CN115111632A - 一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法 - Google Patents

一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法，热网回水母管依次连接烟气换热器的水侧入口，烟气换热器的水侧出口分两路，一路连接余热锅炉水侧入口，另一路通过吸收式热泵单元的热侧入口连接热网供水母管，余热锅炉的水侧出口一路通过吸收式热泵单元的水侧入口连接热网供水母管，另一路连接热网供水母管；太阳能单元的出口和地热井单元的出口均与吸收式热泵单元低温侧入口连接，吸收式热泵单元低温侧出口分别连接太阳能单元和地热井单元入口。将内燃机、太阳能和地热能耦合利用，根据不同情况可进行多种运行方式灵活切换，降低了供能成本和碳排放量，提高了清洁能源的利用率，解决了现有技术中能量匹配不合理、清洁能源利用率低的问题。

Description

一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法
技术领域
本发明属于综合能源利用技术领域，涉及一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法。
背景技术
近年能源供应企业正进行大力改革，首要目标是提高能源利用率、降低碳排放、提高系统灵活性。另一方面，城市规模迅速扩张，各地对热电等多种负荷需求不断增加，其中建筑能耗增长尤为迅速，我国公共机构建筑能耗所占比例最大，碳排放强度最高，以传统化石能源为主的能源结构与政策规划冲突愈发明显，引入可再生能源，并根据区域负荷对系统进行合理配置，不仅能促进节能减排，还可降低用能成本。
在此背景下，热电联供系统以其供能类型多、能源利用率高、碳排放量小的优点成为主流，但目前应用的联供系统存在搭配种类繁多、用能不合理、系统灵活性低、清洁能源占比不足造成污染物排放量相对较高等问题，如何根据用户负荷合理配置系统，实现供能成本与碳排放量同步降低，提高系统综合能源利用率是亟待解决的主要问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中用能不合理，系统灵活性低，清洁能源占比不足的问题，提供一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统及方法。系统满足用户热、电负荷需求时，内燃发电机组供电的同时排烟依次经余热锅炉与烟气换热器进行余热回收，制取热水用于直接供热或驱动吸收式热泵，吸收式热泵提取低温热源热量用于实现对外供热，系统循环水泵等用电设备耗电量由内燃发电机组承担，低温热源在室外温度较高且光照充足时由太阳能集热器独立承担，在室外温度低且光照条件不足时由集热器和地热井共同承担。清洁能源低温热源高效利用太阳能与地热能资源，缩小热泵工作温差，提高制热性能系数，降低供热能耗与碳排放，采用内燃机排烟余热驱动吸收式热泵，实现了能量梯级利用，提高综合能源利用率与系统灵活性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，包括内燃机、余热锅炉、烟气换热器、吸收式热泵单元、热网回水母管、热网供水母管、热网回水母管、太阳能单元和地热井单元；
所述燃气机的烟气出口依次连接余热锅炉和烟气换热器的烟气入口；
所述热网回水母管依次连接烟气换热器的水侧入口，烟气换热器的水侧出口分两路，一路连接余热锅炉水侧入口，另一路通过吸收式热泵单元的热侧入口连接热网供水母管，余热锅炉的水侧出口分两路，一路通过吸收式热泵单元的水侧入口连接热网供水母管，另一路连接热网供水母管；
太阳能单元的出口和地热井单元的出口均与吸收式热泵单元低温侧入口连接，吸收式热泵单元低温侧出口分别连接太阳能单元和地热井单元的入口。
本发明的进一步改进在于：
所述太阳能单元包括太阳能集热器，所述太阳能集热器的入口与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有低温热源循环泵；
所述太阳能集热器的出口与吸收式热泵单元低温侧入口之间依次设置有第三电动调节阀和第七球阀。
所述低温热源循环泵与太阳能集热器之间依次设置有第五球阀和第六球阀。
所述地热井单元包括热井地埋管道，所述热井地埋管道的入口连接吸收式热泵单元低温侧出口，热井地埋管道的入口与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有热井循环泵；
所述热井地埋管道的出口与吸收式热泵单元低温侧入口之间设置有过滤器。
所述热井循环泵与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有第九球阀和第四电动调节阀。
所述吸收式热泵单元包括发生器、溶液热交换器、吸收器、蒸发器和冷凝器；
所述发生器的水侧入口连接余热锅炉的水侧出口，发生器的水侧出口连接热网供水母管，发生器的溶液出口连接溶液交换器第一侧溶液入口，在溶液交换器中，换热后的溶液依次进入吸收器溶液入口、溶液交换器第二侧溶液入口和发生器的溶液入口；
所述余热锅炉的水侧出口连接吸收器的热侧入口，吸收器的热侧出口连接冷凝器的热侧入口，冷凝器的热侧出口连接热网供水母管，冷凝器的蒸汽入口连接发生器的蒸汽出口，冷凝器的冷凝水出口连接蒸发器的冷凝水入口，蒸发器的蒸汽出口连接吸收器的蒸汽入口，蒸发器低温侧出口分别连接太阳能集热器和热井地埋管道的入口；太阳能集热器和热井地埋管道的出口均连接蒸发器低温侧入口；
所述热网回水母管连接吸收器的热侧入口。
所述热网回水母管的输出端设置有热网循环水泵。
所述热网循环水泵和吸收器热侧入口之间设置有第三球阀和第二电动调节阀。
所述冷凝器的热侧出口与热网供水母管之间设置有第四球阀。
一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供方法，包括以下步骤：
燃气机产生的烟气依次进入余热锅炉和烟气换热器中将热量传递给热网回水，降温后烟气直接排出，在烟气换热器中吸热后的循环水分两路，一路通过余热锅炉吸热后做为吸收式热泵单元的驱动热源进入吸收式热泵单元，驱动热源后汇至热网供水母管，另一路进入吸收式热泵单元的热侧入口，吸热后汇至热网供水母管；
当光照条件充足时，吸收式热泵单元低温侧的循环水经过太阳能单元吸热后将热量传输至吸收式热泵单元；
当光照条件不充足时，吸收式热泵单元低温侧的循环水依次经过太阳能单元和地热井单元吸热后将热量传输至吸收式热泵单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，将烟气换热器、余热锅炉、吸收式热泵单元、太阳能单元和地热井单元配合连接，根据不同的功能需求，选择不同的功能模式，吸收式热泵单元工作时，配合太阳能单元和地热井单元对加热热网回水，实现对用户的供热，既能降低尾部烟气排放的温度，可以根据光照条件选择性的开启太阳能单元和地热井单元，对天气和环境的适应性强，功能模式更灵活，在吸收式热泵单元不工作时，热网水通过吸收烟气余热实现供热，太阳能单元将采集的热量回灌至地热井单元，实现了能源的跨时段或跨季节储热，也提高了热泵的低温热源温度，本发明供能设备和清洁能源的使用和分配更加合理，清洁能源和燃机设备的耦合保证了供能的稳定性，也降低了燃料消耗，提高了清洁能源的利用率和占比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明的结构示意图；
其中：1-内燃机；2-发电机；3-余热锅炉；4-烟气换热器；5-热网循环水泵；6-第一球阀；7-第二球阀；8-第一电动调节阀；9-第三球阀；10-第四球阀；11-第二电动调节阀；12-第五球阀；13-发生器；14-膨胀阀；15-溶液热交换器；16-溴化锂溶液泵；17-吸收器；18-蒸发器；19-膨胀阀；20-冷凝器；21-低温热源循环泵；22-第六球阀；23-第七球阀；24-太阳能集热器；25-第三电动调节阀；26-第八球阀；27-第九球阀；28-第十球阀；29-第四电动调节阀；30-热井循环泵；31-热井地埋管道；32-过滤器；33-第十一球阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公开了一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，主要包括：
内燃机1；发电机2；余热锅炉3；烟气换热器4；热网循环水泵5；第一球阀6；第二球阀7；第一电动调节阀8；第三球阀9；第四球阀10；第二电动调节阀11；第五球阀12；发生器13；膨胀阀14；溶液热交换器15；溴化锂溶液泵16；吸收器17；蒸发器18；膨胀阀19；冷凝器20；低温热源循环泵21；第六球阀22；第七球阀23；太阳能集热器24；第三电动调节阀25；第八球阀26；第九球阀27；第十球阀28；第四电动调节阀29；热井循环泵30；热井地埋管道31；过滤器32和第十一球阀33。
其中燃气机1连接发电机2，燃气机1的烟气输出端依次连接余热锅炉3和烟气换热器4，热网回水母管通过热网循环水泵5首先进入烟气换热器4吸收烟气余热，吸热后的热网水经烟气换热器4的水侧出口后分两路：一部分流量进入余热锅炉3吸收烟气余热，另一部分流量通过第四球阀10和第二电动调节阀11后直接进入吸收器17的热侧入口。
在余热锅炉3中的热网水吸收烟气余热后分为两路，第一路流量通过第一球阀6汇至热网供水母管，第二路流量作为驱动式热源通过第二球阀7进入发生器13中，将热量传递给发生器13中的溶液后通过第一电动调节阀8和第三球阀9汇至热网供水母管；发生器13中，溶液与高温热水换热后产生的高温蒸汽进入冷凝器20中，吸热后溶液进入溶液热交换器15将热量传输至另一侧的稀溶液后进入吸收器17，在吸收器17中吸收来自蒸发器18的低温低压水蒸汽后变为回到溶液热交换器15中，在溶液热交换器15中吸收浓溶液的热量后经溴化锂溶液泵16回到发生器13中，从余热锅炉3进入吸收器17中的热网水吸收热量后再进入冷凝器20中吸收来自发生器13的高温蒸汽热量后通过第五球阀12汇至热网供水母管，在冷凝器20中，热网循环水吸热产生的冷凝水通过膨胀阀19进入蒸发器18中，吸收来自低温侧的热量后将蒸发的热量传递至吸收器17中。
热井地埋管道31吸收土壤中的热量后通过过滤器32、第十一球阀33和第九球阀27后进入蒸发器18中，将热量传递给冷凝水之后依次通过低温热源循环泵21、第六球阀22、第十球阀28、第四电动调节阀29和热井循环泵30后回到热井地埋管道31，太阳能集热器24吸收热量加热循环水后通过第三电动调节阀25、第八球阀26和地球球阀27后汇至蒸发器18中，换热后的低温水通过低温热源循环泵21、第六球阀22和第七球阀23后回到太阳能集热器24中。
本发明实施例的工作原理为：
燃气机1配合发电机2发电，发电机2产生的电力供系统使用，产生的烟气通过余热锅炉3和烟气换热器4与热网回水换热，降温后的烟气直接排出，升温后的热网水根据需求选择供热线路：
当吸收式热泵单元工作时，烟气换热器4中的热网水进入吸收器17，在吸收式热泵单元中吸热升温后用于用户供热，余热锅炉3中的热网水作为驱动式热源进入发生器13中驱动吸收式热泵单元工作，然后汇至热网供水母管实现用户供热，此时吸收式热泵单元低温侧的热源分两种情况：
当光照条件充足时，太阳能集热器24独立供热，将吸收的热量通过闭式循环水传递至蒸发器18中；
当室外温度低且光照条件不足时，太阳能集热器24和热井地埋管道31共同制热，将热量共同输送至蒸发器18中。
当吸收式热泵单元不工作时，余热锅炉3中吸热后的热网水直接用于用户供热，吸收式热泵单元中，太阳能集热器24和热井地埋管道31将吸收后热量存储在土壤中，对热量进行回灌，实现跨时段储热或跨季节储热的功能，提供了系统的功能能力。
本发明实施例将内燃机、太阳能和地热能耦合利用，实现了能量的梯级利用，根据不同情况选择不同耦合方式，降低了供能成本和碳排放量，提高了清洁能源的利用率，不同模式的灵活切换提高了系统的灵活性，对用户需求的适应性更强。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，包括内燃机(1)、余热锅炉(3)、烟气换热器(4)、吸收式热泵单元、热网回水母管、热网供水母管、热网回水母管、太阳能单元和地热井单元；
所述燃气机(1)的烟气出口依次连接余热锅炉(3)和烟气换热器(4)的烟气入口；
所述热网回水母管依次连接烟气换热器(4)的水侧入口，烟气换热器(4)的水侧出口分两路，一路连接余热锅炉(3)水侧入口，另一路通过吸收式热泵单元的热侧入口连接热网供水母管，余热锅炉(3)的水侧出口分两路，一路通过吸收式热泵单元的水侧入口连接热网供水母管，另一路连接热网供水母管；
太阳能单元的出口和地热井单元的出口均与吸收式热泵单元低温侧入口连接，吸收式热泵单元低温侧出口分别连接太阳能单元和地热井单元的入口。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述太阳能单元包括太阳能集热器(24)，所述太阳能集热器(24)的入口与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有低温热源循环泵(21)；
所述太阳能集热器(24)的出口与吸收式热泵单元低温侧入口之间依次设置有第三电动调节阀(25)和第七球阀(26)。
3.根据权利要求2所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述低温热源循环泵(21)与太阳能集热器(24)之间依次设置有第五球阀(22)和第六球阀(23)。
4.根据权利要求2所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述地热井单元包括热井地埋管道(31)，所述热井地埋管道(31)的入口连接吸收式热泵单元低温侧出口，热井地埋管道(31)的入口与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有热井循环泵(30)；
所述热井地埋管道(31)的出口与吸收式热泵单元低温侧入口之间设置有过滤器(32)。
5.根据权利要求4所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述热井循环泵(30)与吸收式热泵单元低温侧出口之间设置有第九球阀(28)和第四电动调节阀(29)。
6.根据权利要求5所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述吸收式热泵单元包括发生器(13)、溶液热交换器(15)、吸收器(17)、蒸发器(18)和冷凝器(20)；
所述发生器(13)的水侧入口连接余热锅炉(3)的水侧出口，发生器(13)的水侧出口连接热网供水母管，发生器(13)的溶液出口连接溶液交换器(15)第一侧溶液入口，在溶液交换器(15)中，换热后的溶液依次进入吸收器(17)溶液入口、溶液交换器(15)第二侧溶液入口和发生器(13)的溶液入口；
所述余热锅炉(3)的水侧出口连接吸收器(17)的热侧入口，吸收器(17)的热侧出口连接冷凝器(20)的热侧入口，冷凝器(20)的热侧出口连接热网供水母管，冷凝器(20)的蒸汽入口连接发生器(13)的蒸汽出口，冷凝器(20)的冷凝水出口连接蒸发器(18)的冷凝水入口，蒸发器(18)的蒸汽出口连接吸收器(17)的蒸汽入口，蒸发器(18)低温侧出口分别连接太阳能集热器(24)和热井地埋管道(31)的入口；太阳能集热器(24)和热井地埋管道(31)的出口均连接蒸发器(18)低温侧入口；
所述热网回水母管连接吸收器(17)的热侧入口。
7.根据权利要求5所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述热网回水母管的输出端设置有热网循环水泵(5)。
8.根据权利要求7所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述热网循环水泵(5)和吸收器(17)热侧入口之间设置有第三球阀(10)和第二电动调节阀(11)。
9.根据权利要求5所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供系统，其特征在于，所述冷凝器(20)的热侧出口与热网供水母管之间设置有第四球阀(12)。
10.根据权利要求1所述的一种内燃机耦合太阳能地热能的热电联供方法，其特征在于，包括以下步骤：
燃气机(1)产生的烟气依次进入余热锅炉(3)和烟气换热器(4)中将热量传递给热网回水，降温后烟气直接排出，在烟气换热器(4)中吸热后的循环水分两路，一路通过余热锅炉(3)吸热后做为吸收式热泵单元的驱动热源进入吸收式热泵单元，驱动热源后汇至热网供水母管，另一路进入吸收式热泵单元的热侧入口，吸热后汇至热网供水母管；
当光照条件充足时，吸收式热泵单元低温侧的循环水经过太阳能单元吸热后将热量传输至吸收式热泵单元；
当光照条件不充足时，吸收式热泵单元低温侧的循环水依次经过太阳能单元和地热井单元吸热后将热量传输至吸收式热泵单元。
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