CN111828173B - 一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法，所述装置包括：闭式燃气轮机子系统、二氧化碳热力循环子系统、冷热分产子系统以及朗肯循环子系统。本发明设置有多个子系统以实现冷热电三种形式能量的供给；采用多组换热器对燃气轮机闭式循环的热量进行梯级利用能够提升系统发电效率；用冷热联产的形式替代常规的系统冷却器，既能实现系统的多种功能，又能保障系统发电效率不下降；本发明所设计的装置及其控制方法能够高效的冷热电联产，且受地形等限制较少，同时可以根据用户需求进行调整。

Description

一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法
技术领域
本发明属于能源装置及控制技术领域，特别涉及一种微小型燃气轮机(单机功率范围为25～300kW)的冷热电联产装置及其工作控制方法。
背景技术
燃气轮机的冷热电联产是最大幅度利用燃气轮机性能优势，提升能源利用率的有效手段之一；然而，目前常见的利用方式为基于水蒸气等工质进行余热利用等，余热系统回收能力约占整个系统能源利用的三分之一；且目前大部分利用方式均以重型燃气轮机为实施对象，对于微小型燃气轮机的利用探索不够，如果直接利用传统方法进行微小型燃气轮机冷热电联产，则存在以下问题：
1)装置体积不匹配，常规的水蒸气循环装置占地面积大，与微小型燃气轮机的应用场景冲突；
2)余热回收难度大，采用单级回收的方式难以利用较低品质的余热，造成余热利用率降低，发电效率下降。
综上，亟需开发一种微小型燃气轮机冷热电联产装置及其工作、控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置及其工作、控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够实现微小型燃气轮机循环的梯级利用，提升燃气轮机联产循环的发电效率，同时能够实现冷热电三联产。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置，包括：第一压缩机、第一换热器、燃烧室、第一透平、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第二透平、第六换热器、第七换热器、第三透平、发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器；
第一压缩机的出口连通至第一换热器的第一进口，第一换热器的第一出口连通至燃烧室的第一进口；燃烧室设置有燃烧室的第二进口，用于送入燃料；燃烧室的出口连通至第一透平的进口，第一透平的出口与第一换热器的第二进口相连通，第一换热器的第二出口连通至第二换热器的第一进口，第二换热器的第一出口连通至第三换热器的第一进口；第三换热器的第一出口通过第一管路与第五换热器的第一进口相连通，第三换热器的第一出口通过第二管路与第四换热器的第一进口相连通；其中，第一管路上设置有第一控制阀，第二管路上设置有第二控制阀；第五换热器的第一出口连通至第一压缩机的进口，第四换热器的第一出口连通至第一压缩机的进口；
第二换热器的第二出口连通至第二透平的进口，第二透平的出口连通至第六换热器的第一进口，第六换热器的第一出口连通至第七换热器的第一进口，第七换热器的第一出口经冷却器与第三换热器的第二进口相连通；第三换热器的第二出口与第三透平的进口相连通，第三透平的出口与第七换热器的第一进口相连通；第三换热器的第二进口与第七换热器的第二进口相连通，第七换热器的第二出口与第六换热器的第二进口相连通，第六换热器的第二出口与第二换热器的第二进口相连通；
第四换热器的第二出口连通至发生器的第一进口，发生器的第一出口与第四换热器的第二进口相连通；发生器的第二出口经冷凝器、膨胀阀与蒸发器的第一进口相连通，蒸发器的第一出口与吸收器的第一进口相连通，吸收器的出口经溶液泵与发生器的第二进口相连通；发生器的第三出口经减压阀与吸收器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第二压缩机、第八换热器、第四透平和增压泵；
所述第七换热器的第一出口经冷却器与第三换热器的第二进口相连通及第三换热器的第二进口与第七换热器的第二进口相连通替换为：
第七换热器的第一出口与第八换热器的第一进口相连通，第八换热器的第一出口与第二压缩机的进口相连通；第二压缩机的出口与第七换热器的第二进口及第三换热器的第二进口相连通；
第八换热器的第二出口连通至第四透平的进口，第四透平的出口与冷却器的进口相连通，冷却器的出口经增压泵与第八换热器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：冷用户，所述冷用户的出口连通至蒸发器的第二进口，蒸发器的第二出口连通至所述冷用户的进口，所述蒸发器用于为所述冷用户提供冷量。
本发明的进一步改进在于，还包括：热用户，所述热用户的出口连通至第五换热器的第二进口，第五换热器的第二出口与所述热用户的进口相连通，所述第五换热器用于为所述热用户提供热量。
本发明的进一步改进在于，所述微小型燃气轮机的单机功率范围为25～300kW。
本发明的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置的工作方法，包括以下步骤：
空气经第一压缩机压缩后进入第一换热器吸热，此后与燃料在燃烧室进行燃烧；燃烧后的高温工质进入第一透平进行发电，此后依次进入第二换热器、第三换热器、第四换热器/第五换热器完成三级放热回到第一压缩机结束循环。
本发明的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置的工作方法，包括以下步骤：
空气经第一压缩机压缩后进入第一换热器吸热，此后与燃料在燃烧室进行燃烧；燃烧后的高温工质进入第一透平进行发电，此后依次进入第二换热器、第三换热器、第四换热器/第五换热器，完成三级放热后回到第一压缩机，结束循环；
二氧化碳经第二压缩机升压后变成超临界态，分为两部分；一部分进入第三换热器吸收热量，经第三透平进行发电，依次进入第七换热器、第八换热器放热，返回第二压缩机；另一部分依次进入第七换热器、第六换热器吸热、第二换热器吸热，此后进入第二透平进行发电，然后依次进入第六换热器、第七换热器、第八换热器放热后回到第二压缩机，完成循环；
有机工质进入第八换热器吸热，此后进入第四透平进行发电，在冷却器中冷却后进入增压泵增压，回到第八换热器，完成循环。
本发明的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置的控制方法，包括以下步骤：
当用户需要热量时，打开第一控制阀，关闭第二控制阀，第三换热器的第一出口的工质经由第五换热器为用户提供热量；
当用户需要冷量时，打开第二控制阀，关闭第一控制阀，第三换热器的第一出口的工质由第四换热器加热发生器中的制冷剂溶液，溶液中的制冷剂蒸发进入冷凝器进行降温冷凝，然后进入膨胀阀进行降压，降压后的制冷剂经由蒸发器为用户提供冷量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的微小型燃气轮机冷热电联产装置，能够实现燃气轮机循环的梯级利用，并提升整体系统的发电效率，增加系统三联产灵活性，满足用户需求。具体的，本发明设置有多个子系统以实现冷热电三种形式能量的供给；采用多组换热器对燃气轮机闭式循环的热量进行梯级利用能够提升系统发电效率；用冷热联产的形式替代常规的系统冷却器，既能实现系统的多种功能，又能保障系统发电效率不下降；同时，采用的各子系统装置如二氧化碳系统部件小，占地面积小，能够契合微小型燃气轮机的综合利用需求。
本发明的控制方法，用于本发明装置的运行控制，能够根据用户需求合理安排冷热电联产不同子系统的工作，提升经济效益，并提升系统灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置的结构示意图；
图1中，1、第一压缩机；2、第一换热器；3、燃烧室；4、第一透平；5、第二换热器；6、第三换热器；7、第四换热器；8、第五换热器；9、第二透平；10、第六换热器；11、第七换热器；12、第八换热器；13、第二压缩机；14、第三透平；15、热用户；16、发生器；17、冷凝器；18、膨胀阀；19、蒸发器；20、吸收器；21、溶液泵；22、减压阀；23、冷用户；24、第四透平；25、冷却器；26、增压泵；27、第一控制阀；28、第二控制阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明实施例的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置，包括：第一压缩机1、第一换热器2、燃烧室3、第一透平4、第二换热器5、第三换热器6、第四换热器7、第五换热器8、第二透平9、第六换热器10、第七换热器11、第八换热器12、第二压缩机13、第三透平14、热用户15、发生器16、冷凝器17、膨胀阀18、蒸发器19、吸收器20、溶液泵21、减压阀22、冷用户23、第四透平24、冷却器25、增压泵26、第一控制阀27和第二控制阀28。
本发明实施例的冷热电联产装置包括：闭式燃气轮机子系统、二氧化碳热力循环子系统、冷热分产子系统以及朗肯循环子系统。
本发明实施例中，闭式燃气轮机子系统包括：第一压缩机1、第一换热器2、燃烧室3、第一透平4、第二换热器5、第三换热器6、第四换热器7和第五换热器8；其中，第一压缩机1的出口连接至第一换热器2的第一进口，第一换热器2的第一出口连接至燃烧室3的第一进口，燃料由燃烧室3的第二进口送入并完成燃烧，此后高温工质通过燃烧室3的出口连接至第一透平4的进口，第一透平4的出口与第一换热器2的第二进口相连，第一换热器2的第二出口连接至第二换热器5的第一进口，第二换热器5的第一出口连接至第三换热器6的第一进口，第三换热器6的第一出口分别连接至第一控制阀27及第二控制阀28，第一控制阀27连接至第五换热器8的第一进口，第五换热器8的第一出口连接至第一压缩机1的进口；第二控制阀28连接至第四换热器7的第一进口，第四换热器7的第一出口连接至第一压缩机1的进口。
本发明实施例中，二氧化碳热力循环子系统包括：第二换热器5、第三换热器6、第二透平9、第六换热器10、第七换热器11、第八换热器12、第二压缩机13、第三透平14；其中，第二换热器5的第二出口连接至第二透平9的进口，第二透平9的出口连接至第六换热器10的第一进口，第六换热器10的第一出口连接至第七换热器11的第一进口，第七换热器11的第一出口与第八换热器12的第一进口相连，第八换热器12的第一出口连接至第二压缩机13的进口，第二压缩机13的出口与第三换热器6的第二进口相连，第三换热器6的第二出口经第三透平14连接至第七换热器11的第一进口，同时第二压缩机13的出口与第七换热器11的第二进口相连，第六换热器10的第二出口连接至第二换热器5的第二进口。
本发明实施例中，冷热分产子系统包括：第四换热器7、第五换热器8、热用户15、发生器16、冷凝器17、膨胀阀18、蒸发器19、吸收器20、溶液泵21、减压阀22、冷用户23；其中，热量生产子系统中，热用户15连接至第五换热器8的第二进口并完成吸热后从第五换热器8的第二出口返回至热用户15以提供热量；冷量生产子系统中，发生器16的第一出口与第四换热器7的第二进口相连，第四换热器7的第二出口连接至发生器16的第一进口，发生器16的第二出口与冷凝器17进口相连，冷凝器17出口连接至膨胀阀18进口，膨胀阀18出口与蒸发器19的第一进口相连，蒸发器19的第一出口与吸收器20的第一进口相连，吸收器20的出口通过溶液泵21连接至发生器16的第二进口；此外优选的，发生器16的第三出口通过减压阀22连接至吸收器20的第二进口，冷用户23连接至蒸发器19的第二进口并完成热量释放后从蒸发器19的第二出口返回至冷用户23以提供冷量。
本发明实施例中，朗肯循环子系统包括：第八换热器12、第四透平24、冷却器25和增压泵26；其中，第八换热器12的第二出口连接至第四透平24的进口，第四透平的出口与冷却器25的进口相连，冷却器25的出口连接至增压泵26的进口，增压泵26的出口与第八换热器12的第二进口相连。
本发明实施例的一种微小型燃气轮机冷热电联产装置的控制方法，具体包括以下步骤：
发电时期，闭式燃气轮机子系统、二氧化碳热力循环子系统及朗肯循环子系统工作。
闭式燃气轮机子系统发电：空气经第一压缩机1压缩后进入第一换热器2吸热，此后与燃料在燃烧室3进行燃烧，燃烧后的高温工质进入第一透平4进行发电；此后进入第二换热器5、第三换热器6、第四换热器7(或者第五换热器8)完成三级放热回到第一压缩机1结束循环；
二氧化碳热力循环子系统发电：二氧化碳经第二压缩机13升压后变成超临界态，此后一部分进入第三换热器6吸收热量，并经过第三透平14进行发电，然后进入第七换热器11放热，在回到第八换热器12进一步放热再返回第二压缩机13；另一部分二氧化碳工质进入第七换热器11吸热，再进入第六换热器10吸热，再进入第二换热器5吸收热量，此后进入第二透平9进行发电，然后进入第六换热器10、第七换热器11以及第八换热器12放热后回到第二压缩机13完成循环。
朗肯循环子系统发电：有机工质进入第八换热器12吸热，此后进入第四透平24进行发电，并在冷却器25中冷却后进入增压泵26增压回到第八换热器12，完成循环。
本发明实施例在完成发电任务的过程中，用户可能存在热需求也可能存在冷需求，因此需要按用户要求进行调节。
当用户需要热量时，打开第一控制阀27，关闭第二控制阀28，此时，第三换热器6出口的工质可经由第五换热器8为热用户15提供热量；
当用户需要冷量时，打开第二控制阀28，关闭第一控制阀27，此时第三换热器6出口的工质可由第四换热器7加热发生器16中的制冷剂溶液，此时溶液中的低沸点制冷剂蒸发进入冷凝器17进行降温冷凝，随后进入膨胀阀18进行降压，降压后的制冷剂经由蒸发器19为冷用户23提供冷量，此后在吸收器20中与低浓度的制冷剂溶液(此时的低浓度的制冷剂溶液来自发生器16，并经减压阀22绝热节流后压力下降)混合并经由溶液泵21送至发生器16中完成制冷循环。
本发明实施例的控制方法能够实现：根据用户需要进行快速便捷的冷热量切换功能，且不损害装置进行发电的效率及功率。
综上所述，本发明提供了一种微小型燃气轮机冷热电联产装置及其控制方法，能够实现根据用户需要进行冷热电联产，且发电效率高浪费少。具体的，本发明设置有多个子系统以实现冷热电三种形式能量的供给；采用多组换热器对燃气轮机闭式循环的热量进行梯级利用能够提升系统发电效率；用冷热联产的形式替代常规的系统冷却器，既能实现系统的多种功能，又能保障系统发电效率不下降；同时，采用的各子系统装置如二氧化碳系统部件小，占地面积小，能够契合微小型燃气轮机的综合利用需求。本发明所设计的装置及其控制方法能够高效的冷热电联产，且受地形等限制较少，同时可以根据用户需求进行调整。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置，其特征在于，包括：第一压缩机(1)、第一换热器(2)、燃烧室(3)、第一透平(4)、第二换热器(5)、第三换热器(6)、第四换热器(7)、第五换热器(8)、第二透平(9)、第六换热器(10)、第七换热器(11)、第三透平(14)、发生器(16)、冷凝器(17)、蒸发器(19)、吸收器(20)；
第一压缩机(1)的出口连通至第一换热器(2)的第一进口，第一换热器(2)的第一出口连通至燃烧室(3)的第一进口；燃烧室(3)设置有燃烧室(3)的第二进口，用于送入燃料；燃烧室(3)的出口连通至第一透平(4)的进口，第一透平(4)的出口与第一换热器(2)的第二进口相连通，第一换热器(2)的第二出口连通至第二换热器(5)的第一进口，第二换热器(5)的第一出口连通至第三换热器(6)的第一进口；第三换热器(6)的第一出口通过第一管路与第五换热器(8)的第一进口相连通，第三换热器(6)的第一出口通过第二管路与第四换热器(7)的第一进口相连通；其中，第一管路上设置有第一控制阀(27)，第二管路上设置有第二控制阀(28)；第五换热器(8)的第一出口连通至第一压缩机(1)的进口，第四换热器(7)的第一出口连通至第一压缩机(1)的进口；
第二换热器(5)的第二出口连通至第二透平(9)的进口，第二透平(9)的出口连通至第六换热器(10)的第一进口，第六换热器(10)的第一出口连通至第七换热器(11)的第一进口，第七换热器(11)的第一出口经冷却器(25)与第三换热器(6)的第二进口相连通；第三换热器(6)的第二出口与第三透平(14)的进口相连通，第三透平(14)的出口与第七换热器(11)的第一进口相连通；第三换热器(6)的第二进口与第七换热器(11)的第二进口相连通，第七换热器(11)的第二出口与第六换热器(10)的第二进口相连通，第六换热器(10)的第二出口与第二换热器(5)的第二进口相连通；
第四换热器(7)的第二出口连通至发生器(16)的第一进口，发生器(16)的第一出口与第四换热器(7)的第二进口相连通；发生器(16)的第二出口经冷凝器(17)、膨胀阀(18)与蒸发器(19)的第一进口相连通，蒸发器(19)的第一出口与吸收器(20)的第一进口相连通，吸收器(20)的出口经溶液泵(21)与发生器(16)的第二进口相连通；发生器(16)的第三出口经减压阀(22)与吸收器(20)的第二进口相连通；
还包括：第二压缩机(13)、第八换热器(12)、第四透平(24)和增压泵(26)；所述第七换热器(11)的第一出口经冷却器(25)与第三换热器(6)的第二进口相连通及第三换热器(6)的第二进口与第七换热器(11)的第二进口相连通替换为：第七换热器(11)的第一出口与第八换热器(12)的第一进口相连通，第八换热器(12)的第一出口与第二压缩机(13)的进口相连通；第二压缩机(13)的出口与第七换热器(11)的第二进口及第三换热器(6)的第二进口相连通；第八换热器(12)的第二出口连通至第四透平(24)的进口，第四透平(24)的出口与冷却器(25)的进口相连通，冷却器(25)的出口经增压泵(26)与第八换热器(12)的第二进口相连通；
所述微小型燃气轮机的单机功率范围为25～300kW。
2.根据权利要求1所述的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置，其特征在于，还包括：冷用户(23)，所述冷用户(23)的出口连通至蒸发器(19)的第二进口，蒸发器(19)的第二出口连通至所述冷用户(23)的进口，所述蒸发器(19)用于为所述冷用户(23)提供冷量。
3.根据权利要求1所述的一种微小型燃气轮机的冷热电联产装置，其特征在于，还包括：热用户(15)，所述热用户(15)的出口连通至第五换热器(8)的第二进口，第五换热器(8)的第二出口与所述热用户(15)的进口相连通，所述第五换热器(8)用于为所述热用户(15)提供热量。
4.一种权利要求1所述的微小型燃气轮机的冷热电联产装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
空气经第一压缩机(1)压缩后进入第一换热器(2)吸热，此后与燃料在燃烧室(3)进行燃烧；燃烧后的高温工质进入第一透平(4)进行发电，此后依次进入第二换热器(5)、第三换热器(6)、第四换热器(7)/第五换热器(8)，完成三级放热后回到第一压缩机(1)，结束循环；
二氧化碳经第二压缩机(13)升压后变成超临界态，分为两部分；一部分进入第三换热器(6)吸收热量，经第三透平(14)进行发电，依次进入第七换热器(11)、第八换热器(12)放热，返回第二压缩机(13)；另一部分依次进入第七换热器(11)、第六换热器(10)吸热、第二换热器(5)吸热，此后进入第二透平(9)进行发电，然后依次进入第六换热器(10)、第七换热器(11)、第八换热器(12)放热后回到第二压缩机(13)，完成循环；
有机工质进入第八换热器(12)吸热，此后进入第四透平(24)进行发电，在冷却器(25)中冷却后进入增压泵(26)增压，回到第八换热器(12)，完成循环。
5.一种权利要求1所述的微小型燃气轮机的冷热电联产装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当用户需要热量时，打开第一控制阀(27)，关闭第二控制阀(28)，第三换热器(6)的第一出口的工质经由第五换热器(8)为用户提供热量；
当用户需要冷量时，打开第二控制阀(28)，关闭第一控制阀(27)，第三换热器(6)的第一出口的工质由第四换热器(7)加热发生器(16)中的制冷剂溶液，溶液中的制冷剂蒸发进入冷凝器(17)进行降温冷凝，然后进入膨胀阀(18)进行降压，降压后的制冷剂经由蒸发器(19)为用户提供冷量。
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