、蒸发器10工质侧，组成热泵循环回路；
排气回路连接再生器12，组成再生加热回路；
冷载体管道连接吸收式机组蒸发器13水侧，组成提供冷水回路；
热载体管道连接吸收器14、吸收式机组冷凝器15，组成提供热水回路；
发动机1的套缸冷却水进口1-4与套缸冷却水出口1-5通过管道连接套缸回热再生器16，组成套缸回热再生回路。
发动机1为燃气驱动内燃发动机1、汽油驱动内燃发动机1、柴油驱动内燃发动机1、煤油驱动内燃发动机1、斯特林外燃发动机1、燃气驱动燃气轮发动机1、煤气驱动燃气轮发动机1。
吸收式机组11为烟气驱动双效吸收式机组11、烟气驱动单效吸收式机组11。
冷载体管道连接吸收式机组蒸发器13水侧、蒸发器10水侧，组成串联冷却回路。
热载体管道连接吸收器14、吸收式机组冷凝器15、冷凝器7水侧，组成串联加热回路。
热载体管道连接吸收器14、吸收式机组冷凝器15、蒸发器10水侧，组成复叠循环回路。
蒸发器10为水源蒸发器10或空气源蒸发器10。
本发明的工作原理结合附图1说明如下：
1、燃料驱动发电机带动压缩式热泵(制热+制冷)：燃料2经进气口1-1输入发动机1并点燃后，驱动主动轴1-2带动发电机3旋转，再通过输配电4带动电动机5旋转，电动机5带动压缩机6旋转；冷载体流经蒸发器10冷载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使冷载体放热、降温后排出；热泵工质由吸气口吸入压缩机6，并压缩成为高压过热气态热泵工质，送入冷凝器7工质侧冷凝成为高压过冷液态热泵工质，流经干燥过滤器8并经膨胀阀9节流而成为低压两相热泵工质，重新流入蒸发器10工质侧以完成热泵循环，同时把冷凝热量释放给热载体侧。热载体流经冷凝器7热载体侧，吸收另侧冷凝热量而升温。
2、(烟气+套缸冷却)热量驱动吸收式机组(制热+制冷)：发动机1的烟气由排气口1-3经烟气管道流入再生器12管内，以及吸收套缸冷却热量而升温的热载体，由套缸回热再生回路流入套缸回热再生器16，共同加热管外溶液，以蒸发出水蒸气而被浓缩成吸收液，再由吸收液泵驱动，而滴淋在吸收器14管外；水蒸气则流经吸收式机组冷凝器15管外，放热并冷凝为冷剂水，再经管路减压而降温，并依重力流入吸收式机组蒸发器13中，再由冷剂泵驱动而循环滴淋在吸收式机组蒸发器13管外，以吸收冷载体热量而蒸发成水蒸汽，然后流经吸收器14管外，被滴淋的吸收液吸收而成为稀溶液并放热，然后由溶液泵驱动，重新送回再生器12管外，以及套缸回热再生器16管外，经吸热而蒸发。冷载体进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降温；热载体流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热而升温。
3、春秋季--压缩式热泵和吸收式热泵梯级(制热+制冷)：如附图2所示，热载体流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热并升至中温，再继续流经冷凝器7热载体侧，吸收另侧冷凝热量而升至高温。冷载体进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降至中温，再继续流经蒸发器10冷载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使冷载体放热而降至低温后排出。
4、冬季--吸收式热泵和压缩式热泵复叠制热运行：如附图3所示，热源水进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降温后排出；复叠热载体流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热而升温。复叠热载体循环流经蒸发器10复叠热载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使复叠热载体放热而降温；热载体流经冷凝器7热载体侧，吸收另侧冷凝热量而升至高温以制热。
5、夏季--吸收式热泵和压缩式热泵并联制冷运行：如附图1所示，冷载体进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降至低温；冷却水流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热而升温。冷载体流经蒸发器10冷载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使冷载体放热而降至低温；冷却水流经冷凝器7冷却水侧，吸收另侧冷凝热量而升温。
因此与现有压缩式热泵和吸收式热泵的应用技术相比较，本发明特点如下：
(1)系统集成发电机、压缩式热泵、吸收式热泵、套缸回热再生器；
(2)利用发电机输出高品位电能驱动压缩式热泵，避免输电损失；
(3)利用发动机排出低品位烟气热能和套缸冷却热量共同驱动吸收式热泵；
(4)吸收式热泵、压缩式热泵可切换实现：春秋季梯级(制热+制冷)运行、冬季复叠制热运行、夏季并联制冷运行；
(5)综合能源利用率与现有技术相比较可提高一倍达180％，实现1份燃料热值最高产生6份有用热量和冷量。
因此与现有技术相比较，本发明技术优势如下：系统集成发电机、压缩式热泵、吸收式热泵、套缸回热再生器；利用发电机输出高品位电能驱动压缩式热泵，避免输电损失；梯级利用发动机排出低品位烟气热能和套缸冷却热能共同驱动吸收式热泵；可切换实现春秋季梯级(制热+制冷)运行、冬季复叠制热运行、夏季并联制冷运行；与现有技术相比较投资回收期可缩短50％；综合能源利用率可提高一倍达180％，实现1份燃料热值最高产生6份有用热量和冷量。
(四)附图说明
附图1为本发明的系统流程图。
附图2为本发明春秋季梯级(制热+制冷)运行的系统流程图。
附图3为本发明冬季复叠制热运行的系统流程图。
如附图1所示，其中：1-发动机；1-1-进气口；1-2-主动轴；1-3-排气口；1-4-套缸冷却水进口；1-5-套缸冷却水出口；2-燃料；3-发电机；4-输配电；5-电动机；6-压缩机；7-冷凝器；8-干燥过滤器；9-膨胀阀；10-蒸发器；11-吸收式机组；12-再生器；13-吸收式机组蒸发器；14-吸收器；15-吸收式机组冷凝器；16-套缸回热再生器。
(五)具体实施方式
本发明提出的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵实施例如附图2所示，现说明如下：输出轴功率1.695MW的发动机1；直径32mm的不锈钢进气口1-1；长度400mm、直径42mm的不锈钢主动轴1-2；直径32mm的不锈钢排气口1-3；直径32mm的不锈钢套缸冷却水进口1-4；直径32mm的不锈钢套缸冷却水出口1-5；天然气燃料2；380V、50Hz、输出电功率1.665MW的发电机3；380V、50Hz、功率1.665MW的输配电4；380V、50Hz、输出轴功率1.665MW的电动机5；输入轴功率1.665MW的压缩机6；加热功率9.44MW的冷凝器7；接口直径200mm、厚度1.2mm的紫铜干燥过滤器8；接口直径200mm、厚度2mm的不锈钢孔板膨胀阀9；冷却功率7.775MW的蒸发器10；吸收式机组11；加热量1.554MW的再生器12；冷却功率1.865MW的吸收式机组蒸发器13；总加热功率3.419MW的吸收器14和吸收式机组冷凝器15；回热功率0.4MW的套缸回热再生器16组成。
发动机1的进气口1-1通过管道输入燃料2，组成发动机进气回路；
发动机1的主动轴1-2通过发电机3以及输配电4带动电动机5旋转，组成发电机电力输出回路；
发动机1的排气口1-3连接烟气管道，组成发动机排气回路；
电动机5带动压缩机6旋转，组成压缩机电力输入回路；
压缩机6通过管道连接冷凝器7工质侧、干燥过滤器8、膨胀阀9、蒸发器10工质侧，组成热泵循环回路；
排气回路连接再生器12，组成再生加热回路；
冷载体管道连接吸收式机组蒸发器13水侧，组成提供冷水回路；
热载体管道连接吸收器14、吸收式机组冷凝器15，组成提供热水回路。
发动机1的套缸冷却水进口1-4与套缸冷却水出口1-5通过管道连接套缸回热再生器16，组成套缸回热再生回路。
发动机1为燃气驱动内燃发动机1。
吸收式机组11为烟气驱动双效吸收式机组11。
冷载体管道连接吸收式机组蒸发器13水侧、蒸发器10水侧，组成串联冷却回路。
热载体管道连接吸收器14、吸收式机组冷凝器15、冷凝器7水侧，组成串联加热回路。
蒸发器10为水源蒸发器10。
本发明实施例中天然气2经进气口1-1输入发动机1并点燃后，驱动主动轴1-2带动发电机3旋转，再通过输配电4带动电动机5旋转，电动机5带动压缩机6旋转；59℃冷载体流经蒸发器10冷载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使冷载体放热、降温至53℃后排出；热泵工质由吸气口吸入压缩机6，并压缩成为高压过热气态热泵工质，送入冷凝器7工质侧冷凝成为高压过冷液态热泵工质，流经干燥过滤器8并经膨胀阀9节流而成为低压两相热泵工质，重新流入蒸发器10工质侧以完成热泵循环，同时把冷凝热量释放给热载体侧。79℃热载体流经冷凝器7热载体侧，吸收另侧冷凝热量而升温至85℃。
发动机1的430℃烟气由排气口1-3经烟气管道流入再生器12管内，以及吸收套缸冷却热量而升温的90℃热载体，由套缸回热再生回路流入套缸回热再生器16，共同加热管外溶液，以蒸发出水蒸气而被浓缩成吸收液，再由吸收液泵驱动，而滴淋在吸收器14管外；水蒸气则流经吸收式机组冷凝器15管外，放热并冷凝为冷剂水，再经管路减压而降温，并依重力流入吸收式机组蒸发器13中，再由冷剂泵驱动而循环滴淋在吸收式机组蒸发器13管外，以吸收冷载体热量而蒸发成水蒸汽，然后流经吸收器14管外，被滴淋的吸收液吸收而成为稀溶液并放热，然后由溶液泵驱动，重新送回再生器12管外，经吸热而蒸发。65℃冷载体进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降温至59℃；73℃热载体流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热而升温至79℃。
73℃热载体流经串联连接的吸收器14、吸收式机组冷凝器15管内，被管外的吸收放热和冷凝放热先后加热并升至79℃，再继续流经冷凝器7热载体侧，吸收另侧冷凝热量而升温至85℃。
65℃冷载体进入吸收式机组蒸发器13管内，被滴淋的冷剂水蒸发吸热而降温至59℃，再继续流经蒸发器10冷载体侧，以使流入蒸发器10工质侧的低压两相热泵工质吸收热量而蒸发成为低压过热气态热泵工质，并使冷载体放热而降温至53℃后排出。

Claims (7)

1.一种发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其由发动机(1)；进气口(1-1)；主动轴(1-2)；排气口(1-3)；套缸冷却水进口(1-4)；套缸冷却水出口(1-5)；燃料(2)；发电机(3)；输配电(4)；电动机(5)；压缩机(6)；冷凝器(7)；干燥过滤器(8)；膨胀阀(9)；蒸发器(10)；吸收式机组(11)；再生器(12)；吸收式机组蒸发器(13)；吸收器(14)；吸收式机组冷凝器(15)；套缸回热再生器(16)组成，其特征在于：发动机(1)的进气口(1-1)通过管道输入燃料(2)，组成发动机进气回路；发动机(1)的主动轴(1-2)通过发电机(3)以及输配电(4)带动电动机(5)旋转，组成发电机电力输出回路；发动机(1)的排气口(1-3)连接烟气管道，组成发动机排气回路；电动机(5)带动压缩机(6)旋转，组成压缩机电力输入回路；压缩机(6)通过管道连接冷凝器(7)工质侧、干燥过滤器(8)、膨胀阀(9)、蒸发器(10)工质侧，组成热泵循环回路；排气回路连接再生器(12)，组成再生加热回路；冷载体管道连接吸收式机组蒸发器(13)水侧，组成提供冷水回路；热载体管道连接吸收器(14)、吸收式机组冷凝器(15)，组成提供热水回路；发动机(1)的套缸冷却水进口(1-4)与套缸冷却水出口(1-5)通过管道连接套缸回热再生器(16)，组成套缸回热再生回路。
2.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：发动机(1)为燃气驱动内燃发动机(1)、汽油驱动内燃发动机(1)、柴油驱动内燃发动机(1)、煤油驱动内燃发动机(1)、斯特林外燃发动机(1)、燃气驱动燃气轮发动机(1)、煤气驱动燃气轮发动机(1)。
3.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：吸收式机组(11)为烟气驱动双效吸收式机组(11)、烟气驱动单效吸收式机组(11)。
4.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：冷载体管道连接吸收式机组蒸发器(13)水侧、蒸发器(10)水侧，组成串联冷却回路。
5.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：热载体管道连接吸收器(14)、吸收式机组冷凝器(15)、冷凝器(7)水侧，组成串联加热回路。
6.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：热载体管道连接吸收器(14)、吸收式机组冷凝器(15)、蒸发器(10)水侧，组成复叠循环回路。
7.按照权利要求1所述的发电机梯级驱动压缩式热泵和吸收式热泵，其特征在于：蒸发器(10)为水源蒸发器(10)或空气源蒸发器(10)。
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