CN115046237A - 一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统及方法，该系统包括燃气发电机组、风力发电机组、光伏发电机组、余热锅炉、烟气换热器、土壤源热泵以及风源热泵；土壤源热泵以及风源热泵中均设置吸收式热泵；燃气发电机组、风力发电机组、光伏发电机组共同满足用户电负荷需求及系统中各单元设备耗电量，以风光发电为基础，燃机提供电量补充，利用燃机发电过程中排出的烟气余热制取热水用于直接对用户供热，利用系统发电量驱动土壤源热泵与风源热泵，以燃机余热做基础热源，两台热泵做热源保障与补充，实现热电联供灵活性高效运行，需要供冷时，两台热泵低温侧循环水切换为用户供冷水，高温侧切换为冷却塔循环水，实现对用户的冷电联供。

Description

一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统及方法
技术领域
本发明属于分布式能源技术领域，具体涉及一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统及方法。
背景技术
近年来，城市规模迅速扩张，火电机组装机容量快速增长，随着降低碳排放要求逐步实施与能源价格持续高涨，导致集中供能系统无法满足经济持续高速发展的用电需求，同时对环境带来了严重污染。能源行业面临着四大主要问题：合理调整能源结构，提高能源利用效率，保证能源供应安全可靠，解决环境污染问题。在传统能源行业转型需求急切的背景下，分布式清洁供能系统可以应对上述问题，其难点在于如何将波动性较强、供能功率不稳定的清洁能源融入到系统中，以满足用户侧不同种类的负荷需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统及方法，在能源梯级利用的基础上融入多种可再生能源，将供热、发电、制冷集于一条系统中，将波动性较强、供能功率不稳定的清洁能源融入到系统中，以满足用户侧不同种类的负荷需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，包括燃气发电机组、风力发电机组、光伏发电机组、余热锅炉、烟气换热器、土壤源热泵以及风源热泵；土壤源热泵以及风源热泵中均设置吸收式热泵；
燃气发电机组包括压气机、回热器、燃烧室、透平以及发电机，压气机的出口依次连接回热器、燃烧室和透平，透平连接发电机；压气机出口连接回热器的低温侧，透平的出口连接回热器的高温侧入口，回热器的高温侧出口依次连接余热锅炉和烟气换热器的高温侧，热网循环水回水管路依次连接烟气换热器和余热锅炉的低温侧，土壤源热泵以及风源热泵中冷凝器的低温侧均连接冷却水循环管路和热网循环水管路；土壤源热泵以及风源热泵的蒸发器均连接冷冻循环水管路；燃气发电机组、风力发电机组以及光伏发电机组为热网循环水回水管路、冷冻循环水管路、土壤源热泵、风源热泵以及冷却水循环管路中的动力设备供电。
风力发电机、整流器、第一逆变器以及配电箱依次连接，太阳能光伏板依次连接第二逆变器和配电箱；发电机的电能输出端连接配电箱的输入端，配电箱的输出端连接电力用户。
土壤源热泵中第一冷凝器的低温侧热网循环水管路，第一冷凝器、第一膨胀阀、第一蒸发器以及第一压缩机依次连接，同时第一压缩机连接第一冷凝器；第一蒸发器、地热井循环泵、热井地埋管依次连接，同时热井地埋管连接第一蒸发器；热井地埋管至第一蒸发器高温侧入口的管路上设置有Y型过滤器和球阀，第一蒸发器高温侧出口至地热井循环泵的管路上设置球阀。
风源热泵的吸收式热泵中第二冷凝器的低温侧连接热网循环水管路，第二冷凝器、第二膨胀阀、第二蒸发器、第二压缩机依次连接，同时，第二压缩机连接第二冷凝器；第二蒸发器、风热循环泵、风力制热器依次连接，同时，风力制热器连接第二蒸发器，风力制热器至第二蒸发器高温侧的管路上设置型过滤器和球阀，第二蒸发器高温侧出口至风热循环泵的管路上设置球阀。
冷却水循环管路中设置冷却塔，土壤源热泵的吸收式热泵中第一冷凝器的低温侧和风源热泵的吸收式热泵中第二冷凝器的低温侧均连接冷却塔，第一冷凝器至冷却塔的管路上设置第十球阀，冷却塔至冷第一凝器的管路上冷却水循环泵和第九球阀，冷凝器至冷却塔的管路上设置球阀，冷却塔至第二冷凝器的管路上冷却水循环泵和球阀。
土壤源热泵的吸收式热泵中第一蒸发器和风源热泵中第二蒸发器并联连接冷水循环管路，冷冻水回水管路至第二蒸发器的入口设置球阀和电动调节阀，第二蒸发器出口至冷冻水供水管路上设置球阀；冷冻水回水管路至第一蒸发器的入口设置球阀和电动调节阀，第一蒸发器出口至冷冻水供水管路上设置球阀。
第一冷凝器至冷却塔的管路上设置球阀，冷却塔至冷第一凝器的管路上冷却水循环泵和球阀，冷凝器至冷却塔的管路上设置球阀，冷却塔至第二冷凝器的管路上冷却水循环泵和球阀。
本发明所述风光气地热多能互补分布式清洁供能系统的运行方法，风力发电机组与光伏发电机组的可再生能源发电量做基础电源，燃气轮机组负荷随电负荷与基础电源发电量共同决定，系统全部发电量在供应用户电负荷需求的同时满足系统内所有用电设备耗电量；燃气轮机组发电过程中产生的烟气余热依次经过余热锅炉与烟气换热器加热热网循环水，用于直接对外供热；
供热模式下，土壤源热泵利用提取浅层土壤中的低品位热能，利用吸收式热泵提取土壤热能加热热网循环水实现对外供热，风源热泵使其热泵低温热源侧的闭式循环水升温，吸收式热泵提取风能制热量用于加热热网循环水实现对外供热，两热泵驱动电源由系统风光发电量与燃机发电量共同提供，实现热电解耦；
供冷模式下，吸收式热泵低温热源均切换为用户冷冻循环水，高温热源切换为冷却循环水；冷冻水经吸收式热泵降温后供至用户实现供冷，冷却水在冷却塔散热实现热量转移，两热泵驱动电源同样为系统风光及燃机互补的发电量。
当风源热泵系统中的吸收式热泵负荷能满足冷负荷需求时，土壤源热泵利用燃气发电机组的烟气余热对土壤进行热量灌溉，使余热锅炉、烟气换热器与热泵高温换热器形成环路，土壤源热泵反向循环工作，提取高温侧循环水的热量加热地热井环路循环水，将热量储存至地下土壤中，实现跨时段储热，在供热模式放出对用户供热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
基于本发明所述系统能够将燃气轮机与风力发电机、太阳能光伏板高效耦合，利用风光发电量做基础电源，燃机发电量做补充电源，提高可再生能源消纳能力，实现清洁供能；同时，回收燃气轮机发电时的排烟余热用于对外供热，实现能源梯级利用，提高能源利用率；本发明利用燃机和风光发电量驱动土壤源热泵与风源热泵供暖或供冷，提高系统灵活性，实现高效热电解耦及冷电解耦；在热泵供冷模式运行时可利用土壤源热泵将燃机排烟余热灌溉至地下土壤中，在供热模式提取供热，实现烟气余热的跨时段储能，提高能源利用率及热泵制热性能系数，降低供能成本及污染物排放。
进一步的，土壤源热泵利用地热井提取浅层土壤中蕴含的低品位热能，利用吸收式热泵提取土壤热能加热热网循环水实现对外供热，风力制热器以风机带动搅拌器使热泵低温热源侧的闭式循环水升温，吸收式热泵提取风能制热量用于加热热网循环水实现对外供热，两热泵驱动电源由系统风光发电量与燃机发电量共同提供，实现高效热电解耦。
进一步的，用户侧有冷负荷需求时，两热泵低温侧循环水切换为冷冻循环水，高温侧循环水切换为冷却水循环水，提取用户供冷水侧热量使其降温，将热量在冷却塔散热放出，实现对用户供冷。在供冷模式土壤源热泵可将燃气轮机排烟余热储存室地下土壤中，此时土壤源热泵高温侧循环水为原热网循环水，通往用户侧的阀门关闭，热泵高温侧换热器、烟气换热器与余热锅炉形成单独闭式环路，利用烟气余热加热闭式循环水，热泵提取循环水热量用于加热地热井循环环路，将热量灌入地下土壤中实现跨时段储热，在供热模式提取这部分热量用于供热，可提高土壤温度与制热性能系数。
附图说明
图1是本发明一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统的结构示意图。
图中：1-压气机；2-回热器；3-燃烧室；4-透平；5-发电机；6-余热锅炉；7-烟气换热器；8-风力发电机；9-整流器；10-第一逆变器；11-太阳能光伏板；12-第二逆变器；13-配电箱；14-热网循环水泵；15-第一球阀；16-第一电动调节阀；17-第二球阀；18-第三球阀；19-第二电动调节阀；20-第四球阀；21-第五球阀；22-第三电动调节阀；23-第六球阀；24-第七球阀；25-第八球阀；26-第九球阀；27-第十球阀；28-冷却塔；29-冷却水循环泵；30-第一冷凝器；31-第一膨胀阀；32-第一蒸发器；33-第一压缩机；34-第十一球阀；35-地热井循环泵；36-热井地埋管；37-第一Y型过滤器；38-第十二球阀；39-第十三球阀；40-第四电动调节阀；41-第十四球阀；42-第二冷凝器；43-第二膨胀阀；44-第二蒸发器；45-第二压缩机；46-第十五球阀；47-风热循环泵；48-风力制热器；49-第二Y型过滤器；50-第十六球阀；51-第十七球阀；52-第五电动调节阀；53-第十八球阀；54-供冷循环泵。
具体实施方式
下面将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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明提供一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，包括燃气发电机组、风力发电机组、光伏发电机组、余热锅炉5、烟气换热器7、冷却塔28、土壤源热泵以及风源热泵；
燃气发电机组包括压气机1、回热器2、燃烧室3、透平4以及发电机5，压气机1的出口依次连接回热器2、燃烧室3和透平4，透平4连接发电机5；压气机1出口连接回热器2的低温侧，透平4的出口连接回热器2的高温侧入口，回热器2的高温侧出口依次连接余热锅炉6和烟气换热器7的高温侧，热网循环水回水管路依次连接烟气换热器7和余热锅炉6的低温侧，且热网循环水回水管路上沿介质流向依次设置热网循环水泵14、第一球阀15和第一电动调节阀16，热网循环水供水管路上设置第二球阀17。
风力发电机8、整流器9、第一逆变器10以及配电箱13依次连接，太阳能光伏板11依次连接第二逆变器12和配电箱13；发电机5的电能输出端连接配电箱13的输入端，配电箱13的输出端连接电力用户，配电箱13的电能输出端还连接热网循环水泵14、冷却水循环泵29、第一压缩机33、地热井循环泵35、第二压缩机45、风热循环泵47以及供冷循环泵54。
土壤源热泵中第一冷凝器30的低温侧连接冷却塔和热网循环水管路，第一冷凝器30、第一膨胀阀31、第一蒸发器32以及第一压缩机33依次连接，同时第一压缩机33连接第一冷凝器30；第一蒸发器33、地热井循环泵35、热井地埋管36依次连接，同时热井地埋管36连接第一蒸发器33；热井地埋管36至第一蒸发器33高温侧入口的管路上设置第一Y型过滤器37和第十二球阀38，第一蒸发器33高温侧出口至地热井循环泵35的管路上设置第十一球阀34。
第一冷凝器30至冷却塔28的管路上设置第十球阀27，冷却塔28至冷第一凝器30的管路上冷却水循环泵29和第九球阀26，冷凝器42至冷却塔28的管路上设置第八球阀25，冷却塔28至第二冷凝器42的管路上冷却水循环泵29和第七球阀24。
风源热泵中第二冷凝器42的低温侧连接冷却塔和热网循环水管路，第二冷凝器42、第二膨胀阀43、第二蒸发器44、第二压缩机45依次连接，同时，第二压缩机45连接第二冷凝器42；第二蒸发器44、风热循环泵47、风力制热器48依次连接，同时，风力制热器48连接第二蒸发器44，风力制热器48至第二蒸发器44高温侧的管路上设置第二Y型过滤器49和第十六球阀50，第二蒸发器44高温侧出口至风热循环泵47的管路上设置第十五球阀46。
土壤源热泵中第一蒸发器32和风源热泵中第二蒸发器44并联连接冷水循环管路，冷冻水回水管路至第二蒸发器44的入口设置第十七球阀51和第五电动调节阀52，第二蒸发器44出口至冷冻水供水管路上设置第十八球阀53；冷冻水回水管路至第一蒸发器32的入口设置第十三球阀39和第四电动调节阀40，第一蒸发器32出口至冷冻水供水管路上设置第十四球阀41。
所述一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统运行方法，该系统两热泵由供冷供热两种运行模式，具体如下：
燃气发电机组、风力发电机组与光伏发电机组共同发电承担用户电负荷需求及系统中各用电设备的耗电量，以风光发电量做基础电源，燃机视电负荷与可再生能源发电量不同情况补充电量不足部分，依次提高可再生能源发电量的消纳能力。燃机发电过程中产生的排烟依次经过余热锅炉5与烟气换热器7实现余热回收，烟气余热用于加热热网循环水实现对用户直接供热。
热泵供热模式运行时：土壤源热泵与风源热泵利用系统发电量驱动，地热井循环环路利用闭式循环水提取土壤中热量作为热泵低温热源，土壤源热泵35提取土壤中蕴含的低品位余热用于加热热网循环水；风力制热器48利用风机带动搅拌器加热闭式循环水做热泵低温热源，风源热泵提取风能制热量用于加热热网循环水，两热泵共同实现对外供热。
热泵供冷模式运行时：两热泵低温热源均切换为用户冷冻循环水，高温热源切换为冷却循环水，冷冻水经热泵降温后供至用户实现供冷，冷却水在冷却塔28散热实现热量转移，两热泵驱动电源同样为系统风光及燃机互补的发电量；当冷负荷需求不大且风力充足时，土壤源热泵可利用燃机烟气余热对土壤进行热量灌溉，调整阀门使余热锅炉、烟气换热器与热泵高温换热器形成环路，热泵反向循环工作，提取高温侧循环水的热量加热地热井环路循环水，将热量储存至地下土壤中，实现跨时段储热，在供热模式放出对用户供热，以此提高热泵制热性能系数。
一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，利用风力发电机组与光伏发电机组的可再生能源发电量做基础电源，燃气轮机组负荷随电负荷与基础电源发电量共同决定，系统全部发电量在供应用户电负荷需求的同时满足系统内所有用电设备耗电量。燃气轮机组发电过程中产生的烟气余热依次经过余热锅炉与烟气换热器加热热网循环水，用于直接对外供热。土壤源热泵利用地热井提取浅层土壤中蕴含的低品位热能，利用吸收式热泵提取土壤热能加热热网循环水实现对外供热，风力制热器以风机带动搅拌器使热泵低温热源侧的闭式循环水升温，吸收式热泵提取风能制热量用于加热热网循环水实现对外供热，两热泵驱动电源由系统风光发电量与燃机发电量共同提供，实现高效热电解耦，提高系统灵活性。用户侧有冷负荷需求时，两热泵低温侧循环水切换为冷冻循环水，高温侧循环水切换为冷却水循环水，提取用户供冷水侧热量使其降温，将热量在冷却塔散热放出，实现对用户供冷。在供冷模式土壤源热泵可将燃气轮机排烟余热储存室地下土壤中，此时土壤源热泵高温侧循环水为原热网循环水，通往用户侧的阀门关闭，热泵高温侧换热器、烟气换热器与余热锅炉形成单独闭式环路，利用烟气余热加热闭式循环水，热泵提取循环水热量用于加热地热井循环环路，将热量灌入地下土壤中实现跨时段储热，在供热模式提取这部分热量用于供热，可提高土壤温度与制热性能系数。本发明建立的一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统将风光清洁能源与燃气高效联合，提高清洁能源发电量消纳能力，实现了能量梯级利用，提高能源利用率，降低供能成本与污染物排放。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，包括燃气发电机组、风力发电机组、光伏发电机组、余热锅炉(5)、烟气换热器(7)、土壤源热泵以及风源热泵；土壤源热泵以及风源热泵中均设置吸收式热泵；
燃气发电机组包括压气机(1)、回热器(2)、燃烧室(3)、透平(4)以及发电机(5)，压气机(1)的出口依次连接回热器(2)、燃烧室(3)和透平(4)，透平(4)连接发电机(5)；压气机(1)出口连接回热器(2)的低温侧，透平(4)的出口连接回热器(2)的高温侧入口，回热器(2)的高温侧出口依次连接余热锅炉(6)和烟气换热器(7)的高温侧，热网循环水回水管路依次连接烟气换热器(7)和余热锅炉(6)的低温侧，土壤源热泵以及风源热泵中冷凝器的低温侧均连接冷却水循环管路和热网循环水管路；土壤源热泵以及风源热泵的蒸发器均连接冷冻循环水管路；燃气发电机组、风力发电机组以及光伏发电机组为热网循环水回水管路、冷冻循环水管路、土壤源热泵、风源热泵、冷却水循环管路中的动力设备供电。
2.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，风力发电机(8)、整流器(9)、第一逆变器(10)以及配电箱(13)依次连接，太阳能光伏板(11)依次连接第二逆变器(12)和配电箱(13)；发电机(5)的电能输出端连接配电箱(13)的输入端，配电箱(13)的输出端连接电力用户。
3.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，土壤源热泵中第一冷凝器(30)的低温侧热网循环水管路，第一冷凝器(30)、第一膨胀阀(31)、第一蒸发器(32)以及第一压缩机(33)依次连接，同时第一压缩机(33)连接第一冷凝器(30)；第一蒸发器(33)、地热井循环泵(35)、热井地埋管(36)依次连接，同时热井地埋管(36)连接第一蒸发器(33)；热井地埋管(36)至第一蒸发器(33)高温侧入口的管路上设置有Y型过滤器和球阀，第一蒸发器(33)高温侧出口至地热井循环泵(35)的管路上设置球阀。
4.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，风源热泵的吸收式热泵中第二冷凝器(42)的低温侧连接热网循环水管路，第二冷凝器(42)、第二膨胀阀(43)、第二蒸发器(44)、第二压缩机(45)依次连接，同时，第二压缩机(45)连接第二冷凝器(42)；第二蒸发器(44)、风热循环泵(47)、风力制热器(48)依次连接，同时，风力制热器(48)连接第二蒸发器(44)，风力制热器(48)至第二蒸发器(44)高温侧的管路上设置型过滤器和球阀，第二蒸发器(44)高温侧出口至风热循环泵(47)的管路上设置球阀。
5.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，冷却水循环管路中设置冷却塔(28)，土壤源热泵的吸收式热泵中第一冷凝器(30)的低温侧和风源热泵的吸收式热泵中第二冷凝器(42)的低温侧均连接冷却塔(28)，第一冷凝器(30)至冷却塔(28)的管路上设置第十球阀(27)，冷却塔(28)至冷第一凝器(30)的管路上冷却水循环泵(29)和第九球阀(26)，冷凝器(42)至冷却塔(28)的管路上设置球阀，冷却塔(28)至第二冷凝器(42)的管路上冷却水循环泵(29)和球阀。
6.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，土壤源热泵的吸收式热泵中第一蒸发器(32)和风源热泵中第二蒸发器(44)并联连接冷水循环管路，冷冻水回水管路至第二蒸发器(44)的入口设置球阀和电动调节阀，第二蒸发器(44)出口至冷冻水供水管路上设置球阀；冷冻水回水管路至第一蒸发器(32)的入口设置球阀和电动调节阀，第一蒸发器(32)出口至冷冻水供水管路上设置球阀。
7.根据权利要求1所述的风光气地热多能互补分布式清洁供能系统，其特征在于，第一冷凝器(30)至冷却塔(28)的管路上设置球阀，冷却塔(28)至冷第一凝器(30)的管路上冷却水循环泵(29)和球阀，冷凝器(42)至冷却塔(28)的管路上设置球阀，冷却塔(28)至第二冷凝器(42)的管路上冷却水循环泵(29)和球阀。
8.权利要求1至7中任一项所述风光气地热多能互补分布式清洁供能系统的运行方法，其特征在于，风力发电机组与光伏发电机组的可再生能源发电量做基础电源，燃气轮机组负荷随电负荷与基础电源发电量共同决定，系统全部发电量在供应用户电负荷需求的同时满足系统内所有用电设备耗电量；燃气轮机组发电过程中产生的烟气余热依次经过余热锅炉与烟气换热器加热热网循环水，用于直接对外供热；
供热模式下，土壤源热泵利用提取浅层土壤中的低品位热能，利用吸收式热泵提取土壤热能加热热网循环水实现对外供热，风源热泵使其热泵低温热源侧的闭式循环水升温，吸收式热泵提取风能制热量用于加热热网循环水实现对外供热，两热泵驱动电源由系统风光发电量与燃机发电量共同提供，实现热电解耦；
供冷模式下，吸收式热泵低温热源均切换为用户冷冻循环水，高温热源切换为冷却循环水；冷冻水经吸收式热泵降温后供至用户实现供冷，冷却水在冷却塔散热实现热量转移，两热泵驱动电源同样为系统风光及燃机互补的发电量。
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于，当风源热泵系统中的吸收式热泵负荷能满足冷负荷需求时，土壤源热泵利用燃气发电机组的烟气余热对土壤进行热量灌溉，使余热锅炉、烟气换热器与热泵高温换热器形成环路，土壤源热泵反向循环工作，提取高温侧循环水的热量加热地热井环路循环水，将热量储存至地下土壤中，实现跨时段储热，在供热模式放出对用户供热。
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