CN111425316A - 基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法，包括：内燃机单元，作为动力设备，是系统对外输出功以及余热的来源；余热回收单元，回收内燃机单元产生的余热；烟气回注单元，用于根据系统工况的变化控制抽取不同品质的烟气回注内燃机单元；以及热水换热单元，以热水的形式回收内燃机单元的余热。进行调控时，空气经压气机压缩冷却后进入内燃机，与燃料混合燃烧并产生电能并排出高温烟气；高温烟气经过涡轮进行膨胀做功，驱动压气机继续压缩空气；通过余热回收单元回收涡轮出口的排烟余热；通过烟气回注单元控制从不同的抽气位置抽取并向压气机入口回注不同品质烟气，以匹配系统变工况调控。

Description

基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法

技术领域

本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法。

背景技术

分布式供能系统是一种分布在用户侧兼备发电、供冷以及供热功能的总能系统。随着行业能源与信息技术的快速发展，分布式供能系统已经凭借着节能环保、电力供应可靠性高等一系列优势，成为全球能源产业的一个重要发展方向。典型分布式冷热电供能系统按照能量梯级利用的原则，来自燃料燃烧的高温余热驱动动力设备(燃气轮机、内燃机等)产生电能，中温余热驱动吸收式制冷机产生冷量，低温余热用来直接供热或产生生活热水。

分布式供能系统作为一种多能输出、高效节能以及可靠稳定的能源供应方式已经被世界各地广泛应用。理想状态下，系统按照额定设计条件，高效稳定的输出多种能源以满足用户冷热电需求。然而受到环境气温等外界条件变化的影响，用户的用能需求并不固定，例如在寒冷的冬季以及炎热的夏季用户热负荷以及冷负荷比较高，然而在过渡季节，用户冷热负荷很低，为了满足用户不断变化的负荷，分布式供能系统通常偏离设计工况运行，即所谓的变工况运行。这种供能侧与用能侧不匹配将造成分布式供能系统热力特性、环保特性以及经济特性急剧变差。随着分布式供能系统的快速发展和大规模应用，改善分布式供能系统变工况特性变得越来越重要。

由于燃气内燃机发电效率高、操作简单、易于维护以及调节能力较强等诸多优点，基于内燃机的分布式冷热电联供系统是分布式能源最常用的形式。基于内燃机的分布式冷热电联供系统直接满足用户负荷需求，随着用户负荷的不断变化，系统处于变工况条件下运行。改变节气门开度影响进气流量调节以及改变喷入燃料量影响燃烧温度调节是两种常用的变工况调控手段。前者增加节流损失，内燃机作功能力下降，变工况条件下发电效率降低，后者减小排烟温度，可利用余热减少，变工况条件下系统能源利用效率降低。目前，针对于燃气内燃机变工况所存在的问题，还没有有效的解决方式，变负荷运行过程中，系统变工况性能快速下降，严重影响系统能源利用效率。本发明为进一步改善基于燃气内燃机的分布式冷热电联供系统变工况性能提供了理论基础，对燃气分布式能源发展具有重要的意义。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法，以缓解现有技术中燃气内燃机变工况、变负荷运行过程中，系统变工况性能快速下降，严重影响系统能源利用效率等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统，包括：内燃机单元，作为动力设备，是系统对外输出功以及余热的来源；余热回收单元，回收内燃机单元产生的余热并进行不同形式的余热利用；烟气回注单元，用于根据系统工况的变化控制抽取不同品质的烟气回注内燃机单元调整内燃机输出功率并改善系统变工况性能；以及热水换热单元，以热水的形式回收内燃机单元的余热。

在本公开实施例中，所述内燃机单元，包括：压气机，用于压缩空气；内燃机，使经过空气冷却器冷却后的压缩空气与燃料混合燃烧推动活塞做功产生电能并排出高温烟气；以及涡轮，利用高温烟气膨胀做功驱动压气机压缩空气。

在本公开实施例中，所述热水换热单元，包括：空气冷却器，与压气机相连，用于回收压缩空气的余热；以及缸套水换热器，与内燃机相连，以热水的形式回收内燃机产生的余热；

在本公开实施例中，所述烟气回注单元用于控制从不同的抽气位置抽取不同品质烟气并回注至压气机入口，以控制空气质量流量。

在本公开实施例中，所述抽气位置包括：内燃机的出口，涡轮的出口，以及余热回收单元的出口。

在本公开实施例中，所述内燃机的出口，涡轮的出口，以及余热回收单元的出口的烟气温度依次降低。

在本公开实施例中，根据用户负荷变化情况选择烟气抽气位置和抽气量以匹配系统变工况运行情况。

在本公开实施例中，回注至压气机入口烟气温度越高，入口通入的空气密度越低，质量流量越低。

在本公开的另一方面，提供一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统的调控方法，利用以上任一项所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统进行调控，所述调控方法包括：步骤S1：来自环境的空气经压气机压缩后，再通过空气冷却器冷却后进入内燃机，与燃料混合燃烧并产生电能并排出高温烟气；步骤S2：内燃机排出的高温烟气经过涡轮进行膨胀做功，进而驱动压气机继续压缩空气；步骤S3：通过余热回收单元回收涡轮出口的排烟余热；以及步骤S4：通过烟气回注单元控制从不同的抽气位置抽取并向压气机入口回注不同品质烟气，以匹配系统运行工况，完成基于内燃机的分布式冷热电联供系统的变工况调控。

在本公开实施例中，系统运行工况包括额定工况和变工况；在变工况运行时，根据变工况条件下系统负荷率变化情况，在空气进入压气机之前，先与不同抽气位置回注的烟气进行掺混，混合均匀达到要求的温度后，再进入压气机中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)改变了现有燃气内燃机通过节气门开度影响进气流量调节以及通过燃料供给量影响燃烧温度调节，减小节流过程中的不可逆损失，同时减小进气过程中空气质量流量，维持排烟温度始终在较高水平，强化余热利用过程中有效回收高品质余热，提高分布式能源系统能源利用效率；

(2)有效回收了余热利用过程后排出的低品质余热，体现了能的梯级利用的理念；

(3)采用回注烟气余热利用过程中不同品质的烟气，减小燃烧过程中氧气的含量，降低最高燃烧温度，有效减少高温燃烧过程热力NO_X等污染物产生，减少污染物排放。同时增加排烟中二氧化碳浓度，降低碳捕及过程中的能量消耗；

(4)采用直接回注烟气余热利用过程中不同品质的烟气，不需要增加额外换热设备间接加热空气，降低流动与换热损失。

附图说明

图1为本公开实施例的基于内燃机的分布式冷热电联供系统的组成架构示意图。

图2为本公开实施例的基于内燃机的分布式冷热电联供系统的具体组成示意图。

图3为本公开实施例的基于内燃机的分布式冷热电联供系统调控方法的流程示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-压气机；2-空气冷却器；3-内燃机；4-缸套水换热器；5-涡轮；6-余热回收单元。

具体实施方式

本公开提供了一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法，其内燃机的出功量与进入气缸内的空气质量流量成正比，当通过回注部分烟气，升高压气机进口空气温度，减小空气密度，从而减小进入气缸内的空气质量流量。相比于常用的节气门调节与燃料量调节两种方式，既减小了节气门调节过程中的节流损失，也有效的保证了内燃机内燃烧温度，得到较高品质烟气余热，有利于余热利用设备回收利用，有效提高基于内燃机的分布式冷热电联供系统能源利用效率。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统，结合图1和图2所示，所述基于内燃机的分布式冷热电联供系统，包括：

内燃机单元，作为动力设备，是系统对外输出功以及余热的来源；

余热回收单元，回收内燃机单元产生的余热并进行不同形式的余热利用；

烟气回注单元，用于根据内燃机单元工况的变化控制不同品质的烟气回注调整内燃机输出功率并改善系统变工况性能；以及

热水换热单元，以热水的形式回收内燃机单元的余热。

所述内燃机单元，包括：

压气机1，用于压缩空气；

内燃机3，使经过空气冷却器2冷却后的压缩空气与燃料混合燃烧推动活塞做功产生电能并排出高温烟气；以及

涡轮5，利用高温烟气膨胀做功驱动压气机1压缩空气。

所述烟气回注单元，用于控制从不同的抽气位置抽取不同品质烟气并回注至压气机入口；回注的烟气与压气机1入口空气混合，改变入口空气温度并影响空气质量流量。所述抽气位置包括：内燃机3的出口，涡轮5的出口以及余热回收单元6的出口；上述抽气位置的烟气温度依次降低，实现不同空气温度的调节。具体选择烟气抽气位置和抽气量要根据用户负荷变化情况以匹配燃气轮机分布式冷热电联供系统变工况运行情况进行灵活调整。

所述烟气回注单元控制空气质量流量的方式为，通过回注具有一定温度的烟气，回注烟气温度越高，压气机1入口空气密度越低，质量流量越低。

所述余热回收单元6与所述涡轮5出口相连，回收涡轮5出口排烟余热，可以通过不同的余热利用形式实现做功、制冷以及制热。

所述热水换热单元，包括：

空气冷却器2，与所述压气机相连，用于回收压缩空气的余热；以及

缸套水换热器4，与所述内燃机3相连，以热水的形式回收内燃机产生的余热；

所述热水换热单元回收不同品位的余热，实现为用户供暖或者余热回收单元6对低温余热的需求。

基于内燃机的分布式冷热电联供系统常用的变工况调控方法包括节气门调节与燃料量调节两种方式。受制于压气机最高进口温度的限制，通过回注部分尾气的调控方法可以实现部分变工况过程的调节。要实现全工况过程调整，需要与常用的节气门调节或燃料量调节两种方式相结合，进行混合调控。

本公开还提供一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统的调控方法，如图3所示，所述调控方法包括：

步骤S1：来自环境的空气经压气机1压缩后，再通过空气冷却器2冷却后进入内燃机3，与燃料混合燃烧并产生电能并排出高温烟气；满足用户对电能的需求。

步骤S2：内燃机排出的高温烟气经过涡轮5进行膨胀做功，进而驱动压气机1继续压缩空气。

步骤S3：通过余热回收单元6回收涡轮5出口的排烟余热；

所述余热回收单元6回收的余热可以通过有机朗肯循环、烟气吸收式制冷机以及热水换热单元等余热利用形式实现做功、制冷以及制热。

空气冷却器2和缸套水换热器组成的热水换热单元以热水的形式回收不同品位的余热，满足为用户供暖或者余热回收单元6对低温余热的需求。

步骤S4：进行上述步骤时，通过烟气回注单元控制从不同的抽气位置抽取并向压气机入口回注不同品质烟气，以匹配系统运行工况，完成基于内燃机的分布式冷热电联供系统的变工况调控。

在额定工况运行时，来自环境的空气直接经压气机1压缩，尾气回注单元所有控制阀门关闭，不在任何控制点进行烟气抽取，高温高压的空气经空气冷却器2冷却后进入内燃机3内与燃料混合燃烧并产生电能，满足用户对电能的需求。内燃机排出的全部高温烟气首先经过涡轮5膨胀做功，驱动压气机1压缩空气。烟气余热回收单元6回收涡轮5出口全部的排烟余热，进行余热的梯级利用，满足用户的负荷需求。最后，余热回收单元6排出的所有烟气直接进排放入环境。

在变工况运行时，根据变工况条件下系统负荷率变化情况，在进入压气机1之前，先与不同抽气位置回注的烟气进行掺混，混合均匀达到要求的温度后，进入压气机1中。

从余热回收单元6之后抽出部分尾气进行回注，与空气混合均匀达到所需温度后，通入压气机1入口，混合后空气密度降低，质量流量减小，减小内燃机输出功率，同时由于输入空气温度的提高，保证燃烧温度，内燃机排烟温度升高，增加变工况条件下可利用高品质余热，提高系统能源利用效率。

从余热回收单元6之前抽出部分尾气进行回注，与空气混合均匀达到所需温度后，通入压气机1入口。因通过余热回收单元6的烟气流量降低，系统输出的制冷以及制热量降低。

从进入涡轮5之前抽出部分尾气进行回注，与空气混合均匀达到所需温度后，通入压气机1入口。因通过涡轮5烟气质量流量降低，输出功减少，压气机1压比降低的同时入口空气密度减小，流通空气质量流量降低，内燃机输出功率降低。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统及其调控方法，该系统包括内燃机单元，烟气回注单元、余热回收单元以及热水换热单元，其中：内燃机单元，作为动力设备，是系统对外输出功以及余热的来源；烟气回注单元，根据内燃机工况的变化，用于回注烟气利用过程不同品质的烟气，改善基于内燃机的分布式冷热电联供系统变工况性能；余热回收单元以及热水换热单元，用于回收系统不同品质余热，提高系统能源利用效率。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统，包括：

内燃机单元，作为动力设备，是系统对外输出功以及余热的来源；

余热回收单元，回收内燃机单元产生的余热并进行不同形式的余热利用；

烟气回注单元，用于根据系统工况的变化控制抽取不同品质的烟气回注内燃机单元调整内燃机输出功率并改善系统变工况性能；以及

热水换热单元，以热水的形式回收内燃机单元的余热。

2.根据权利要求1所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，所述内燃机单元，包括：

压气机，用于压缩空气；

内燃机，使经过空气冷却器冷却后的压缩空气与燃料混合燃烧推动活塞做功产生电能并排出高温烟气；以及

涡轮，利用高温烟气膨胀做功驱动压气机压缩空气。

3.根据权利要求1所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，所述热水换热单元，包括：

空气冷却器，与压气机相连，用于回收压缩空气的余热；以及

缸套水换热器，与内燃机相连，以热水的形式回收内燃机产生的余热。

4.根据权利要求1所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，所述烟气回注单元用于控制从不同的抽气位置抽取不同品质烟气并回注至压气机入口，以控制空气质量流量。

5.根据权利要求4所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，所述抽气位置包括：内燃机的出口，涡轮的出口，以及余热回收单元的出口。

6.根据权利要求5所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，所述内燃机的出口，涡轮的出口，以及余热回收单元的出口的烟气温度依次降低。

7.根据权利要求6所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，根据用户负荷变化情况选择烟气抽气位置和抽气量以匹配系统变工况运行情况。

8.根据权利要求4所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统，回注至压气机入口烟气温度越高，入口通入的空气密度越低，质量流量越低。

9.一种基于内燃机的分布式冷热电联供系统的调控方法，利用以上权利要求1至8任一项所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统进行调控，所述调控方法包括：

步骤S1：来自环境的空气经压气机压缩后，再通过空气冷却器冷却后进入内燃机，与燃料混合燃烧并产生电能并排出高温烟气；

步骤S2：内燃机排出的高温烟气经过涡轮进行膨胀做功，进而驱动压气机继续压缩空气；

步骤S3：通过余热回收单元回收涡轮出口的排烟余热；以及

步骤S4：通过烟气回注单元控制从不同的抽气位置抽取并向压气机入口回注不同品质烟气，以匹配系统运行工况，完成基于内燃机的分布式冷热电联供系统的变工况调控。

10.根据权利要求9所述的基于内燃机的分布式冷热电联供系统的调控方法，系统运行工况包括额定工况和变工况；在变工况运行时，根据变工况条件下系统负荷率变化情况，在空气进入压气机之前，先与不同抽气位置回注的烟气进行掺混，混合均匀达到要求的温度后，再进入压气机中。

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