CN113915950B - 燃气-空气联合循环分布式能源系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于埃尔逊循环热机/热泵的燃气‑空气联合循环分布式能源系统，该系统包括发电子系统、制热子系统和制冷子系统，还包括基于埃尔逊循环的热机/热泵，热机/热泵选择性地处于发电工作状态和制冷工作状态之一。发电子系统包括燃气机、第一发电机、第二发电机；制热子系统包括燃气锅炉、第一换热器、第二换热器；制冷子系统包括电制冷机，基于埃尔逊循环的热机/热泵根据用户需求选择性的联合上述子系统为用户提供电力负荷或冷负荷。上述基于埃尔逊循环热机/热泵的燃气‑空气联合循环分布式能源系统，提高了系统对用户冷、热、电三种负荷波动的适应能力，增加系统高品质能源的输出。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用系统，尤其涉及提供冷、热和电的能源利用系统。
背景技术
天然气作为清洁高效的低碳能源，可有效改善环境、减少CO2排放、优化能源结构。
理论上，燃气冷热电三联供可实现能源梯级利用，具有输配电损耗低、能效利用高、供能安全可靠、节能环保等优点。
公告号为CN206387142U专利文献公开了“燃气冷热电三联供系统”，该燃气冷热电三联供系统包括天然气供料单元、燃气轮机机组、缸套水热交换器、烟气热交换补燃锅炉，天然气供料单元为燃气轮机机组提供天然气，燃气轮机机组的高温废烟气进入烟气热交换补燃锅炉，燃气轮机机组的高温热水通过缸套水热交换器接入烟气热交换补燃锅炉中，燃气轮机机组输出电力，烟气热交换补燃锅炉输出热水和冷水。天然气供料单元同时为烟气热交换补燃锅炉提供补燃所需的天然气。烟气热交换补燃锅炉可替换为烟气热水补燃非电空调。高温热水的水温为90～99℃，高温废烟气的温度为450～550℃。
公告号为CN205825195U的专利文献，为了满足供能形式灵活，提供一种燃气三联供系统与空气源热泵系统供能联合系统，使两种供能系统相互补充燃气内燃发电机组。在制热模式下，燃气内燃发电机通过燃烧天然气做功，产生电能、高温烟气(400摄氏度)高温缸套水(95摄氏度)。高温烟气、高温缸套水分别进入溴化锂直燃机的高温发生器、低温发生器，以燃气内燃发电机产生的高温热源为驱动能源，可以产热水(55摄氏度)。溴化锂直燃机通过管路与分水器连接，通过末端(建筑负荷)换热后回到集水器供热回水(45摄氏度)。空气源热泵在电能的驱动下产生50摄氏度的热水，通过管路与分水器连接，通过末端(建筑负荷)换热后回到集水器供热回水(45摄氏度)完成循环。在制冷模式下，高温烟气、高温缸套水分别进入溴化锂直燃机的高温发生器、低温发生器，以燃气内燃发电机组产生的高温热源为驱动能源，可以产冷水(7摄氏度)。溴化锂直燃机通过管路与分水器连接，通过末端制冷后回到集水器供冷回水(12摄氏度)完成循环。空气源热泵在电能的驱动下产生7摄氏度的冷水，通过管路与分水器连接，通过末端(建筑负荷)制冷后回到集水器供冷回水(12摄氏度)完成循环。
经调研，大部分燃气冷热电三联供分布式能源系统的运行效率低于甚至远低于理论值，主要原因是燃气冷热电三联供分布式能源系统的冷、热、电供应能力和用户冷、热、电负荷匹配度不高或者很不匹配，冷热电供应和需求不平衡是制约大部分燃气冷热电三联供分布式能源系统提高综合能源效率的瓶颈问题。另外，燃气冷热电三联供分布式能源系统的发电效率不高，高品质能源输出少。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种燃气-空气联合循环分布式能源系统，其可以灵活调整燃气冷热电三联供分布式能源系统的发电量、制热量、制冷量，适应各种季节下的冷热电负荷变动。
燃气-空气联合循环分布式能源系统，包括发电子系统、制热子系统和制冷子系统，还包括基于埃尔逊循环的热机/热泵，所述热机/热泵选择性地处于发电工作状态和制冷工作状态之一；
所述发电子系统包括燃气机、第一发电机、第二发电机；
所述制热子系统包括第一换热器、第二换热器、燃气锅炉；
所述制冷子系统包括电制冷机；
其中，所述燃气机的缸套水出口管道连接到第一换热器，第一排烟管道连接到所述第二换热器，由所述燃气锅炉和所述第一换热器、所述第二换热器联合提供热负荷；
所述燃气机的第二排烟管道还与处于发电工作状态的所述热机/热泵连接，处于发电工作状态的所述热机/热泵输出机械能到所述第二发电机，所述燃气机输出机械能到所述第一发电机，所述第一发电机和所述第二发电机以及电网供电联合为用户提供电力负荷；
所述电网供电还与处于制冷工作状态的所述热机/热泵电连接，电网向其供电，所述电制冷机和处于制冷工作状态的所述热机/热泵联合为用户提供冷负荷。
所述燃气机的缸套水出口管道、第一排烟管道和第二排烟管道外层添加保温层。
所述燃气机和第一发电机设置成持续运行，提供基本的电力负荷。
所述第一换热器和所述第二换热器串联连接或并联连接。
该燃气-空气联合循环分布式能源系统具有过渡季模式、夏季模式和冬季模式，
在所述过渡季模式，所述燃气机、所述第一换热器、所述第二换热器、所述第一发电机工作，所述热机/热泵处于发电模式，输出机械能到所述第二发电机，所述燃气锅炉和所述电制冷机不工作；
在所述夏季模式，所述燃气机、所述电制冷机、所述第一换热器、所述第二换热器、所述第一发电机工作，所述燃气锅炉和所述第二发电机不工作，所述热机/热泵接受电网供电的电力并处于制冷模式；
在所述冬季模式，所述燃气锅炉、所述燃气机、所述第一换热器、所述第二换热器、所述第一发电机工作，所述热机/热泵处于发电模式，输出机械能到所述第二发电机，所述电制冷机不工作。
上述燃气-空气联合循环分布式能源系统通过基于埃尔逊原理的热机/热泵利用燃气机的烟气余热进行余热发电，或者提供冷负荷用以制冷，这样的设计可以灵活调整燃气冷热电三联供分布式能源系统的发电量、制热量、制冷量，适应各种季节下的冷热电负荷变动，保证燃气冷热电三联供分布式能源系统可在全年内始终保持高效率运行。此外，基于埃尔逊原理的热机/热泵利用烟气余热进行余热发电，可增加系统高品质能源的输出。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是燃气-空气联合循环分布式能源系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1示出燃气-空气联合循环分布式能源系统示意图，该系统包括发电子系统、制热子系统和制冷子系统，基于埃尔逊循环的热机/热泵7选择性地处于发电工作状态和制冷工作状态之一。发电子系统包括燃气机2、第一发电机6、第二发电机9，制热子系统包括第一换热器4、第二换热器5、燃气锅炉1，制冷子系统包括电制冷机3。
燃气机2的缸套水出口管道21连接到第一换热器4，第一排烟管道221连接到第二换热器5，由燃气锅炉1和第一换热器4、第二换热器5联合提供热负荷。
燃气机的第二排烟管道222还与处于发电工作状态的热机/热泵7连接，处于发电工作状态的热机/热泵7输出机械能到第二发电机9，燃气机2输出机械能到第一发电机6，第一发电机6和第二发电机9以及电网供电14联合为用户提供电力负荷。
电网供电14还与处于制冷工作状态的热机/热泵7电连接，电网向其供电，电制冷机3和处于制冷工作状态的热机/热泵7联合为用户提供冷负荷。
燃气机2的缸套水出口管道21、第一排烟管道221和第二排烟管道222外层添加保温层，以减少热损失。
该燃气-空气联合循环分布式能源系统中，燃气机2和第一发电机6设置成持续运行，以为用户提供基本的电力负荷。
如图1所示，燃气机2的缸套水出口管道21与第一换热器4进口连接，燃气机2的第一排烟管道221与第二换热器5连接，第一换热器4和第二换热器5可以串联连接或并联连接。
由于热机/热泵7基于埃尔逊循环，可实现发电和制冷两种工作模式，但只能处于一种工作模式下：在进行发电工作时，不能进行制冷工作，此时第二排烟管道222畅通并向热机/热泵7输送烟气，同时第二发电机9接收热机/热泵7输出的机械能进行发电；在进行制冷工作时，不能进行发电工作，此时供电电网14向热机/热泵7输送电量，热机/热泵7产生冷负荷制冷。
因此，热机/热泵7可根据用户需求切换发电、制冷工作状态，可以灵活调整燃气冷热电三联供分布式能源系统的发电量、制热量、制冷量，适应各种季节下的冷热电负荷变动，保证燃气冷热电三联供分布式能源系统可在全年内始终保持高效率运行。
该燃气-空气联合循环分布式能源系统具有过渡季模式、夏季模式和冬季模式，下面将结合图1详细介绍其具体实施方式。
在过渡季模式(春季和秋季)，燃气机2、第一换热器4、第二换热器5和第一发电机6工作，此时热机/热泵7处于发电模式，利用燃气机2的烟气余热，输出机械能到第二发电机9用以发电，可增加系统高品质能源的输出。过渡季模式中燃气锅炉1和电制冷机3不工作。
在夏季模式，燃气机2、电制冷机3、第一换热器4、第二换热器5和第一发电机6工作，此时热机/热泵7接受供电电网14所供给的电力并处于制冷模式，释放冷负荷，因此夏季模式下第二发电机9不工作。由于夏季用户热负荷需求量不高，因此燃气锅炉1不工作，第一换热器4和第二换热器5分别利用燃气机2的缸套水余热、高温烟气余热共同为用户提供基本热负荷，如生活热水等。
在冬季模式，燃气锅炉1、燃气机2、第一换热器4、第二换热器5、第一发电机6工作，此时热机/热泵7处于发电模式，燃气机2的第二排烟管道222与处于发电工作状态的热机/热泵7连接，热机/热泵7吸收燃气机2的烟气余热，输出机械能到第二发电机9用以提供电力负荷。由于冬季用户冷负荷需求量不高，因此电制冷机3不工作。
因此，在过渡季、夏季和冬季三种工作模式下，该燃气-空气联合循环分布式能源系统可根据用户需求调节冷、热、电负荷的输送能力，补偿冷热电供应和需求不平衡的问题，使得系统可在全年内保持冷、热、电负荷的高效输出。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (4)
1.燃气-空气联合循环分布式能源系统，包括发电子系统、制热子系统和制冷子系统，其特征在于，
该燃气-空气联合循环分布式能源系统还包括基于埃尔逊循环的热机/热泵(7)，所述热机/热泵(7)选择性地处于发电工作状态和制冷工作状态之一；
所述发电子系统包括燃气机(2)、第一发电机(6)、第二发电机(9)；
所述制热子系统包括第一换热器(4)、第二换热器(5)、燃气锅炉(1)；
所述制冷子系统包括电制冷机(3)；
其中，所述燃气机的缸套水出口管道(21)连接到第一换热器(4)，第一排烟管道(221)连接到所述第二换热器(5)，由所述燃气锅炉(1)和所述第一换热器(4)、所述第二换热器(5)联合提供热负荷；
所述燃气机(2)的第二排烟管道(222)还与处于发电工作状态的所述热机/热泵(7)连接，处于发电工作状态的所述热机/热泵(7)输出机械能到所述第二发电机(9)，所述燃气机(2)输出机械能到所述第一发电机(6)，所述第一发电机(6)和所述第二发电机(9)以及电网供电(14)联合为用户提供电力负荷；
所述电网供电(14)还与处于制冷工作状态的所述热机/热泵(7)电连接，电网向其供电，所述电制冷机(3)和处于制冷工作状态的所述热机/热泵(7)联合为用户提供冷负荷；
该燃气-空气联合循环分布式能源系统具有过渡季模式、夏季模式和冬季模式，
在所述过渡季模式，所述燃气机(2)、所述第一换热器(4)、所述第二换热器(5)、所述第一发电机(6)工作，所述热机/热泵(7)处于发电模式，输出机械能到所述第二发电机(9)，所述燃气锅炉(1)和所述电制冷机(3)不工作；
在所述夏季模式，所述燃气机(2)、所述电制冷机(3)、所述第一换热器(4)、所述第二换热器(5)、所述第一发电机(6)工作，所述燃气锅炉(1)和所述第二发电机(9)不工作，所述热机/热泵(7)接受电网供电(14)的电力并处于制冷模式；
在所述冬季模式，所述燃气锅炉(1)、所述燃气机(2)、所述第一换热器(4)、所述第二换热器(5)、所述第一发电机(6)工作，所述热机/热泵(7)处于发电模式，输出机械能到所述第二发电机(9)，
所述电制冷机(3)不工作。
2.如权利要求1所述的燃气-空气联合循环分布式能源系统，其特征在于，所述的燃气机(2)的缸套水出口管道(21)、第一排烟管道(221)和第二排烟管道(222)外层添加保温层。
3.如权利要求1所述的燃气-空气联合循环分布式能源系统，其特征在于，所述燃气机(2)和第一发电机(6)设置成持续运行，提供基本的电力负荷。
4.如权利要求1所述的燃气-空气联合循环分布式能源系统，其特征在于，所述第一换热器(4)和所述第二换热器(5)串联连接或并联连接。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Address after: 200090 No. 2103, Pingliang Road, Shanghai, Yangpu District Patentee after: Shanghai Electric Power University Country or region after: China Patentee after: Shanghai Energy Construction Engineering Design and Research Co.,Ltd. Address before: 200090 No. 2103, Pingliang Road, Shanghai, Yangpu District Patentee before: Shanghai Electric Power University Country or region before: China Patentee before: SHANGHAI GAS ENGINEERING DESIGN & RESEARCH Co.,Ltd. |