CN111306015A - 太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种太阳能‑地热能混合热源冷热电联供系统及其工作方法，属于可再生能源开发利用与动力工程技术领域。包括太阳能集热单元、地热能循环单元、Kalina发电循环‑氨水吸收式制冷循环单元、热用户回路和冷用户回路。采用氨水作为循环工质，将Kalina发电循环和氨水吸收式制冷循环进行有机集成，形成一种新型的太阳能‑地热能混合热源冷热电联供系统，充分利用太阳能和地热能为用户同时提供电能、冷能和热能。通过回收利用Kalina发电循环和氨水吸收式制冷循环的余热，在产生电能和冷能的基础上增加了热能的供应，实现了能源的梯级利用，有效提高了系统的能源转换效率，且绿色环保、适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源开发利用与动力工程技术领域，具体涉及一种太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统及其工作方法。
背景技术
随着人类对能源需求的不断增长，大规模地燃烧化石能源已对大气环境和生态环境造成了严重影响，人们越来越担心大量使用传统化石能源所带来的资源枯竭和环境污染问题。在这种情况下，太阳能和地热能等可再生的清洁新能源越来越受到世界各国的重视。我国于2006年1月颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域。太阳能和地热能资源的开发利用对节约化石能源和保护生态环境以及降低二氧化碳排放，起到至关重要的作用。目前我国对太阳能和地热能的综合利用主要集中在发电和供暖方面。
在过去几十年里，研究者们对太阳能-地热能联合发电系统中两种能源的结合方式进行了诸多尝试，总的来说有以下四种，如图1所示：如图1a，地热水从地下抽出后，首先经过太阳能集热器吸热升温，然后进入到闪蒸器中进行降压闪蒸。生成的蒸汽进入到汽轮机中做功，驱动发电机发电，汽轮机排汽经冷凝器冷却后回灌地下或者另作他用。闪蒸器剩余的地热水回灌地下。如图1b，地热水从地下抽出后，直接进入闪蒸器进行降压闪蒸。生成的蒸汽再进入太阳能集热器中吸热至过热态，然后进入汽轮机中做功，驱动发电机发电，汽轮机排汽经冷凝器冷却后回灌地下或者另作他用。闪蒸器剩余的地热水回灌地下。如图1c，地热水从地下抽出后，进入一级闪蒸器进行降压闪蒸，生成的蒸汽进入汽轮机中做功，驱动发电机发电。一级闪蒸器中剩余的地热水进入太阳能集热器中吸热升温，然后进入二级闪蒸器中继续降压闪蒸，生成的蒸汽作为补汽进入汽轮机中做功，驱动发电机发电。汽轮机排汽经冷凝器冷却后回灌地下或者另作他用。二级闪蒸器剩余的地热水回灌地下。如图1d，地热能和太阳能分别作为有机朗肯循环的低温热源和高温热源。有机工质连续经过换热器1和换热器2进行预热、蒸发和过热过程，然后进入有机透平膨胀做功，驱动发电机发电。透平排气经过冷凝器冷却为液态后，再通过增压泵升压，最后重新回到蒸发器中，完成一个循环。
地源热泵是利用地球表面浅层地热资源作为热源，进行能量转换的供暖空调系统。寒冷地区建筑热负荷较大，地源热泵长期运行，容易造成地下土壤温度失衡，这对整个地源热泵系统的效率影响很大，同时也会破坏地下生态平衡。加入太阳能后，地源热泵在供暖季运行时，土壤温度的波动相对会变小，这样热泵机组就可以具有较高的效率。太阳能地源热泵系统一般具有串联和并联两种运行模式，如图2所示。在图2a所示的串联运行模式中，板式换热器(连接太阳能蓄热水箱)与地埋管换热器串联运行，载热流体先经过地埋管换热器再经过板式换热器，然后进入热泵机组工作。当夜晚或者阴天时，水箱内温度较低，则单独采用土壤源热泵供暖。在图2b所示的并联运行模式中，板式换热器与埋地管换热器并联运行，载热流体同时进入板式换热器与地埋管换热器吸收热量后，再进入热泵机组工作。
但是上述对于太阳能-地热能混合热源的利用形式较为单一，且利用率较低，无法满足当前生产生活中用户对冷、热、电等能量的多样需求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统及其工作方法，实现了能源的梯级利用且利用率高，能够同时进行供电、供热和供冷，且绿色环保、适用范围广。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，包括太阳能集热单元、地热能循环单元、Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元、热用户回路和冷用户回路；
太阳能集热单元包括太阳能集热器阵列和储热装置，太阳能集热器阵列和储热装置通过导热介质回路连接；
地热能循环单元包括地热水回路以及在地热水回路上设置的第一增压泵，地热水回路与地热井连接；
Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元包括氨水分离器、透平、精馏塔、第一冷凝器、吸收器、蒸发器、第二换热器、第二冷凝器；氨水分离器的富氨蒸气出口与透平连接，透平连接有发电机，氨水分离器的贫氨溶液出口与精馏塔热源进口连接，透平和精馏塔的热源出口与第二换热器连接；第二换热器与第二冷凝器连接，第二冷凝器与氨水分离器的入口连接，第二冷凝器与氨水分离器的入口之间设有第三增压泵；精馏塔的蒸气出口与第一冷凝器连接，第一冷凝器与蒸发器连接，蒸发器与吸收器的气相入口连接，吸收器的液相入口与精馏塔的稀氨溶液出口连接；吸收器的出口与精馏塔的浓氨溶液入口连接，吸收器的出口与精馏塔的浓氨溶液入口之间设有第二增压泵；
热用户回路流经第一冷凝器、吸收器和第二换热器后与热用户连接；
冷用户回路流经蒸发器后与冷用户连接；
太阳能集热单元与地热能循环单元之间设有第一换热器，地热能循环单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有蒸汽发生器，太阳能集热单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有过热器。
优选地，储热装置包括储热罐，储热罐连接有热罐和冷罐。
优选地，太阳能集热单元还包括补热锅炉，补热锅炉设在导热介质回路上。
优选地，精馏塔的热源出口与第二换热器之间设有第一节流阀。
优选地，吸收器的液相入口与精馏塔的稀氨溶液出口之间设有第二节流阀。
优选地，第一冷凝器与蒸发器之间设有第三节流阀。
本发明公开了上述太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统的工作方法，包括：
导热介质在导热介质回路中循环，在太阳能集热器阵列中被加热后，导热介质携带热量的一部分被储热装置储存，另一部分用于在过热器中加热富氨蒸气、在第一换热器中加热地热水；
地热水在地热水回路中循环，从地热井抽出后经第一增压泵增压后进入第一换热器吸热升温，然后进入蒸汽发生器加热氨水基本溶液后回灌至地热井中；
氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸热蒸发至两相态，然后进入氨水分离器中分离出饱和的富氨蒸汽和饱和的贫氨溶液，富氨蒸汽进入过热器中继续吸热至过热态，然后进入透平中膨胀做功，驱动发电机发电，贫氨溶液进入精馏塔作为热源释放热量，经降压后与透平排汽混合重新生成为氨水基本溶液进入第二换热器中释放剩余热量后，再进入第二冷凝器中被冷却至液态，然后经过第三增压泵升压后，重新送回蒸汽发生器中吸热；
浓氨溶液进入精馏塔中经蒸发、提馏和精馏后，氨蒸气经精馏塔的蒸气出口进入第一冷凝器，剩余的稀氨溶液从精馏塔的稀氨溶液出口进入吸收器，氨蒸气在第一冷凝器中被冷却为液态氨，经过降压降温后生成低温两相氨流体后进入蒸发器中蒸发吸热，冷却冷媒水，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨蒸气后进入吸收器；稀氨溶液降压后进入吸收器中吸收饱和氨蒸气，同时释放出热量，重新生成浓氨溶液经第二增压泵升压后再次进入精馏塔；
热用户回路中的水依次在第一冷凝器、吸收器和第二换热器中吸收热量后供给热用户；
冷用户回路中的水在蒸发器中被冷却后供给冷用户。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，包括太阳能集热单元、地热能循环单元、Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元、热用户回路和冷用户回路。将Kalina发电循环和氨水吸收式制冷循环进行有机集成，形成一种新型的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，充分利用太阳能和地热能为用户同时提供电能、冷能和热能。采用氨水混合物作为循环工质，氨水混合物属于非共沸混合物，在两相区具有温度滑移的特性，使得氨水与其它流体在换热过程中可以达到较好的温度匹配，有效减小换热过程的不可逆损失，提高整个系统的效率。而且氨水混合物还具有比焓降大、价格低廉等优点，减小了叶轮机械设备的设计尺寸，有效提高部件和系统的经济性。通过回收利用Kalina发电循环和氨水吸收式制冷循环的余热，在产生电能和冷能的基础上增加了热能的供应，实现了能源的梯级利用，有效提高了系统的能源转换效率，且绿色环保、适用范围广。
进一步地，当进入系统的导热油温度不能达到要求时，补热锅炉可以加热导热油，以保证系统的正常运行。
本发明公开了上述太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统的工作方法，对太阳能和地热能进行混合利用进行冷热电联供，可以同时满足用户对不同种类能量的需求，符合能源的梯级利用原则，提高了太阳能和地热能的能源利用效率，对实行节能减排和发展低碳经济具有重要的科学意义和应用价值。
附图说明
图1a、图1b、图1c和图1d分别为现有技术中太阳能-地热能联合发电系统的四种型式示意图；
图2a为太阳能地源热泵系统串联运行模式的示意图；
图2b为太阳能地源热泵系统并联运行模式的示意图；.
图3为本发明的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统的整体结构示意图。
图中：1-太阳能集热器阵列，2-储热罐，3-热罐，4-冷罐，5-补燃锅炉，6-第一增压泵，7-第一换热器，8-蒸汽发生器，9-氨水分离器，10-过热器，11-透平，12-发电机，13-精馏塔，14-第一冷凝器，15-第一节流阀，16-第二节流阀，17-第二增压泵，18-吸收器，19-第三节流阀，20-蒸发器，21-第二换热器，22-第二冷凝器，23-第三增压泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图3为本发明的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，包括太阳能集热单元、地热能循环单元、Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元、热用户回路和冷用户回路；
太阳能集热单元包括太阳能集热器阵列1和储热装置，太阳能集热器阵列1和储热装置通过导热介质回路连接，优选地，储热装置包括储热罐2，储热罐2连接有热罐3和冷罐4，能够将富余的热能储存起来，以备夜晚或阳光不足时使用；优选地，太阳能集热单元中可以设置补热锅炉5。
地热能循环单元包括地热水回路以及在地热水回路上设置的第一增压泵6，地热水回路与地热井连接；
Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元包括氨水分离器9、透平11、精馏塔13、第一冷凝器14、吸收器18、蒸发器20、第二换热器21、第二冷凝器22；氨水分离器9的富氨蒸气出口与透平11连接，透平11连接有发电机12，氨水分离器9的贫氨溶液出口与精馏塔13热源进口连接，透平11和精馏塔13的热源出口与第二换热器21连接，精馏塔13的热源出口与第二换热器21之间设有第一节流阀15。
第二换热器21与第二冷凝器22连接，第二冷凝器22与氨水分离器9的入口连接，第二冷凝器22与氨水分离器9的入口之间设有第三增压泵23；精馏塔13的蒸气出口与第一冷凝器14连接，第一冷凝器14与蒸发器20连接，第一冷凝器14与蒸发器20之间设有第三节流阀19，蒸发器20与吸收器18的气相入口连接，吸收器18的液相入口与精馏塔13的稀氨溶液出口连接，吸收器18的液相入口与精馏塔13的稀氨溶液出口之间设有第二节流阀16；吸收器18的出口与精馏塔13的浓氨溶液入口连接，吸收器18的出口与精馏塔13的浓氨溶液入口之间设有第二增压泵17；
热用户回路流经第一冷凝器14、吸收器18和第二换热器21后与热用户连接；冷用户回路流经蒸发器20后与冷用户连接；
太阳能集热单元与地热能循环单元之间设有第一换热器7，地热能循环单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有蒸汽发生器8，太阳能集热单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有过热器10。
上述太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统的原理及工作方法：
如图3，根据管路中的流动工质的不同，该系统可划分为六个回路，包括导热油回路(实线)、地热水回路(单点划线)、Kalina循环氨水回路(长虚线)、吸收式循环氨水回路(中长虚线)、家用热水回路(双点划线)和冷媒水回路(短虚线)。需要说明的是，图中家用热水回路和冷媒水回路为开式回路，因为后半回路和用户相连的部分在该图中省略掉未画出。
在导热油回路中，首先导热油在太阳能集热器阵列1中被加热至较高温度，然后分为两股，一股送往热力系统，依次在过热器10和第一换热器7中分别加热富氨蒸汽和地热水，最后返回到太阳能集热器阵列1中；另一股送往储热装置(包括储热罐2，热罐3和冷罐4)中将富余的热能储存起来，以备夜晚或阳光不足时使用。另外，设置补燃锅炉5，用于当进入热力系统的导热油温度不能达到要求时加热导热油，以保证热力系统的正常运行。
在地热水回路中，首先地热水从地热井中抽出，经过第一增压泵6提升压力后，再进入到第一换热器7中吸热升温，然后进入到蒸汽发生器8中加热氨水基本溶液，最后地热水回灌到地热井中。
在Kalina循环氨水回路中，氨水基本溶液在蒸汽发生器8中吸热蒸发至两相态，然后进入到氨水分离器9中，分离出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液。富氨蒸汽再进入到过热器10中继续吸热至过热态，然后进入透平11中膨胀做功，驱动同轴连接的发电机12产生电能。贫氨溶液被送至精馏塔13中作为精馏过程的热源释放热量，然后经过第一节流阀15降压后，与透平排汽混合重新生成氨水基本溶液。该股流体进入第二换热器21中释放剩余热量后，再进入第二冷凝器22中被冷却水冷凝为液态，然后经过第三增压泵23升压后，重新送回蒸汽发生器8中吸热。
在吸收式循环氨水回路中，一股浓氨溶液被送入精馏塔13中，经过一系列蒸发、提馏和精馏过程，在精馏塔13上端出口产出氨蒸气，剩余的稀氨溶液从精馏塔13下端出口排出。氨蒸气首先在第一冷凝器14中被冷却为液态氨，然后经过第三节流阀19降压降温，生成低温两相氨流体。该氨流体进入到蒸发器20中蒸发吸热，将冷媒水冷却到5℃左右，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨蒸气，然后输送到吸收器18中。精馏塔13排出的稀氨溶液经过第二节流阀16降压之后，也进入到吸收器18中，吸收饱和氨蒸气，同时释放出热量，重新生成浓氨溶液。浓氨溶液经过第二增压泵17升压之后，再次送回精馏塔13中进行精馏过程。
对于家用热水回路，首先环境温度下的水作为冷却水进入第一冷凝器14中吸收氨蒸气冷凝过程释放的热量，然后再进入到吸收器18中吸收稀氨溶液吸收饱和氨蒸气过程释放的热量，最后进入到第二换热器21中吸收氨水基本溶液的剩余热量，最终温度达到70℃左右，送往用户作为家用热水用。
对于冷媒水回路，环境温度下的水进入到蒸发器20中，被低温两相氨流体直接冷却到5℃左右，然后作为冷媒水送往用户处供中央空调或其他使用。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，包括太阳能集热单元、地热能循环单元、Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元、热用户回路和冷用户回路；
太阳能集热单元包括太阳能集热器阵列(1)和储热装置，太阳能集热器阵列(1)和储热装置通过导热介质回路连接；
地热能循环单元包括地热水回路以及在地热水回路上设置的第一增压泵(6)，地热水回路与地热井连接；
Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元包括氨水分离器(9)、透平(11)、精馏塔(13)、第一冷凝器(14)、吸收器(18)、蒸发器(20)、第二换热器(21)、第二冷凝器(22)；氨水分离器(9)的富氨蒸气出口与透平(11)连接，透平(11)连接有发电机(12)，氨水分离器(9)的贫氨溶液出口与精馏塔(13)热源进口连接，透平(11)和精馏塔(13)的热源出口与第二换热器(21)连接；第二换热器(21)与第二冷凝器(22)连接，第二冷凝器(22)与氨水分离器(9)的入口连接，第二冷凝器(22)与氨水分离器(9)的入口之间设有第三增压泵(23)；精馏塔(13)的蒸气出口与第一冷凝器(14)连接，第一冷凝器(14)与蒸发器(20)连接，蒸发器(20)与吸收器(18)的气相入口连接，吸收器(18)的液相入口与精馏塔(13)的稀氨溶液出口连接；吸收器(18)的出口与精馏塔(13)的浓氨溶液入口连接，吸收器(18)的出口与精馏塔(13)的浓氨溶液入口之间设有第二增压泵(17)；
热用户回路流经第一冷凝器(14)、吸收器(18)和第二换热器(21)后与热用户连接；
冷用户回路流经蒸发器(20)后与冷用户连接；
太阳能集热单元与地热能循环单元之间设有第一换热器(7)，地热能循环单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有蒸汽发生器(8)，太阳能集热单元与Kalina发电循环-氨水吸收式制冷循环单元之间设有过热器(10)。
2.根据权利要求1所述的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，储热装置包括储热罐(2)，储热罐(2)连接有热罐(3)和冷罐(4)。
3.根据权利要求1所述的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，太阳能集热单元还包括补热锅炉(5)，补热锅炉(5)设在导热介质回路上。
4.根据权利要求1所述的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，精馏塔(13)的热源出口与第二换热器(21)之间设有第一节流阀(15)。
5.根据权利要求1所述的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，吸收器(18)的液相入口与精馏塔(13)的稀氨溶液出口之间设有第二节流阀(16)。
6.根据权利要求1所述的太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统，其特征在于，第一冷凝器(14)与蒸发器(20)之间设有第三节流阀(19)。
7.根据权利要求1～6任意一项所述太阳能-地热能混合热源冷热电联供系统的工作方法，其特征在于，包括：
导热介质在导热介质回路中循环，在太阳能集热器阵列(1)中被加热后，导热介质携带热量的一部分被储热装置储存，另一部分用于在过热器(10)中加热富氨蒸气、在第一换热器(7)中加热地热水；
地热水在地热水回路中循环，从地热井抽出后经第一增压泵(6)增压后进入第一换热器(7)吸热升温，然后进入蒸汽发生器(8)加热氨水基本溶液后回灌至地热井中；
氨水基本溶液在蒸汽发生器(8)中吸热蒸发至两相态，然后进入氨水分离器(9)中分离出饱和的富氨蒸汽和饱和的贫氨溶液，富氨蒸汽进入过热器(10)中继续吸热至过热态，然后进入透平(11)中膨胀做功，驱动发电机(12)发电，贫氨溶液进入精馏塔(13)作为热源释放热量，经降压后与透平排汽混合重新生成为氨水基本溶液进入第二换热器(21)中释放剩余热量后，再进入第二冷凝器(22)中被冷却至液态，然后经过第三增压泵(23)升压后，重新送回蒸汽发生器(8)中吸热；
浓氨溶液进入精馏塔(13)中经蒸发、提馏和精馏后，氨蒸气经精馏塔(13)的蒸气出口进入第一冷凝器(14)，剩余的稀氨溶液从精馏塔(13)的稀氨溶液出口进入吸收器(18)，氨蒸气在第一冷凝器(14)中被冷却为液态氨，经过降压降温后生成低温两相氨流体后进入蒸发器(20)中蒸发吸热，冷却冷媒水，吸热后的两相氨流体全部相变为饱和氨蒸气后进入吸收器(18)；稀氨溶液降压后进入吸收器(18)中吸收饱和氨蒸气，同时释放出热量，重新生成浓氨溶液经第二增压泵(17)升压后再次进入精馏塔(13)；
热用户回路中的水依次在第一冷凝器(14)、吸收器(18)和第二换热器(21)中吸收热量后供给热用户；
冷用户回路中的水在蒸发器(20)中被冷却后供给冷用户。
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