CN113090506B - 一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，利用涡流管的特性，将压缩空气分为冷热两股流体，涡流管冷气流出口用于供冷，利用梯级能量利用原理，将热流体的热量通过换热器合理利用，输出电能和热能。同时将压缩空气过程中的级间冷却器所释放的热量也加以利用，使整个系统能量的利用最大化。针对不同的供热、供冷以及供电需求，可以通过调节调压阀、涡流管热气端的阀和水流量等对系统的性能表现做出调整。本发明拥有较高的能量利用率，不仅可以使系统各阶段产生的低品位热能得到有效利用，而且在整个工作过程中无需消耗额外的化石能源，仅用压缩空气作为能量来源，实现冷热电联供，系统运行高效且节能减排。

Description

一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统与方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及压缩空气、涡流管制冷以及冷热电联供(CCHP)领域的能量梯级利用，特别涉及一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统与方法。
背景技术
压缩空气作为能够把各种形态能源转换、储存、取用的“能源多媒体”，具有安全系数高，环境污染小的优点，因此压缩空气作为储能是一种很重要的介质，具有巨大的经济效益与社会效益。但是目前储能系统对于压缩空气的应用，大部分是对压缩空气先加热(无论是燃烧室还是用透平机出口废气余热)，然后再进入膨胀机进行做功，这就会造成化石能源的消耗与温室气体排放的增加。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统与方法，以期实现压缩空气储能的利用最大化，并解决用户的用电、用冷、用热和用水问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，包括调压阀7和涡流管8，调压阀7的出口连接有两条支路，一条支路连接涡流管8的入口，涡流管8的出口分为热气流出口和冷气流出口，调压阀7出口的另一条支路连接3#换热器9的冷源侧入口，3#换热器9的热源侧入口连接涡流管8的热气流出口，热源侧出口连接4#换热器12的热源侧入口，调压阀7的入口连接储气室6的出口，储气室6的入口连接压缩机组合的出口，压缩机组合的入口为系统的空气入口，压缩机组合中配置有对压缩空气降温的换热器组合，换热器组合以冷水为换热介质，其冷源侧出口接4#换热器12的冷源侧入口，4#换热器12的冷源侧出口接热用户为用户提供热能，涡流管8的冷气流出口接冷用户用于供冷，所述3#换热器9的冷源侧出口连接膨胀机10的入口，膨胀机10的出口连接发电机11的入口，带动发电机11产生电能。
所述空气经过压缩机组合增压后进入储气室6进行储存，出储气室6的空气经调压阀7调节压力后进入涡流管8。
所述压缩机组合和换热器组合采用多级压缩、中间冷却的方式。
所述压缩机组合包括依次串接的1#压缩机1、2#压缩机3和3#压缩机5，1#压缩机1的进气口即为压缩机组合的进气口，3#压缩机5的出气口即为压缩机组合的出气口；换热器组合包括1#换热器2和2#换热器4，1#换热器2和2#换热器4的冷源侧入口均为冷水，即换热器组合的进水口，1#换热器2和2#换热器4的冷源侧出口均接4#换热器11的冷源侧入口，1#换热器2和2#换热器4的冷源侧出口即为换热器组合的冷源侧出口，1#压缩机1的出气口接1#换热器2的热源侧入口，1#换热器2的热源侧出口接2#压缩机3的进气口，2#压缩机3的出气口接2#换热器4的热源侧入口，2#换热器4的热源侧出口接3#压缩机5的入口。
各压缩机和膨胀机根据整个系统的空间布局，选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。。
本发明还提供了基于所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统的冷热电联供方法，流程如下：
利用压缩机组合将空气压缩，得到压缩空气；
利用调压阀7将压缩空气调压后分别送入涡流管8和3#换热器9；
压缩空气经涡流管8后输出冷气流和热气流，其中冷气流供给冷用户，热气流供给3#换热器9；
热气流和压缩空气在3#换热器9进行热交换，加热后的压缩空气驱动膨胀机10做功，带动发电机11发电，降温后的热气流供给4#换热器12；
换热器组合的出口热水与降温后的热气流在4#换热器12换热后，供给热用户。
本发明的基本原理在于：
涡流管具有使高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流的特点，因此将压缩空气与涡流管结合应用于冷热电联供，不仅可以充分发挥压缩空气安全系数高和环境污染小的优点，也会减少化石能源的消耗与温室气体的排放。同时冷热电联供系统对各部分热量的充分利用也会使系统整体的能源利用率得到提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、利用涡流管的特性，使压缩空气中所蕴含的能量得到充分利用，并且无需使用额外的化石燃料或燃气，减少温室气体的排放。
2、通过合理的设计管路连接，将各个支路和系统合理的耦合，结构紧凑，占据空间较小。
3、利用能量梯级利用原理，涡流管出口冷气流用于供冷，对涡流管出口热气流进行高效地利用，被加热的部分压缩空气进入膨胀机膨胀做功产生电能，同时热气流的剩余热量继续对冷水进行加热并输送至热用户，从而将各部分热量通过各换热器合理的利用起来，输出电能和热能。
4、在对空气进行压缩的过程中，通过级间冷却器对高温压缩空气所释放的热量进行利用，使整个系统能量的利用最大化。
5、系统在部件上以及形式上选择的多样性使得整个系统适应性更强，同时流量的合理分配使得系统运行更加的灵活。
6、本发明具有很高的能量利用率的同时，也会减少化石燃料的消耗和温室气体的排放，满足用户的用电、用冷、用热和用水需求，具有良好的经济效益和环境效益。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明为一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，包括：
压缩机组合，其入口即为系统的空气入口，空气经过压缩机组合实现增压；
储气室6，入口连接压缩机组合的出口，储存增压后的压缩空气；
调压阀7，入口连接储气室6的出口，进一步调节压缩空气的压力，其出口分为两条支路；
涡流管8，入口连接调压阀7出口的一条支路，出口分为热气流出口和冷气流出冷气流出口接冷用户用于供冷；
3#换热器9，冷源侧入口连接调压阀7出口的另一条支路，热源侧入口连接涡流管8的热气流出口；
4#换热器12，热源侧入口连接3#换热器9的热源侧出口，冷源侧出口接热用户为用户提供热能
换热器组合，以冷水为换热介质，对高温压缩空气降温换，其冷源侧出口接4#换热器12的冷源侧入口；
膨胀机10，入口连接3#换热器9的冷源侧出口
发电机11，入口连接膨胀机10的出口，由膨胀机10带动产生电能。
本发明中，针对压缩要求或者冷水吸收中间冷却过程的热量要求，压缩机组合和换热器组合可采用单级或多级压缩、中间冷却的方式，例如在附图1所示的结构中，选择三级压缩，二级冷却。其中压缩机组合包括依次串接的1#压缩机1、2#压缩机3和3#压缩机5，1#压缩机1的进气口即为压缩机组合的进气口，3#压缩机5的出气口即为压缩机组合的出气口；换热器组合则包括1#换热器2和2#换热器4，1#换热器2和2#换热器4的冷源侧入口均为冷水，即换热器组合的进水口分为两条支路，冷水将高温压缩空气在级间冷却器中释放的热量充分吸收。1#换热器2和2#换热器4的冷源侧出口均接4#换热器11的冷源侧入口，1#换热器2和2#换热器4的冷源侧出口即为换热器组合的冷源侧出口，1#压缩机1的出气口接1#换热器2的热源侧入口，1#换热器2的热源侧出口接2#压缩机3的进气口，2#压缩机3的出气口接2#换热器4的热源侧入口，2#换热器4的热源侧出口接3#压缩机5的入口。
基于上述的系统，本发明工作流程如下：
首先空气通过压缩机组合被压缩至合适压力(0.7～1.1MPa)并被输送至储气室6中，在工作时由调压阀7调节至合适压力(0.5～0.9MPa)，并分成两股气流，一股流入涡流管8中，另一股供给3#换热器9冷源侧入口。流入涡流管8的压缩空气可以被分成冷热两股气流，并通过调节热气端的阀来控制热气流和冷气流的出口温度(﹣46℃～127℃)。热气流用于为用户供冷，热气流进入3#换热器9作为热源对上述另一股压缩空气进行加热，压缩空气被加热至高温高压状态，然后进入膨胀机10膨胀做功，并带动发电机11产生电能。同时，对在所述压缩空气的过程中级间冷却器(即1#换热器2和2#换热器4)释放的热量也加以利用，在级间冷却器的冷源侧入口分别通入冷水，利用高温压缩气体在级间冷却器中释放的热量对冷水进行加热，被加热的冷水通入4#换热器12的冷源侧入口，被3#换热器9的热源侧出口的热气流再次加热，然后送往热用户提供热能。可以看出本发明不仅可以使系统各阶段产生的低品位热能得到有效利用，而且在整个工作过程中无需消耗额外的化石能源，仅用压缩空气作为能量来源，实现冷热电联供，系统运行高效且节能减排。
以通入0.6Mpa的压缩空气至涡流管8为例，经过所述3#换热器9的换热过程，热源侧出口温度可在80～100℃范围内，冷源侧压缩空气出口温度可达75～95℃左右，4#换热器12热源侧出口温度可在70～90℃范围内变化，同时冷源侧水温可达55℃以上。
本实施例中，换热器组合以冷水为换热介质。
本发明1#压缩机1、2#压缩机3、3#压缩机5和膨胀机10可以根据整个系统的空间布局，选择同轴和不同轴，也可以部分压缩机和膨胀机同轴，部分不同轴；膨胀机与其对应的发电机同轴连接。
本发明在入口处以及系统中某些管道之间均有控制阀，且都为电磁式，并且可带有射频控制装置。
综上，本发明利用涡流管的特性，将压缩空气分为冷热两股流体，涡流管冷气流出口用于供冷，利用梯级能量利用原理，将热流体的热量通过换热器合理利用，输出电能和热能。同时将压缩空气过程中的级间冷却器所释放的热量也加以利用，使整个系统能量的利用最大化。通过合理的空间布局，可以使系统占据更小的空间。针对不同的供热、供冷以及供电需求，可以通过调节调压阀、涡流管热气端的阀和水流量等对系统的性能表现做出调整。本发明拥有较高的能量利用率，不仅可以使系统各阶段产生的低品位热能得到有效利用，而且在整个工作过程中无需消耗额外的化石能源，仅用压缩空气作为能量来源，实现冷热电联供，系统运行高效且节能减排。

Claims (7)

1.一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，其特征在于，包括调压阀(7)和涡流管(8)，调压阀(7)的出口连接有两条支路，一条支路连接涡流管(8)的入口，涡流管(8)的出口分为热气流出口和冷气流出口，调压阀(7)出口的另一条支路连接3#换热器(9)的冷源侧入口，3#换热器(9)的热源侧入口连接涡流管(8)的热气流出口，热源侧出口连接4#换热器(12)的热源侧入口，调压阀(7)的入口连接储气室(6)的出口，储气室(6)的入口连接压缩机组合的出口，压缩机组合的入口为系统的空气入口，压缩机组合中配置有对压缩空气降温的换热器组合，换热器组合以冷水为换热介质，其冷源侧出口接4#换热器(12)的冷源侧入口，4#换热器(12)的冷源侧出口接热用户为用户提供热能，涡流管(8)的冷气流出口接冷用户用于供冷，所述3#换热器(9)的冷源侧出口连接膨胀机(10)的入口，膨胀机(10)的出口连接发电机(11)的入口，带动发电机(11)产生电能；其中，储气室(6)的压缩空气压力范围为0.7～1.1MPa，利用调压阀(7)将压缩空气调压至0.6Mpa。
2.根据权利要求1所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，其特征在于，所述空气经过压缩机组合增压后进入储气室(6)进行储存，出储气室(6)的空气经调压阀(7)调节压力后进入涡流管(8)。
3.根据权利要求1所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，其特征在于，所述压缩机组合和换热器组合采用多级压缩、中间冷却的方式。
4.根据权利要求1或3所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，其特征在于，所述压缩机组合包括依次串接的1#压缩机(1)、2#压缩机(3)和3#压缩机(5)，1#压缩机(1)的进气口即为压缩机组合的进气口，3#压缩机(5)的出气口即为压缩机组合的出气口；换热器组合包括1#换热器(2)和2#换热器(4)，1#换热器(2)和2#换热器(4)的冷源侧入口均为冷水，即换热器组合的进水口，1#换热器(2)和2#换热器(4)的冷源侧出口均接4#换热器(11)的冷源侧入口，1#换热器(2)和2#换热器(4)的冷源侧出口即为换热器组合的冷源侧出口，1#压缩机(1)的出气口接1#换热器(2)的热源侧入口，1#换热器(2)的热源侧出口接2#压缩机(3)的进气口，2#压缩机(3)的出气口接2#换热器(4)的热源侧入口，2#换热器(4)的热源侧出口接3#压缩机(5)的入口。
5.根据权利要求4所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统，其特征在于，各压缩机和膨胀机根据整个系统的空间布局，选择同轴或不同轴，或压缩机和部分膨胀机同轴，部分不同轴。
6.基于权利要求1所述以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统的冷热电联供方法，其特征在于，流程如下：
利用压缩机组合将空气压缩，得到压力范围为0.7～1.1MPa的压缩空气；
利用调压阀(7)将压缩空气调压至0.6Mpa，然后分别送入涡流管(8)和3#换热器(9)；
压缩空气经涡流管(8)后输出冷气流和热气流，其中冷气流供给冷用户，热气流供给3#换热器(9)；
热气流和压缩空气在3#换热器(9)进行热交换，加热后的压缩空气驱动膨胀机(10)做功，带动发电机(11)发电，降温后的热气流供给4#换热器(12)；
换热器组合的出口热水与降温后的热气流在4#换热器(12)换热后，供给热用户；
其中，3#换热器(9)热源侧出口温度为80～100℃，冷源侧压缩空气出口温度为75～95℃，4#换热器(12)热源侧出口温度为70～90℃，同时冷源侧水温达55℃以上。
7.根据权利要求6所述冷热电联供方法，其特征在于，所述涡流管(8)输出气流的温度在﹣46℃～127℃之间。
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