CN2697328Y - 混合循环能源设备 - Google Patents

Abstract

一种混合循环能源设备，包括：一动力装置部分，动力装置部分包括空气压缩机、湿空气透平、发电机、以及燃烧室或高温换热器，其中湿空气透平分别连接于空气压缩机和发电机，燃烧室或高温换热器连通于湿空气透平；一热系统部分，热系统部分包括回热器、去湿冷凝器、加湿器、后冷器、储水器、加压装置和掺混器，其中，后冷器连通于空气压缩机并且还连通于加湿器和储水器，加湿器还连通于储水器和掺混器，储水器还连通于燃烧室或高温换热器和去湿冷凝器，掺混器还连通于燃烧室或高温换热器和回热器，回热器还连通于湿空气透平、燃烧室或高温换热器和去湿冷凝器，加压装置连通于去湿冷凝器、回热器和储水器。该混合循环能源设备可实现更好的经济和节能效益。

Description

混合循环能源设备

技术领域

本实用新型涉及一种混合循环能源设备，具体地说，涉及一种适合居住小区或建筑物用的混合循环能源设备。

背景技术

自七十年代能源危机以来，人们日益重视能源的节约和合理利用，相应发展了各种工业节能技术，也促进了动力发电循环和能源设备研究的发展。在当前强调生态和环境保护，走可持续发展道路前提下，进一步研究提高动力循环和能源设备的效率，增加对燃料和能源供应的适应性和减少排放温室气体对环境的危害具有更重要的意义。

与此同时，随着经济的发展和居民生活水平的提高，以提高生活和工作环境舒适性为前提的生活用能的需求，如电力、供热取暖、供冷、热水供应、通风等大幅度增加，从而使建筑和生活用能已成为城市中不容低估的耗能领域。在发达国家中，这部分用能已达到城市耗能的一半。这其中也包括工业生产中的生活用能部分。若停留在利用电驱动压缩热泵系统或蒸汽供热和制冷系统，从能源有效利用来说是不经济和不完全合理的。因此，如何安排、设计合理和先进的动力能源系统，同时更有效地满足生活用能的需要，已经日益迫切地被提上了日程。

热力学理论和多年来发达国家的经验表明，利用动力装置的余热转换成可利用的工业及生活用能的“热电联供”和“集中供热”是提高能源利用效率、减少有害排放的有效途径。在大规模集中发电的同时，分散发电结合集中供热的有效性也得到了更深入的认识。因此，对居住小区和建筑群的热电联供或小型热电联供的技术发展提出了新的要求，这已成为建筑节能技术中的很重要的一个方面。

小型热电联产系统主要包括二部分，即用于发电的动力装置部分和实现供热和/或供冷的热系统部分。这两个部分合成为一个能根据用户用能需要而协调和平衡的二联供即热、电联供或三联供即热、电、冷联供的能源设备。现有的小型热电联产设备中的供发电用的动力装置部分多采用基于布莱登(Brayton)简单循环的内燃式小功率燃气轮机和活塞式发动机。这种动力装置仅能适用液体或气体燃料，功率约在50-5000千瓦之间，利用500～700℃的排气余热产生蒸汽来供热，如果需要，可进一步通过吸收式制冷机来制冷。当供热或供冷的负荷不平衡时，需有备用蒸汽锅炉来进行调节，这样就使投资和设备复杂性相应增加。当前小功率燃气轮机产品的型号不多，热效率也不高，价格较昂贵，而柴油机必须使用燃料油，运行费用较高。而且，二者可以运用的热电比值均不高。

最近，国外正在大力发展功率约为30～100kW的所谓微型燃气轮机(MicroGas Turbine)，其热力循环特点是，利用高压缩比即压缩比＞10与高循环初温即温度＞1000°来获得高热效率。由于排气温度相应提高，若作为热电联产机组，其热电比和能源利用率也可相应提高。但是，这种微型燃气轮机的价格相应更为昂贵，技术上增加复杂性，维修也不简单。

因此，作为整体的居住小区或建筑群的热、电、冷三联供能源系统，尚须从热力循环和供热或供冷系统上作全面分析改进，提出新的、更有效的动力循环装置和能源设备。

实用新型内容

为克服现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于，提供一种可燃用各种燃料和具有更高能源利用率的混合循环能源设备。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种混合循环能源设备，包括：一动力装置部分，所述动力装置部分包括空气压缩机、湿空气透平、发电机、以及燃烧室或高温换热器，其中所述湿空气透平分别连接于所述空气压缩机和所述发电机，所述燃烧室或高温换热器连通于所述湿空气透平；一热系统部分，所述热系统部分包括回热器、去湿冷凝器、加湿器、后冷器、储水器、加压装置和掺混器，其中，所述后冷器连通于所述空气压缩机和所述储水器并且还通过两条连接管道分别连通于所述加湿器，所述加湿器还连通于所述储水器和所述掺混器，所述储水器还连通于所述燃烧室或高温换热器并通过所述加压装置连通于所述去湿冷凝器，所述掺混器还连通于所述燃烧室或高温换热器和所述回热器，所述回热器还连通于所述湿空气透平、所述燃烧室或高温换热器和所述去湿冷凝器，所述加压装置连通于所述去湿冷凝器、所述回热器和所述储水器。

本实用新型的创新内容表现在：

1)借助同一个空气压缩机—透平主机系统，利用外燃型燃烧系统加热中压即5-6个大气压的压缩空气，从而实现能燃用各种燃料的半开式燃气轮机。或者，也可借助高温换热器，实现利用高温余热即温度为650～800℃的燃气轮机或复合式发动机燃气轮机。

2)利用系统中的热水对空气工质进行二次加湿，并对透平排气进行接触式去湿冷凝，这样就能形成高效的中压中温空气—水混合循环，从而有效地提高热循环效率。

3)如果需要，可利用接触式去湿冷凝系统中的热水，应用热水喷射式热泵技术来制冷/供热，从而使整个能源系统成为更合理的电、热、冷三联供设备，进一步提高系统能源利用率。

4)本实用新型所提出的高效三联供能源设备，可使燃料或高温余热的利用与热、电、冷的联供实现热力学上更有效的结合。由于动力装置性能的提高，因而使成本与运行费用价格降低，且易于调节系统的热电平衡。

本实用新型的混合循环能源设备适应了国内和国际上热电联产和三联供能源系统的发展要求。该设备依据热力学中能源梯级利用和寻求更高

效率的原则，为进一步提高热、电、冷联产的能源利用效率和拓宽实际应用，提出了可适用于外燃、利用高温余热、以空气加湿和去湿过程为基础的半开式混合循环中压中温空气轮机，将其与热水喷射制冷/供热即热水喷射热泵系统优化结合，可进一步地充分利用发电装置的余热，形成有很高三联供效率的新的热、电、冷三联供设备。该设备的设备不复杂，易于实现，且能在一定程度上调节热电比。另外，设备的维护运行更为方便可靠，技术和经济可行性高，与现有常规设备相比，可实现更好的经济和节能效益。

附图说明

图1是根据本实用新型一较佳实施例的混合循环能源设备的示意图；

图2是动力能源设备流程的焓熵图：

图3a-3c分别是能源设备的发电效率图、热电联产能源利用率图和热电比效率图；以及

图4a-4b分别是作比较用的简单回热循环燃气轮机的能源利用效率图和发电效率图。

具体实施方式

图1示出了根据本实用新型一较佳实施例的混合循环能源设备。该设备主要包括一用于发电的动力装置部分和一用于供热和供冷的热系统部分。动力装置部分包括空气压缩机1、湿空气透平2、发电机3和燃烧室4。热系统部分包括回热器5、去湿冷凝器6、加湿器7、后冷器8、储水器9、水泵10、掺混器11、冷凝器12、引射器13、蒸发器14和节流阀15。

按照工作原理，动力装置部分实际上类似于一个半开式的燃气轮机，其中湿空气透平2通过转轴分别连接于空气压缩机1和发电机3，以为它们提供工作动力。另外，燃烧室4连通于湿空气透平2，以为其提供膨胀作功所需的高温湿空气。这里所谓的“连通”可借助例如管道之类的常规技术来实现，在下文中也是一样，因而不再赘述。值得注意的是，在本实用新型中，燃烧室4可以是外燃型的，能利用呈液态、气态和固态的各种燃料。还有，如果需要，也可以用高温换热器来代替燃烧室，该高温换热器可借助工业装置或前置发动机的650～800℃的余热来对工质即湿空气进行加热。

在该实施例中，热系统部分可进一步地细分为供热子系统和制冷子系统，其中制冷子系统是可选用的。在图1中，制冷子系统由冷凝器12、引射器13、蒸发器14和节流阀15等构件组成，其中，引射器13连通于冷凝器12和蒸发器14，冷凝器12连通于去湿冷凝器6，蒸发器14通过节流阀15连通于去湿冷凝器6。该制冷子系统可以例如是一种热水喷射式制冷系统，其详细结构和工作原理可参见本实用新型申请人于1999年7月15日提交的、申请号为99113880.5、题为“分离热管型热喷射式制冷和供热系统”的发明专利申请，该专利已在2003年10月15日获授权。该申请的内容可援引在本申请内以供参考。应该理解，制冷子系统还可以由其它方式来实现，例如吸收式制冷或蒸汽喷射式制冷等，但这些都不属于本申请的范围。

如图1所示，在供热子系统中，后冷器8连通于空气压缩机1和储水器9，并且还通过两条连接管道分别连通于加湿器7。加湿器7还连通于储水器9和掺混器11。储水器9还连通于燃烧室4并通过下述的加压装置10连通于去湿冷凝器6。掺混器11还连通于燃烧室4和回热器5。回热器5还连通于湿空气透平2、燃烧室4、去湿冷凝器6以及制冷子系统。去湿冷凝器6也连通于制冷子系统。作为加压装置的水泵10连通于去湿冷凝器6、回热器5和储水器9。

以下将结合图1详细描述根据该较佳实施例的混合循环能源设备的工作情况。在图1以及下文的描述中，用T表示温度，用P表示压力，用X表示湿度，而下标字母a表示空气，w表示水，没有下标则表示空气和水的混合物即湿空气。

如图1所示，空气在环境温度T_1a下由空气压缩机1压缩到压力P_2a和温度T_2a，这时取压缩比约为6，属中压范围，然后进入后冷器8降温到T_3a，再进入加湿器7。从储水器9来的温度为T_2w的热水经后冷器被加热到T_3w即接近P_2a下的饱和温度，而后从加湿器7的顶部喷入，从而对其中的空气进行加湿。这时，温度为T_10w的水落入储水器9，温度变为T_2w的热水从储水器9被传送至燃烧室或高温换热器4加热为湿蒸汽。接着，被加湿后的湿空气以温度T₄、湿度X₁进入掺混器11，与利用燃烧室4的排气余热所形成的温度为T₁₂的湿蒸气混合后达到新的湿度X₂，并以温度T₁₃进入回热器5。

接着，在回热器5中，湿空气的温度变为T₅，并以此温度进入燃烧室4。随后，由燃烧室4加温到循环温度T₆，例如取600℃。此湿空气经透平2作功带动空气空气压缩机1和发电机3。透平2的排气T₇进入回热器5，先加热湿空气，再加热热系统用水，最后以温度T_8′排入去湿冷凝器6。去湿冷凝器6可以是直接接触式热交换器，其冷凝温度可根据季节调节。在去湿冷凝器6中，温度为T_9a的空气可直接排入大气，而温度为T_ow的回水由泵10加压到循环压力，以温度T_1w进入储水器9和回热器5。

另外，来自于回热器5的温度为T_14W，例如90℃的热水可进入制冷子系统，通过热水喷射热泵系统来制冷或供热。如果无需制冷，则可以直接排入去湿冷凝器6。也可用去湿冷凝器中热水直接供热。

本实用新型的能源设备的一个很重要的特点是二次加湿，第一次是直接利用后冷器8的热水在加湿器7中实现对压缩空气的加湿，达到湿度X₁，然后通过燃烧室4的余热将热水加热为蒸汽或湿蒸汽，在掺混器中与湿空气掺混，进一步提高总湿度到X₂。这样，有利于提高循环发电效率和能源利用率。

由于本能源设备利用湿空气而不是燃气作工质，没有露点腐蚀问题，故而冷凝池温度可以到90℃或更低，从而可提高整个系统的能源利用率，接近于吃完用尽。因此本动力循环并不如常规系统中需采用高温、高压燃气来提高效率，更适合于小区或建筑物多联供的中小功率动力能源系统的使用。

图2示出了根据如上所述较佳实施例的能源系统流程的焓熵图。

另外图3a-3c分别是能源设备的发电效率图、热电联产能源利用率图和热电比效率图。图4a-4b分别是作比较用的简单回热循环燃气轮机的能源利用效率图和发电效率图。从这些图中可以看出，本实用新型的能源设备的能源利用效率在压比6及循环最高温度600℃下理论上可达95％。与压比为4及循环最高温度为600℃的回热循环燃气轮机相比，本实用新型的能源设备的能源利用率可增加约18％，达31.5％，而热电冷联供能源利用效率也可增加16％，约95％。由此可见，本实用新型的效果与经济性是非常可观的。

Claims (8)

1.一种混合循环能源设备，包括：

一动力装置部分，所述动力装置部分包括空气压缩机、湿空气透平、发电机、以及燃烧室或高温换热器，其中所述湿空气透平分别连接于所述空气压缩机和所述发电机，所述燃烧室或高温换热器连通于所述湿空气透平；

一热系统部分，所述热系统部分包括回热器、去湿冷凝器、加湿器、后冷器、储水器、加压装置和掺混器，其中，所述后冷器连通于所述空气压缩机和所述储水器并且还通过两条连接管道分别连通于所述加湿器，所述加湿器还连通于所述储水器和所述掺混器，所述储水器还连通于所述燃烧室或高温换热器并通过所述加压装置连通于所述去湿冷凝器，所述掺混器还连通于所述燃烧室或高温换热器和所述回热器，所述回热器还连通于所述湿空气透平、所述燃烧室或高温换热器和所述去湿冷凝器，所述加压装置连通于所述去湿冷凝器、所述回热器和所述储水器。

2.如权利要求1所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述热系统部分还包括一制冷子系统，该制冷子系统连通于所述回热器和所述去湿冷凝器。

3.如权利要求2所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述制冷子系统为热水喷射式制冷系统，其包括冷凝器、引射器、蒸发器和节流阀，其中，所述引射器连通于所述冷凝器和蒸发器，所述冷凝器连通于所述去湿冷凝器，所述蒸发器通过所述节流阀连通于所述去湿冷凝器。

4.如权利要求2所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述制冷子系统为吸收式制冷机。

5.如权利要求1所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述去湿冷凝器是直接接触式热交换器。

6.如权利要求1所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述燃烧室是外燃型的。

7.如权利要求1所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述空气压缩机的压缩比为6，属中压范围。

8.如权利要求1所述的混合循环能源设备，其特征在于，所述能源设备的循环温度为600℃。

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