CN111512096B - 用于锅炉的热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

热电联产系统(200,300)，包括锅炉(201,301)，能够热水用于家庭使用；燃烧器(201a,301a)，放置入锅炉，燃烧烟气从中出来；压缩机(204、304)，用于气态流体；热交换器(202,302)，其用于燃烧器中产生的燃烧烟气和从压缩机出来的流体之间的热能交换；燃气涡轮机(203,303)，接收从热交换器压缩和加热的流体；电流发生器(205,305)和电流转换器(206,306)，连接到燃气涡轮机能够生成电能；主烟气/水交换器(207,307)，布置在热交换器之后能够在燃烧器中产生的烟气和水间回收热能；布置在涡轮之前的旁通阀(210,310)，配置为调节进入燃气涡轮机的一部分流体的流量及重定向的流体的剩余流量。还包括附加热交换器(209,309)，布置成回收从涡轮机出来的一部分流体及由旁通阀重定向的流体的剩余流量的剩余热能，及对进入主热交换器中的水预热。

Description

用于锅炉的热电联产系统
技术领域
本发明涉及一种用于锅炉的热电联产系统。
本发明尤其涉及一种用于锅炉的热电联产系统，例如用于家庭使用的锅炉或者用于蒸汽生成锅炉。
背景技术
众所周知，用于热水生产的通用家用锅炉通常在室温(Tamb)下使用燃料(液体或气体)与空气(氧化剂)燃烧。通常，在锅炉中，有一个热绝缘的燃烧室，在该燃烧室中插入一个主交换器，要被加热的工作流体，通常是水，在该主交换器中以15℃至80℃之间的温度流动。
公知了一种应用于锅炉的热电联产系统，诸如专利申请CN105222203中所描述的锅炉，该专利申请描述了一种具有气体-蒸汽热电联产系统的加热设备。
但是，已知的用于锅炉的热电联产系统并未针对民用和家庭应用进行优化，并且笨重且昂贵。此外，在已知的热电联产系统中，一旦通过燃烧提供的功率固定，则热能的产生与电能的产生相关联，因此它们的比率不能改变。由于该限制，如果仅应增加一部分热能，则有必要增加所提供的能量，结果也将增加电能的产生。因此，在已知的系统中，产生的热能的量与产生的电能的量结合。
试图解决这些问题的解决方案是专利申请DE102009057100，其公开了一种用于具有燃气涡轮机、压缩机和电流发生器的小型住宅单元的电能-热能热电联产系统。燃气涡轮机的膨胀机，压缩机和电流发生器布置在同一根轴上。通过压缩机将用于轴承的气体达到正压。工作气体是惰性气体，例如氦气。
专利GB1309586描述了对上述问题的解决方案，此专利报告了一种用于利用在催化裂化装置中积累的燃料气体的能量内含物的工艺。能量被从出现在裂化装置中的催化剂的再生中产生的燃料气体回收，通过压缩机提供空气用于再生，将燃料气体通过气旋通入涡轮机，在涡轮机的下游的催化CO锅炉中燃烧气体中的CO，在CO锅炉中加热来自压缩机的多余气体，并且混合该被加热的空气与气旋上游的燃烧气体。燃料气体中剩余的热能够用于在气体通入烟囱之前提升气流。
该方案的问题是，所生产的能量不能够被调节，并且不能够以可变方式分隔为电部分和热部分。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于锅炉的热电联产系统，其回收燃烧烟气的热量以将其转化为电能和热能，从而可以根据需要修改要转化成电能的部分与旨在产生热能的部分之间的比例。该电性参数将总产量保持固定在其最大值，从而克服了已知技术解决方案的局限性。
此外，本发明的目的是，提供一种用于锅炉的热电联产系统，其是有效的、经济的以及不笨重的。
最后，本发明的目的是，提供一种用于锅炉的热电联产系统，该热电联产系统允许产生热能，如果需要的话可以产生电能，并且始终保持总产量固定。
根据本发明提供了一种如权利要求1限定的用于锅炉的热电联产系统。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参考附图，仅以非限制示例的方式描述优选实施例，其中：
图1示出了根据本发明用于锅炉的热电联产系统的第一实施例的方框图；
-图2示出了根据本发明用于锅炉的热电联产系统的第二实施例的方框图。
具体实施方式
参考附图，示出了根据本发明的系统200、300。
用于锅炉的热电联产系统200、300包括：锅炉201、301，其能够优选地用于家庭用水的加热，在内部包括液体或气体燃料的燃烧器201a、301a；压缩机204、304；热交换器202、302，其用于在由所述燃烧器201a、301a产生的燃烧烟气与从所述压缩机204、304出来的流体之间进行热能交换；燃气涡轮机，其对由所述热交换器202、302压缩和加热的流体进行作业；电流发生器205、305和电流转换器206、306，连接到燃气涡轮机203、303，能够产生电能；以及主烟气/水交换器207、307，其布置在所述热交换器202、302之后，能够回收包含在燃烧烟气中的未被所述热交换器202、302吸收的燃烧器201a、301a中燃烧产生的热能的剩余部分。
热电联产系统200、300还包括在所述燃气涡轮机203、303之前的旁通阀210、310，所述旁通阀210、310被配置为调节进入燃气涡轮机203、303且旨在产生电能的经压缩及加热的流体的一部分流量。为了回收流体的剩余流量中包含的热能，流体的剩余流量与从所述燃气涡轮机203、303出来的流体混合，并被送至系统200、300中的热交换器209、309。
根据本发明的一个方面，取决于当前的热和电需求，通过电子控制单元来控制旁通阀210、310的打开和关闭。这种电子控制单元还对所述燃烧器201a、301a中燃烧的燃料量起作用，从而避免了与当前需求相比产生过多的热能和电能。
根据本发明的一个方面，除了旁通阀210、310之外，系统200、300还包括可变几何形状的涡轮机，其也通过电子控制单元被驱动。
根据本发明的一方面，热交换器202是系统200中的烟气/空气热交换器，以及是系统300中的烟气/气态流体。热交换器202、302被配置为吸收烟气的至少5％的热能，使得烟气在大于或等于320℃的温度下通过主烟气/水交换器207、307。
有利地，根据本发明的用于锅炉的热电联产系统200、300甚至在电耗比用于加热的燃料消耗(以kWh为单位)小于30％的情况下，也允许使用热电联产，即：
0.30≥(电kWh)/(热kWh)。
此外，有利地，通过进行适当的改变，热电联产系统200、300可以应用于小型或大型的冷凝式或常规锅炉。
图1和图2示出了用于锅炉的热电联产系统200、300的第一实施例和第二实施例，包括：锅炉201、301，该锅炉201、301包括液体或气体燃料燃烧器201a、301a，连接至燃烧器201a、301a的烟气/空气热交换器202、302以及与烟气/空气交换器202、302串联布置的主烟气/水热交换器207、307；压缩机204、304，用于压缩环境空气并将其送至烟气/空气交换器202、302；以及外部燃烧开式循环燃气涡轮机203、303，其由烟气/空气交换器202、302供热并与燃烧器201a、301a连接。
通过将烟气/空气交换器202、302布置在锅炉内部，有利地，系统200、300吸收通过燃烧产生的一部分热能，将其转换成电能，并回收在这种转换中损失的一部分热能。
例如，在使用家用锅炉的公寓中，电kWh与热kWh之比<0.10，即，一年中公寓的平均电能需求大约等于用于加热的气体的需求(以kWh表示)的10％。因此，在这样的条件下，烟气/空气交换器202、302将吸收烟气的10％的热能，因此在家用锅炉的情况下，烟气将不再在350℃而是大约在325℃下通过主烟气/水交换器207、307。
有利地，根据本发明，主烟气/水交换器207、307被配置用于包含在燃烧烟气中的热量的热回收。
有利地，根据本发明，由燃烧器201a、301a产生的未被转移到烟气/空气交换器202、302的一部分热能(优选大于70％)将通过烟气转移到主烟气/水交换器207、307来加热水。
根据本发明的一个方面，产生直流(DC)或交流(AC)电流的电流发生器205、305，以及无论是DC/DC，DC/AC还是AC/AC转换器的电流转换器206、306，能够产生符合电网技术规范的电能。
在使用中，压缩机204、304压缩从环境中获取的空气，并将其送到烟气/空气交换器202、302，在此，空气本身获得锅炉201、301中的燃烧器201a、301a产生的热能的一部分。如此加热的空气进入涡轮机203、303，空气在涡轮机中膨胀，产生能量，使得电流发生器205、305(DC或AC)和电流转换器206、306将按照电网的技术规范转换电能。
根据本发明的一个方面，从涡轮机203、303出来的空气在锅炉201、301中与燃烧空气混合。
有利地，离开涡轮机203、303的空气通过混合或直接进入锅炉201、301以促进高温的实现，空气的残余热能被回收，从而增加了供给锅炉201、301的燃烧器201a、301a的燃烧空气的温度。
有利地，系统200、300允许通过开式循环燃气涡轮机203、303实现机械能的产生，因此通过电流发生器205、305和转换器206、306实现电能的产生，其剩余的热能与可能已经由旁通阀210、310重定向的流体中存在的热能一起在锅炉中回收。这样，系统200、300的整体效率保持与经典锅炉的热效率相似，但同时利用了同期产生的电能。
有利地，系统200、300产生的电能的百分比大于馈送功率的5％，即使在热能需求(以水或蒸汽的形式)和电能需求相对于第一种非常不平衡的情况下，也允许热电联产。
有利地，在保持总效率固定的情况下，可以通过旁通阀210、310来调节使用的燃料量和电能的产生部分，从而借助旁通阀210、310或不将电流发生器连接到电网，有利于使得热能的产生根据涡轮机中空气的循环而做出适当变化。
系统200、300包括附加热交换器209、309，其能够回收从涡轮机203、303出来的流体的残余热能，以及可能由旁通阀210、310转移的流体的残余热能，并且预热要被加热的进入主交换器207、307的水。
尤其，系统200还包括附加空气/水热交换器209，其连接至涡轮机203，涡轮机203在系统200中是外部燃烧闭式循环涡轮机203。在这种情况下，从涡轮机203出来的空气还与由旁通阀210转移的带有其剩余热能的空气混合，被提供给空气/水交换器209，在这里空气直接将热能释放给在锅炉中要加热的水。
有利地，附加交换器209、309允许水的预热，因此减少了当水从锅炉出来时达到所需温度的等待时间。同时，空气被冷却并达到也可以低于环境温度的温度，例如由压缩机204获取的温度。以此方式，涡轮机循环变为闭式循环，涡轮机/锅炉单元的整体效率接近于第一实施例中的，其优点是涡轮装置中的水加热更快并且能够使用空气，并且最小压力高于大气压力，从而获得较小的总体尺寸，具有相同输出功率或涡轮机性能更高，从而产生更多的电能(始终保持在上述性能百分比范围内)。
在使用中，在系统200中，压缩机204压缩空气并将其送到热交换器202，在该处空气获得由锅炉201中的燃烧器201a产生的热能的一部分。以这种方式被加热的空气以由旁通阀210调节的流量进入涡轮机203，在涡轮机203中空气膨胀从而产生能量，电流发生器205(DC或AC)和电流转换器206将该能量转换成电能。
根据本发明的第二实施例，如图2所示，向压缩机304供应惰性气态流体而不是空气，其特征在于，与空气的特征相比，出于要执行的功能的目的，其特征更有效。
根据本发明的一个方面，燃气涡轮机303是连接到燃烧器301a的外部燃烧封闭循环涡轮机，附加热交换器309是布置在涡轮机303的输出处的气态流体/水交换器，使得剩余的热能被传递到气态流体/水交换器309。
因此，根据本发明的用于锅炉的热电联产系统200、300允许水的受控预热，因此减少了当水从锅炉出来时达到所需温度的等待时间。
有利地，根据本发明，该系统的特征在于，废气排放类似于锅炉的废气排放，因此与产生电能的其他系统所产生的废气相比，排放非常低。
根据本发明的系统的另一优点是，构造简单且易于实现，具有任何功率大小，并且可大规模扩散。
根据本发明的系统的另一个优点是，更快的水加热并且能够使用惰性气体，这是由于以下事实，即，同时将惰性气体冷却并且使其温度达到甚至低于室温的温度，以便由压缩机回收。
根据本发明的用于锅炉的热电联产系统的另一个优点是，对于相同的产生功率，该热电联产系统较小，并且具有涡轮机的较高性能，因此增加了电能的产生。
最终清楚的是，在此描述和示出的用于锅炉的热电联产系统可以进行修改和变型，而不脱离所附权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (3)

1.一种热电联产系统(200、300)，包括：
-锅炉(201、301)，其能够加热水，用于家庭使用；
-液体或气体燃料的燃烧器(201a、301a)，其布置在所述锅炉(201、301)中，燃烧烟气从所述燃烧器中出来；
-热交换器(202、302)，其能够在所述燃烧器(201a、301a)中产生的燃烧烟气以及来自压缩机(204、304)的流体之间交换热能；
-所述压缩机(204、304)，其用于气态流体；
-燃气涡轮机(203、303)，其接收从所述热交换器(202、302)压缩和加热的流体；
电流发生器(205、305)和电流转换器(206、306)，连接至所述燃气涡轮机(203、303)，能够产生电能；
-主烟气/水交换器(207、307)，其布置在所述热交换器(202、302)之后，能够在所述燃烧器(201a、301a)中产生的烟气和水之间回收热能；
-布置在所述涡轮机(203、303)之前的旁通阀(210、310)，所述旁通阀(210、310)配置为调节进入所述燃气涡轮机(203、303)的一部分流体的流量以及重定向的流体的剩余流量，
其特征在于，包括附加热交换器(209、309)，其布置成回收从所述涡轮机(203、303)出来的流体中的剩余热能以及由所述旁通阀(210、310)重定向的剩余流量的流体中包含的热能，以及布置成对进入所述主烟气/水交换器(207、307)中的水进行预热。
2.根据权利要求1所述的热电联产系统(200、300)，其特征在于，所述热电联产系统还包括电子控制单元，所述旁通阀(210、310)的打开和关闭由所述电子控制单元控制。
3.根据权利要求1所述的热电联产系统(200、300)，其特征在于，所述热交换器(202、303)是烟气/气体交换器，配置为吸收烟气的至少5％的热能，使得烟气以高于或等于320℃的温度通过所述主烟气/水交换器(207、307)。
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