CN204254930U - 耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统。其目的是提供一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，能基于城市污水，利用太阳能、风能和地热能，以减少污染，加强污水资源化利用，并梯级利用多种可再生能源，提高系统运行的效率。一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，包括：城市污水分布式能源系统、风光互补发电系统、太阳能集热系统和地源热泵系统。本实用新型采用了多系统耦合的方式来利用生物质能、太阳能、风能和地热能进行冷热电三联供，并能按需求端变化实现两种耦合模式；不但将城市污水处理厂的污水变废为宝，还实现了厂区内太阳能、风能和地热能等多能集成利用。

Description

耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统

技术领域

本实用新型涉及能源综合利用技术领域，具体来说，是涉及一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统。

背景技术

现有技术方案中缺乏在城市污水处理厂平台上利用多种可再生能源系统的设计。城市居民生活、牲畜养殖场和食品加工业等都能产生大量富含有机质的城市污水。一般情况下，城市污水作为废弃物被直接排放或者在污水处理厂进行有氧发酵处理之后进行排放，大量有机质没有进行资源化的利用。对城市污水进行厌氧发酵能够产生沼气，沼气可作为燃料加以利用。

风电、光伏、光热、生物质能、地热能等在城市区域单独利用时，由于容量小、随机性强、稳定可靠性差、并网难、效率低等先天不足，同时加之各自分散利用，无法发挥有效地替代作用；如果将多种可再生能源利用系统耦合，能有效避免以上缺陷，且实现各自优势的集成，提供清洁高效可持续的能源。

常规的分布式三联供系统主要是以天然气作为燃料，消耗大量的化石能源，还排放大量温室效应气体和二氧化硫等污染物，沼气可以作为天然气的替代燃料。

污水处理厂和牲畜养殖场一般占地面积较大，可资利用空间较多，有多种可再生能源集成利用的资源条件，例如在污水处理池上方或者养殖大棚上可搭建太阳能利用设备等；在地下可铺设地下换热设备；另外，污水处理厂等一般处于城市边缘，由城市热岛效应产生的循环风能资源较为丰富。

风光互补发电耦合燃气轮机发电，能够提高电能的质量，解决单独发电并网难等问题；微风发电设备技术已经比较成熟，如S1NFON1A技术公司已研制出垂直轴型风力发电机，不论风向，风速达到1m/s就可以工作(见《农村电工》2011.11)。

太阳能是一种丰富、清洁的可再生能源，太阳能集热系统驱动吸收式制冷是利用太阳能的一种新型技术，与常规的吸收式制冷系统相比，能够实现太阳能热量的充分利用，提高吸收式制冷的效率。

当达到某一深度土壤温度基本保持常数(8-10℃)，以土壤作为热源或者冷源，相应通过地源热泵和地下换热器能将储藏在土壤的中能量加以利用，具有高效率和节能的突出优势。

以上的这些背景，为集成太阳能、风能、地热能和城市污水进行热电冷三联供利用创造 了有利的条件。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，能基于城市污水，利用太阳能、风能和地热能，以减少污染，加强污水资源化利用，并梯级利用多种可再生能源，提高系统运行的效率。

为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案。

一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，包括：城市污水分布式能源系统、风光互补发电系统、太阳能集热系统和地源热泵系统。其中：

城市污水分布式能源系统：依次连接的污水预处理装置、厌氧发酵装置、燃气轮机、发电机、变压器、电网，通过电网连接至电力需求端，所述燃气轮机依次连接余热锅炉、第一水泵、工质热交换器、发生器、第一冷凝器，所述第一冷凝器分别连接至第一地下换热器和第一蒸发器，所述第一冷凝器和第一地下换热器之间设有第二水泵，所述第一冷凝器和第一蒸发器之间设有第二节流阀，所述第一地下换热器和第一蒸发器均连接至吸收器，所述吸收器连接至所述第一冷凝器形成循环回路，所述吸收器连接溶液热交换器，所述溶液热交换器)通过溶液泵连接至发生器，所述溶液热交换器和发生器之间设有第一节流阀，所述余热锅炉连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述第一蒸发器连接至冷需求端。

风光互补发电系统：光伏组件和风力发电机连接至风光互补控制器，所述风光互补控制器依次连接蓄电池组和逆变器，所述逆变器连接至电网。

太阳能集热系统：太阳能集热器通过第三水泵连接至热水换热器，所述热水换热器通过第四水泵连接至所述余热锅炉，所述工质热交换器通过管道连接至所述热水换热器，连接所述工质热交换器和热水换热器之间的管道上设有阀门。

地源热泵系统：第二地下换热器依次连接第二蒸发器、第二冷凝器、蓄热水箱，所述蓄热水箱连接至热需求端；所述第二蒸发器和第二冷凝器之间设有压缩机和第三节流阀，所述第二冷凝器和蓄热水箱之间设有第五水泵。

进一步地，所述耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统还包括：第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀，所述第一三通阀设于所述余热锅炉和工质热交换器之间，所述第二三通阀设于所述工质热交换器和热水换热器之间，所述第三三通阀和第四三通阀均设于第二冷凝器和蓄热水箱之间，所述第三三通阀与第二三通阀连接，所述第四三通阀与第一三通阀连接。通过调节四个三通阀，实现不同的热水循环切换，产生两种系统耦合模式。所述系统形成至少两条水循环回路：一条水循环回路为循环水从第二换热器依次通过 第三三通阀、第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀、第四三通阀、蓄热水箱连接至供热端；另一条水循环回路为循环水从工质热交换器依次通过第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀回到工质热交换器。当为用户同时供冷和供热时，系统所制备的热水用于驱动吸收式制冷循环，来自所述工质热交换器的循环水依次通过第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀回到工质热交换器驱动吸收式制冷循环；当为用户只供热不供冷时，系统所制备的热水用于提供用户的热需求，来自所述第二换热器的循环水依次通过第三三通阀、第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀、第四三通阀、蓄热水箱连接至供热端。

优选地，所述余热锅炉和烟气处置装置之间设有换热装置，所述换热装置连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述换热装置连接入所述地源热泵系统。余热锅炉中出来的烟气中的热量通过换热装置被吸收后进入地源热泵系统，使热量得到充分利用。

其中，所述换热装置包括第一烟气换热器，所述第一烟气换热器连接入所述第二冷凝器和蓄热水箱之间。

进一步地，所述第一烟气换热器后端还连接设有第二烟气换热器，所述第二烟气换热器连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述第二烟气换热器连接入所述第二冷凝器和蓄热水箱之间。

本实用新型耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统对城市污水中丰富的有机质进行资源化利用，通过厌氧发酵装置产生沼气作为分布式能源系统燃料；首先利用沼气在燃气轮机做工带动发电机进行发电，其次是利用高温烟气热量驱动吸收式制冷循环，并把吸收式制冷中冷却水循环接入第一地下换热器加强换热效率；采用了多系统耦合的方式来利用生物质能、太阳能、风能和地热能，实现了多种可再生能源利用系统的耦合进行冷热电三联供；不但将城市污水处理厂的污水变废为宝，还实现了厂区内太阳能、风能和地热能等多能集成利用。

附图说明

图1是本实用新型耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统的原理图；

图2是本实用新型耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统实行供热、供电和供冷时的运行示意图；

图3是本实用新型耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统实行供热和供电时的运行示意图。

具体实施方式

本实用新型提出的一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1所示，耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统原理图，所述的技术方案包括：

一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，包括城市污水分布式能源系统、风光互补发电系统、太阳能集热系统和地源热泵系统。

其中，城市污水分布式能源系统包括：依次连接的污水预处理装置1、厌氧发酵装置2、燃气轮机3、发电机4、变压器5、电网6，通过电网6连接至电力需求端；其中燃气轮机3依次连接余热锅炉7、第一水泵8、工质热交换器9、发生器10、第一冷凝器19，其中第一冷凝器19分别连接至第一地下换热器15和第一蒸发器17，第一冷凝器19和第一地下换热器15之间设有第二水泵16，第一冷凝器19和第一蒸发器17之间设有第二节流阀18，第一地下换热器15和第一蒸发器17均连接至吸收器14，吸收器14连接至第一冷凝器19形成循环回路；其中吸收器14连接溶液热交换器13，溶液热交换器13通过溶液泵12连接至发生器10，溶液热交换器13和发生器10之间设有第一节流阀11；其中余热锅炉7依次连接第一烟气换热器20、第二烟气换热器21、烟气处理装置22；第一蒸发器17连接至冷需求端。

风光互补发电系统包括：光伏组件23和风力发电机24连接至风光互补控制器25，风光互补控制器25依次连接蓄电池组26和逆变器27，逆变器27连接至电网6。

太阳能集热系统包括：太阳能集热器28通过第三水泵29连接至热水换热器30，热水换热器30通过第四水泵32连接至余热锅炉7，工质热交换器9通过管道连接至热水换热器30，连接工质热交换器9和热水换热器30之间的管道上设有阀门31。

地源热泵系统包括：第二地下换热器33依次连接第二蒸发器34、第二冷凝器37、蓄热水箱39，蓄热水箱39连接至热需求端；其中第二蒸发器34和第二冷凝器37之间设有压缩机35和第三节流阀36，第二冷凝器37和蓄热水箱39之间设有第五水泵38。第一烟气换热器20、第二烟气换热器21连接入地源热泵系统，设于第二冷凝器37和蓄热水箱39之间。

进一步地，耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统还包括第一三通阀40、第二三通阀41、第三三通阀42、第四三通阀43，第一三通阀40设于余热锅炉7和工质热交换器9之间，第二三通阀41设于工质热交换器9和热水换热器30之间，第三三通阀42和第四三通阀43均设于第二冷凝器37和蓄热水箱39之间。其中第三三通阀42与第二三通阀41连接，第四三通阀43与第一三通阀40连接。通过调节四个三通阀，实现不同的热水循环切换，产生两种系统耦合模式。

富含有机质的城市污水经过厌氧发酵产生沼气，沼气在燃气轮机3中做完功之后，转化为高温烟气进入余热锅炉7加热锅炉给水；从余热锅炉中出来的中温烟气最后经过两个热交换器，对热水进行两次加热，最后经过尾气处理排向大气。

光伏组件23和风力发电机24分别发电，然后电流在风光互补控制器25的整流作用下，进入蓄电池组26，最后在逆变器27中转化为交流电并入电网对外供电；流经太阳能集热器28的循环水吸收太阳能热量，在循环水泵的作用下，在第一蓄热水箱30中预热锅炉给水；从余热锅炉7中出来的高温循环水有两种循环途径，通过三通阀进行切换，第一种是进入工质热交换器9加热驱动工质，驱动工质在发生器10加热制冷工质驱动制冷循环对外供冷；第二种是进入第二蓄热水箱39为用户提供热水。地源热泵系统通过第二地下换热器33将土壤层中的低品位热量加以利用对循环水进行第二级加热。

如图2所示，从余热锅炉7出来的循环水选择所述第一种循环途径，实行供热、供电和供冷时集成太阳能、风能和地热能的城市污水分布式耦合系统。

在供电端，由城市污水厌氧发酵产生的沼气进入燃气轮机3中做功，带动发动机4发电，与此同时，光伏组件23和风力发电机24所发电力最后经过逆变器27变为交流电，两部分电力通过母线进入电网6供给用户。

在供冷端，太阳能集热器28所接收的太阳能热量储存在第一蓄热水箱30中。余热锅炉7给水流经第一蓄热水箱30时得到一次加热，然后在余热锅炉7中得到高温烟气二次加热，最后通过第四水泵32进入工质热交换器9中放热，制冷工质吸收热水所放热量，然后在发生器10中释放驱动吸收式制冷循环；另外，在吸收式制冷的冷却水循环中，将冷却水接入到第一地下换热器15中对低温土壤层放热，使得制冷工质与冷却水在吸收器14和第一冷凝器19中热交换时，换热效率提高。

在供热端，综合利用地热能、烟气热能，从热用户端循环回来的热水首先吸收从余热锅炉7中出来的烟气释放的热量，得到第一次加热；循环水进入地源热泵系统的第二冷凝器37吸收热泵工质释放的热量进行第二次加热；热水在第五水泵38的作用下，进入第二热交换器21再次吸收烟气所放热量进行第三次加热；循环热水经过三次加热之后进入蓄热水箱39，为热需求端提供热水。

烟气与循环水进行多级换热，实现了高效利用，最后在烟气处理装置22中处理后排入大气。

如图3所示，从余热锅炉7出来的循环水选择所述第二种循环途径，实行供热和供电时集成太阳能、风能和地热能的城市污水分布式耦合系统。

在供电端，类似于图2中的运行情况，城市污水分布式能源系统所发电力与风光互补系 统所发电力并入同一条母线后，通过变压器5升压后接入外接电网。

在供热端，利用三通阀形在图3中形成了与图2不同的耦合方式，除图2中的三级加热循环之外，太阳能集热系统和余热锅炉也耦合到热水供应部分对循环水进行加热。从热用户端循环回来的热水首先在第一换热器20中吸收中温段烟气所放热量；热水在第五水泵38的作用下进入地源热泵系统中的第二冷凝器37吸收热泵工质所放的热量，此时温度可以提升至50-60℃；接着，热水进入第二换热器21吸收低温段烟气所放热量，温度得到进一步提升；再进入太阳能集热系统中的热水换热器30，进行第四次加热；热水在第四水泵32的作用下进入余热锅炉7中吸收高温段烟气所放热量，进行第五次加热。从热用户端回来的循环水进行五次逐级加热使得地热能、太阳能和生物质能得到充分的利用，最后流入到蓄热水箱39为热需求用户供热。

以上实施案例仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的工作人员，在不脱离本发明的精神以及专利权要求书所描述的范围内，还可以设计出多种具体的技术耦合方案，因此，所有等同的技术方法也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于，包括：

城市污水分布式能源系统：依次连接的污水预处理装置（1）、厌氧发酵装置（2）、燃气轮机（3）、发电机（4）、变压器（5）、电网（6），通过电网（6）连接至电力需求端，所述燃气轮机（3）依次连接余热锅炉（7）、第一水泵（8）、工质热交换器（9）、发生器（10）、第一冷凝器（19），所述第一冷凝器（19）分别连接至第一地下换热器（15）和第一蒸发器（17），所述第一冷凝器（19）和第一地下换热器（15）之间设有第二水泵（16），所述第一冷凝器（19）和第一蒸发器（17）之间设有第二节流阀（18），所述第一地下换热器（15）和第一蒸发器（17）均连接至吸收器（14），所述吸收器（14）连接至所述第一冷凝器（19）形成循环回路，所述吸收器（14）连接溶液热交换器（13），所述溶液热交换器（13）通过溶液泵（12）连接至发生器（10），所述溶液热交换器（13）和发生器（10）之间设有第一节流阀（11），所述余热锅炉（7）连接至烟气处理装置（22）后将烟气排出，所述第一蒸发器（17）连接至冷需求端；

风光互补发电系统：光伏组件（23）和风力发电机（24）连接至风光互补控制器（25），所述风光互补控制器（25）依次连接蓄电池组（26）和逆变器（27），所述逆变器（27）连接至电网（6）；

太阳能集热系统：太阳能集热器（28）通过第三水泵（29）连接至热水换热器（30），所述热水换热器（30）通过第四水泵（32）连接至所述余热锅炉（7），所述工质热交换器（9）通过管道连接至所述热水换热器（30），连接所述工质热交换器（9）和热水换热器（30）之间的管道上设有阀门（31）；

地源热泵系统：第二地下换热器（33）依次连接第二蒸发器（34）、第二冷凝器（37）、蓄热水箱（39），所述蓄热水箱（39）连接至热需求端；所述第二蒸发器（34）和第二冷凝器（37）之间设有压缩机（35）和第三节流阀（36），所述第二冷凝器（37）和蓄热水箱（39）之间设有第五水泵（38）。

2.如权利要求1所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于，还包括：第一三通阀（40）、第二三通阀（41）、第三三通阀（42）和第四三通阀（43），所述第一三通阀（40）设于所述余热锅炉（7）和工质热交换器（9）之间，所述第二三通阀（41）设于所述工质热交换器（9）和热水换热器（30）之间，所述第三三通阀（42）和第四三通阀（43）均设于第二冷凝器（37）和蓄热水箱（39）之间，所述第三三通阀（42）与第二三通阀（41）连接，所述第四三通阀（43）与第一三通阀（40）连接。

3.如权利要求2所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述系统形成至少两条水循环回路：一条水循环回路为循环水从第二换热器（21）依次通过第三三通阀（42）、第二三通阀（41）、热水换热器（30）、余热锅炉（7）、第一三通阀（40）、第四三通阀（43）、蓄热水箱（39）连接至供热端；另一条水循环回路为循环水从工质热交换器（9）依次通过第二三通阀（41 ）、热水换热器（30）、余热锅炉（7）、第一三通阀（40）回到工质热交换器（9）。

4.如权利要求1所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述余热锅炉（7）和烟气处置装置（22）之间设有换热装置，所述换热装置连接至烟气处理装置（22）后将烟气排出，所述换热装置连接入所述地源热泵系统。

5.如权利要求 4所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述换热装置包括第一烟气换热器（20），所述第一烟气换热器（20）连接入所述第二冷凝器（37）和蓄热水箱（39）之间。

6.如权利要求5所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述第一烟气换热器（20）后端还连接设有第二烟气换热器（21），所述第二烟气换热器（21）连接至烟气处理装置（22）后将烟气排出，所述第二烟气换热器（21）连接入所述第二冷凝器（37）和蓄热水箱（39）之间。