CN110186214B - 余热驱动的多模式冷热电一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明余热驱动的多模式冷热电一体化系统，包括发生机构、分离器、分流器、膨胀机、发电机、供热机构、冷凝器、制冷机构、回热器、第一缸体及第二缸体。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：有效地利用了低品位余热，可以将通常难以利用的废热源热能转化为同品位的热能供暖，转化为更高品位的电能和冷量使用；通过控制系统调控手自一体式电动三通阀可以使得工作回路在电热联供、冷热联供、冷热电联供多种模式之间切换，由于常见工业余热具有稳定输出的特点，可以保证系统有选择地、连续地输出电量、冷量和热量；通过使用吸收器、工作腔、高压腔、电磁阀及控制系统组成的新型溶液泵送结构将浓溶液从低压端的吸收器输送至高压端的发生器中。

Description

余热驱动的多模式冷热电一体化系统

技术领域

本发明涉及吸收技术、发电技术和制冷制热技术领域，特别涉及一种可由低品位余热驱动的多模式冷热电一体化系统。

背景技术

余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60％，但是由于企业生产结构和工业设备配置等原因，我国大量的余热资源仍然被直接排放。由此可见，有效合理地利用余热资源将是提高企业经济性，节约燃料的一条重要途径。

传统意义上的冷热电联产系统是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，产生热、电、冷的联产联供系统。系统由余热源驱动而不使用燃料，可以大大减少污染物的排放，同时可以根据用户的不同需求产生多种能量输出；联产系统与电网独立运行，减轻对电网负担。季节性对冷热电联产系统的需求比例影响较大，且传统冷热电联产系统的规模大、成本高，因此一种可实现多模式自由切换的冷热电一体化系统的提出在实现不同类型能量需求的最优分配、缩小系统规模和降低系统成本等方面具有重要意义。

氨水吸收式循环可由100℃～200℃的低品位余热驱动，氨水等吸收工质对是当前冷热电联产系统研究的一个重要方向。氨水是一种自然工质对，对环境和大气臭氧层无害；氨的沸点较低，便于利用余热、废热等低品位热能。但多模式冷热电一体化系统在应用于低品位余热利用时，需要解决以下几个关键问题：

第一，提高系统的稳定性及鲁棒性。在系统运行过程中难免出现系统内部或者外部的扰动，如热源温度及流量的波动。因此，提高系统稳的定性和鲁棒性可保证在扰动出现的时候系统功能仍能正常实现，不易造成事故或者停产等情况。

第二，提高子循环及总系统的效率。余热中的有效

有限，因此减少系统额外电能的消耗和能量转换过程中的损耗可以有助于提高系统效率。

第三，控制热源稳定输入。发生器的稳定运行取决于输入热源的稳定供给，余热源如生物质锅炉的蒸汽温度和蒸发量都随着生物质燃料加料速度及氧气供给量的变化而变化，从而造成燃烧过程热量释放的不稳定。因此，发生器的发生方式是余热利用系统的一个重点问题。

第四，多模式多需求自主切换。在系统使用过程中，用户根据对冷、热、电的不同需求情况，通过在控制端选择，可以实现冷热联供、电热联供、冷热电联供等不同工作模式的切换。

第五，安全。使用的工质多为有害的化学品，并且考虑到高压系统的安全隐患，所以应考虑对系统重要环节进行压力、温度等重要指标的监测与协调控制，对系统配套相关的安全保护措施。通过对现有技术已有专利及文献的调研发现：

专利CN109028271A提供了一种冷热电联供系统，该专利提出了一种夏季利用太阳能供热发电并储存多余能量，冬季将储存能量提取供暖供电的新方案，目的在于解决太阳能利用因太阳能资源随季节、昼夜分布不均匀而受限的问题。但是该专利存在太阳能资源受地域影响明显，不利于大范围推广；运行期间能量经过多次冷热传递与转换，能量损耗较大；系统使用多个工质泵导致系统净输出功率低等问题。

专利CN201821111064提供了一种互补式的冷热电联供装置，该专利利用燃气内燃机和蓄热式电锅炉耦合互补，解决了谷电时间段电网利用率低，峰平时间段电网负担过重的问题。但是该专利只是针对用电峰谷时段价格及需求的差异增设燃气内燃机通路，存在无法减少能源消耗、无法减少环境污染的缺点。

专利CN201811404465提供了一种母管蒸汽余热能分级加热热电联供系统装置，该专利使用分级汽轮发电机组和分级换热装置，解决了利用火力发电乏汽有用能供热发电的问题。但是该专利只能适用于火电厂等产生大量高温蒸汽的场合，并且存在余热热源单一、热电供给无法按需分配的缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的余热驱动的多模式冷热电一体化系统。

为了解决上述技术问题，本发明余热驱动的多模式冷热电一体化系统，包括发生机构、分离器、分流器、膨胀机、发电机、供热机构、冷凝器、制冷机构、回热器、第一缸体及第二缸体；其中发生机构的入口经回热器和第二缸体出口连接，发生机构出口与分离器连接；分离器液路途径回热器通过第五阀体与供热机构连接，气路出口经分流器一路与第二缸体连接，一路经第八阀体接膨胀机或冷凝器；膨胀机经第七阀体连接供热机构；冷凝器经第六阀体、制冷机构和第七阀体后连接供热机构；供热机构出口和第一缸体之间的液路通过第一阀体连通，供热机构与第一缸体之间的气路通过第三阀体连通；第一缸体与第二缸体之间的液路通过第二阀体连通，气路通过第四阀体连通。

优选地，发生机构包括发生器及废热源供热回路；其中废热源供热回路与废热源连接；发生器入口经回热器和第二缸体出口连接，发生器出口与分离器连接。

优选地，供热机构包括吸收器、供热区及供热循环回路；其中分离器液路途径回热器通过第五阀体与吸收器连接，膨胀机经第七阀体连接吸收器；冷凝器经第六阀体、制冷机构和第七阀体后连接吸收器；吸收器出口和第一缸体之间的液路通过第一阀体连通，吸收器与第一缸体之间的气路通过第三阀体连通。

优选地，制冷机构包括蒸发器、制冷区及制冷循环回路；其中冷凝器经第六阀体、蒸发器和第七阀体后连接吸收器。

优选地，第一缸体为工作腔。

优选地，第二缸体为高压腔。

优选地，第一阀体、第二阀体、第三阀体及第四阀体为电磁阀。

优选地，第五阀体及第六阀体为节流阀。

优选地，第七阀体及第八阀体为三通阀。

优选地，还包括控制柜，控制柜分别与发生机构、分离器、分流器、膨胀机、发电机、供热机构、冷凝器、制冷机构、回热器、第一缸体及第二缸体连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：有效地利用了低品位余热，可以将通常难以利用的废热源热能转化为同品位的热能供暖，转化为更高品位的电能和冷量使用；通过控制系统调控手自一体式电动三通阀V7、V8可以使得工作回路在电热联供、冷热联供、冷热电联供多种模式之间切换，并且由于常见工业余热具有稳定输出的特点，可以保证系统有选择地、连续地输出电量、冷量和热量；通过使用吸收器、工作腔、高压腔、电磁阀及控制系统组成的新型溶液泵送结构将浓溶液从低压端的吸收器输送至高压端的发生器中，高压工质泵的替代可以较大程度地提高系统的运行效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明余热驱动的多模式冷热电一体化系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明余热驱动的多模式冷热电一体化系统，包括：发生器30(连接废热源供热回路29)、分离器27、分流器26、膨胀机20、发电机21、吸收器8(连接供热区9和供热循环回路10)、冷凝器22、蒸发器17(连接制冷区18和制冷循环回路19)、回热器31、工作腔4、高压腔6、八个阀件、控制柜1(包括控制柜输出端2和控制柜输入端7)、四个液位开关；

本发明的具体的各个部件的连接关系如下：发生器30入口经回热器31和高压腔6出口连接，发生器30出口与分离器27连接；分离器27出口稀溶液途经回热器31并通过一个节流阀V5与吸收器8连接，气路出口与分流器26连接；分流器26出口一路与高压腔6连接，一路经三通阀V8接膨胀机20或冷凝器22；膨胀机20经三通阀V7连接吸收器8；冷凝器22经节流阀V6、蒸发器17和三通阀V7后连接吸收器8；吸收器8出口和工作腔4之间的吸收器到工作腔液路管道3通过电磁阀V1连通，吸收器8与工作腔4之间的吸收器到工作腔气路管道11通过电磁阀V3连通，同样工作腔4与高压腔6之间的工作腔到高压腔液路管道5和通过电磁阀V2连通，工作腔到高压腔气路管道13通过电磁阀V4连通；

热源可以驱动发生器30，浓氨水溶液经发生器30发生得到氨水蒸汽后，在分离器27中实现气液分离，获得高浓度、高压力的氨蒸汽以及低浓度、高压力的稀氨水溶液；回热器31通过浓溶液管道32与高压腔6连通；稀氨水经回热器31和节流阀V5后进入吸收器8，高压氨蒸汽进入分流器26；分流器26分流后耗散部分的高压氨蒸汽通过耗散蒸汽管道25进入高压腔6，工作部分的高压氨蒸汽通过工作蒸汽管道24到达三通阀V8；经三通阀V8，高压氨蒸汽可以通过膨胀机20对外做功发电，也可以经过冷凝器22、节流阀V6和蒸发器17回路在蒸发器17处产生制冷量，两条通路汇聚在三通阀V7；三通阀V7处的低压氨蒸汽进入吸收器8被稀氨水溶液吸收，吸收过程放出的热量可实现供热功能，吸收完成后浓氨水溶液进入工作腔4；四个电磁阀中V1和V3开闭状态相同，V2和V4开闭状态相同，电磁阀V1/V3和V2/V4开关状态始终相反。当V1/V3开启时，V2/V4关闭，此时吸收器8与工作腔4连通，低温低压的浓氨水溶液通过电磁阀V1被输送至位置较低的低压工作腔4中；当V1/V3关闭时，V2/V4打开，此时工作腔4与高压腔6连通而吸收器8与工作腔4不连通，低温低压的浓氨水溶液通过电磁阀V2从工作腔4被输送至位置更低的高压腔6中。同理，浓氨水溶液与稀氨水溶液在回热器31中发生热交换后被输送至位置更低的发生器30中，从而完成了整个余热驱动的制冷/热/电的循环过程。

安装在工作腔4和高压腔6的气、液通道处的液位开关可限制容器内液位高度，为电磁阀的开闭控制提供输入信号。例如，当工作腔上端液位开关12、工作腔下端液位开关14、高压腔上端液位开关15的液位开关输出0(未检测到液位)，高压腔下端液位开关16的液位开关输出1(检测到液位)时，控制系统控制开启电磁阀V1和V3，关闭V2和V4。具体控制逻辑如表1所示，所有能保证系统正常运行的逻辑都在本发明的范围内。

表1新型溶液泵送结构的控制逻辑表

由吸收器8、工作腔4、高压腔6、电磁阀及控制系统组成的新型溶液泵送结构的使用替代了高压工质泵，提高了系统运行效率。通过控制手自一体式电动三通阀V7和V8改变高压氨蒸汽的流动通路可以分别实现冷热、热电或冷热电联供三种模式。回热器31的布置可提高系统内部的能量利用率。

以循环工质为80％浓度的氨水溶液为例，本发明的工作原理如下：运行之前，在工作腔4、高压腔6和发生器30中分别注入50％、80％、80％容量的氨水溶液。本发明实施例对所用氨水浓度不做限制，所有初始比例均在本发明的范围内。在系统部件的位置分布方面，吸收器8、工作腔4、高压腔6、发生器30沿垂直地面方向由上往下布置，吸收器8的底部高于工作腔4的顶部，工作腔4的底部高于高压腔6的顶部，高压腔6的底部高于发生器30的顶部。

系统运行步骤如下所示：

第一步：启动前，在热电联供、冷热联供和冷热电联供三种模式中选择一种工作模式。若选择热电联供模式，通过控制系统调控手自一体式电动三通阀V7和V8使来自分流器26的高温高压氨蒸汽全部通过膨胀机20后再流入吸收器8中，系统在膨胀机20中膨胀做功并驱动发电机21发电，膨胀后所得乏汽在吸收器8中被稀氨水溶液吸收放热并产生热量；若选择冷热联供模式，通过控制系统调控手自一体式电动三通阀V7和V8使得来自分流器26的高温高压氨蒸汽全部通过冷凝器22、节流阀V6和蒸发器17后再流入吸收器8中，氨制冷剂在蒸发器17中蒸发吸热并产生冷量，蒸发后的氨蒸汽在吸收器8中被稀氨水溶液吸收放热并产生热量；若选择冷热电联供模式，通过控制系统调控手自一体式电动三通阀V7和V8使得来自分流器26的高温高压氨蒸汽在手自一体式电动三通阀V8处按所需比例分流至发电和制冷通路，在分别进行发电和制冷过程后于手自一体式电动三通阀V7处汇合并流入吸收器8中，氨工质在蒸发器17中吸热蒸发并产生冷量，同时在膨胀机20中膨胀做功并带动发电机21产生电量，V7处所得的低压氨蒸汽在吸收器8中被稀氨水溶液吸收放热并产生热量。初始状态，控制系统关闭电磁阀V1/V3，打开电磁阀V2/V4，工作腔4与高压腔6的气路、液路均连通。

第二步：启动设备，发生器30在废热源23的作用下产生氨、水混合蒸汽，经分离器27分离得到的高温高压氨蒸汽经发电/制冷通路后成为低温低压的氨蒸汽。氨蒸汽流入吸收器8中并被从分离器27节流至吸收器8的稀氨水溶液吸收放热，得到低温低压的浓氨水溶液。此时，吸收器8内的压力为整个系统的低压端，工作腔4和高压腔6为整个系统的高压端，待液位开关(12、14、15)输出为0，液位开16关输出为1时，控制系统开启电磁阀V1/V3，关闭电磁阀V2/V4，上一个阶段呈高压状态的工作腔4与低压状态的吸收器8的气路连通，当工作腔4中气相压力被吸收器8平衡至相同压力后，低温低压的浓氨水溶液通过电磁阀V1被泵送至位置较低的工作腔4中。

第三步：第二步完成后，工作腔4和吸收器8内的压力为整个系统的低压端，待液位开关(12、14、16)输出为1，液位开关15输出为0时，控制系统关闭电磁阀V1/V3，开启电磁阀V2/V4，高压腔6与上一个阶段呈低压状态的工作腔4的气路连通，当工作腔4中气相压力被高压腔6平衡至相同压力后，低温高压的浓氨水溶液通过电磁阀V2被泵送至位置更低的高压腔6中。待此时，液位开关(12、14、15)输出为0，液位开关16输出为1时，回到第二步的起始状态。

系统运行过程中依次循环执行第二步和第三步。由于系统为连续运行系统，高压腔6与发生器30的气路、液路均始终连通，高压腔6内的低温高压的浓氨水在经回热器31回热后会连续不断地被输送至位置更低的发生器30中，从而完成整个循环过程。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，包括发生机构、分离器、分流器、膨胀机、发电机、供热机构、冷凝器、制冷机构、回热器、第一缸体及第二缸体；其中

发生机构的入口经回热器和第二缸体出口连接，发生机构出口与分离器连接；分离器液路途经回热器通过第五阀体与供热机构连接，气路出口经分流器一路与第二缸体连接，一路经第八阀体接膨胀机或冷凝器；膨胀机经第七阀体连接供热机构；冷凝器经第六阀体、制冷机构和第七阀体后连接供热机构；供热机构出口和第一缸体之间的液路通过第一阀体连通，供热机构与第一缸体之间的气路通过第三阀体连通；第一缸体与第二缸体之间的液路通过第二阀体连通，气路通过第四阀体连通。

2.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，发生机构包括发生器及废热源供热回路；其中

废热源供热回路与废热源连接；发生器入口经回热器和第二缸体出口连接，发生器出口与分离器连接。

3.根据权利要求2所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，供热机构包括吸收器、供热区及供热循环回路；其中

分离器液路途径回热器通过第五阀体与吸收器连接，膨胀机经第七阀体连接吸收器；冷凝器经第六阀体、制冷机构和第七阀体后连接吸收器；吸收器出口和第一缸体之间的液路通过第一阀体连通，吸收器与第一缸体之间的气路通过第三阀体连通。

4.根据权利要求3所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，制冷机构包括蒸发器、制冷区及制冷循环回路；其中

冷凝器经第六阀体、蒸发器和第七阀体后连接吸收器。

5.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，第一缸体为工作腔。

6.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，第二缸体为高压腔。

7.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，第一阀体、第二阀体、第三阀体及第四阀体为电磁阀。

8.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，第五阀体及第六阀体为节流阀。

9.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，第七阀体及第八阀体为三通阀。

10.根据权利要求1所述的余热驱动的多模式冷热电一体化系统，其特征在于，还包括控制柜，控制柜分别与发生机构、分离器、分流器、膨胀机、发电机、供热机构、冷凝器、制冷机构、回热器、第一缸体及第二缸体连接。

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