一种复合供能系统及其潜热的利用方法

专利名称：一种复合供能系统及其潜热的利用方法
技术领域：
本发明属于分布式能源热电冷联供技术领域，具体地涉及一种复合 供能系统。
本发明还涉及用于提高上述供能系统性能的高湿度低温烟气潜热 利用技术和系统。
本发明还涉及一种湿空气透平(HAT)循环排烟水回收技术和系统。
背景技术：
城市住宅及建筑物供暖供冷每年要消耗大量的化石能源，但现有的 供暖和供冷装置大多能源利用率较低，浪费严重，同时加重了大气污染。 在能源及环境问题己经受到全球普遍关注的今天，上述的供能系统显然 无法满足要求。而构建清洁、高效、科学用能的复合供能系统是提高能 源利用率、节省能源、降低污染的有效途径。
以燃气机为核心的热电(冷)联供、热泵系统被认为是当前比较合 理的供暖(冷)方式。
热电(冷)联供机组符合能量梯级利用的原则，系统的能源利用率 较高。但是，其生产的高品质电能相当于是热(冷)能的副产品。由于 机组容量小、参数低，故发电效率明显低于大型电站发电效率，造成能 源利用率下降。因为一部分燃料热值转变成电能，所以供热量必然小于 消耗的燃料发热量，这对以供热(冷)为目的的机组来说，并不希望这 样。另外，热电负荷灵活性不够，电负荷由热负荷决定，当需要的热(冷) 负荷一定时，相应的电负荷就被决定了，无法在电负荷为零的情况下向 外供暖或供冷。因此，要实现供热(冷)，这类机组必须并入电网运行， 由于政策和技术上的原因，受到诸多限制。目前相当多的机组仅仅是热 电联产机组，它们还存在另一个问题是夏季热负荷极低，全年可用率下 降。而夏季制冷，又多采用电动空调，加重了电网尖峰负荷。热泵系统，尤其是地源热泵，以其高效、清洁环保和利用可再生能 源的特点近年来得到迅速发展。其本身的优点非常突出。 一般输入lkW电能可获得3 5kW热(冷)量。目前的热泵系统多采用电驱动，其实 际能效比有所下降。主要是因为电网供电效率一般不足35%，也就是 说，每消耗lkW燃料热量，最终通过热泵转换成的热(冷)量仅在1.0 1.8kW。热泵的高性能被集中式发电厂的低能源利用率给抵消了。另外， 电驱动热泵系统的最大缺点在于夏季加重了电网尖峰负荷，增加电网安 全运行负担。很自然地，构建一种新型的复合供能系统，充分利用热电(冷)联 产和热泵系统的优点，又能有效地弥补它们的不足是很必要的。由前述 可知，热电(冷)联供系统用能科学，能源利用率高。只是发出的电能 不能直接用于供热(冷)，而且燃料量一定时每多发一份电能，相应的 就少供一份热(冷)。如果将多发的这一份电能直接用于驱动热泵，则 可以变成3 5份的热(冷)能，系统总的供热(冷)量增加了 2 4份， 同时既解决了热电(冷)联供系统发电上网的问题，也解决了热泵从电 网取电、加重电网尖峰负荷的问题。而且，热电冷联供系统的电效率越 高，消耗相同燃料量可提供的热(冷)量就越多，燃料的一次能源利用 率就越高。目前，空气湿化循环装置(HAT)具有最高发电效率的潜力，将其 与水源热泵集成，可以大大提高系统的一次能源利用率(可达2.0以上)。 对改善系统的热(冷)电比范围、热(冷)电负荷灵活性、避免发电上 网的麻烦和夏季给电网增加尖峰负荷、减轻环境污染等问题都有积极的 意义。另外，也降低了城市燃气峰谷差，提高燃气管网夏季利用率。而 且，通过烟气余热回收利用，空气湿化循环高湿度烟气水回收和低温潜 热利用问题也可以在一定程度上得到解决。发明内容本发明的目的在于提供一种复合供能系统及其潜热的利用方法，由 空气湿化循环装置与热泵系统集成的、可用于住宅、建筑物等的供暖、 供冷、供电的复合供能系统，以及低温高湿度烟气水回收和潜热利用方法，该复合供能系统具有一次能源利用率高、热电比范围大、供热(冷) 能力大、可缓解电网和城市燃气管网季节性负荷峰谷差。各部分间独立 性强、灵活性好，高湿度烟气水回收效果好等特点。为了实现所述的目的，本发明的第一方面，提供了复合供能系统， 由空气湿化循环装置与水源热泵系统集成，空气湿化循环装置的发电机 发出的部分或全部电能供给具有较高热泵的性能系数的水源热泵，用于 从水源中提取任意比例的热或冷量、或电负荷需求供给用户。具体地，复合供能系统还包括烟气余热利用设备、换热器和水处理 系统，空气湿化循环装置高湿度排烟经过烟气余热利用设备向外供热或 冷，烟气再进入换热器进一步冷凝，释放出其中的潜热并回收水分后排 放，回收的水经水处理系统处理后返回空气湿化循环装置重复使用。为了实现所述的目的，本发明的第二方面，提供提高复合供能系 统性能的空气湿化循环低温烟气潜热利用方法，其步骤如下当烟气温 度略高于或低于热网供热要求温度时，通过换热器用低温烟气的热量加 热由水源去往水源热泵的温度较低的水，以提高热泵的性能系数。具体地，所述采用自来水吸收换热器中的烟气释放的潜热，用于 提供生活热水。具体地，所述夏季时，将地下水源来水引入换热器以实现水回收。 具体地，所述将水源热泵出口的低温水引入换热器，用以提高水 回收效果。本发明与现有热(冷)电联供系统相比具有以下的优点和有益效果。(1) 一次能源利用率高，可达2.0以上。与传统燃机循环相比， 空气湿化循环有较高的电效率，在燃料量相同时，发电量要高于传统循环。而每增加lkW电能，在输入热泵后就可以转变成3.5 5.5kW的热(冷)。供热(冷)的一次能源利用率自然升高。(2) 热电比范围扩大；热电负荷灵活性明显改善。其热电负荷性 能曲线如图3所示。系统可以单纯发电；也可以在输出OkW电能的情 况下提供最大的热(冷)负荷，热电比在0 w范围变化；系统也可以在任意的热(冷)电负荷下运行。在实现上述功能的前提下，复合供能系统可以保证在较高效率乃至设计效率下运行，经济性好。(3) 在机组容量相同的情况下，供热(冷)能力比现有联供系统 明显增加，甚至可多出数倍。若保持供热(冷)负荷不变，机组容量可 以明显减小。(4) 与现有系统相反，本发明复合供能系统的空气湿化循环部分发电效率越高(对应的排烟温度就越低)，复合系统的供热(冷)能力 越强，能源利用率就越高。这更符合热(冷)用户的要求。(5) 在"以热定电"原则下，热负荷相同时，本发明所述复合供 能系统空气湿化循环工作点更接近设计工况点，具有更高的效率， 一次 能源利用率高。(6) 本发明所述复合供能系统，夏季通过燃用天然气实现制冷， 减轻电网尖峰负荷的同时也降低城市燃气管网冬夏季节性负荷峰谷差。(7) 本发明所述的复合供能系统，各部分间独立性强，灵活性好。 在空气湿化循环无法正常提供电能的情况下，仍可以通过从电网购电驱 动热泵实现供热(冷)。在仅需要电负荷时可以单独发电，而且湿化循 环的特点决定了发电效率比较高。(8) 高湿度烟气水回收效果好。


图1 2是本发明的系统示意图。图3是本发明所述复合供能系统的热电负荷性能曲线示意图。 图4和图5是空气湿化循环示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实 施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。在本发明的系统中，利用燃气轮机循环排烟中的废热加热水并用 其加湿压縮空气，形成空气湿化循环。因为排烟余热被充分利用，所以 循环内部发电效率较高。空气湿化循环装置1的发电机发出的部分或全部电能提供给具有较高性能系数(简称COP:英文Coefficient of Performance的缩写，下同)的水源热泵2，从水源中提取热(冷)量供 给用户。空气湿化循环装置1的发电机发出的电，除供给热泵外，还可以就 地供给其它用电设备使用，不必上网。若需要的冷(热)负荷较大，发 电机负荷不能满足需要，还可以从电网购买较少部分的电能。避免了上 网和夏季增加电网尖峰负荷的问题。将发电机发出的部分或全部电能供给水源热泵2后，可以在保证 复合系统一次能源利用率较高的情况下，实现在电负荷为零时提供最大 的冷(热)负荷，系统的热电比范围增大、热电负荷灵活性增强。所述烟气水回收方法，还包含通过生产生活热水来吸收烟气潜热， 实现水回收。为实现空气湿化循环高湿度烟气水回收，冬季时可以将进 入水源热泵2的水先在换热器4中冷凝烟气，实现水回收。此法从另一 面来讲，也是烟气潜热利用方法；所述潜热利用方法，如前所述，除提 供生活热水外，冬季，还可以用烟气潜热加热水源热泵2进口水，水被 加热以后进入水源热泵2，会提高水源热泵的性能系数，系统的能源利 用率提高。如图1为本发明复合供能系统循环示意图所示，主要包括 空气湿化循环装置l、水源热泵2、烟气余热利用设备3、换热器 4、配电设备5、水处理系统6以及相关第一阀门7、第二阀门8、第三 阀门9、第四阀门10、第五阀门11和管道等组合而成，它们采用的具 体形式为空气湿化循环装置1:以Bowman公司生产的TG80微燃机为核心， 压比4.3,初温90(TC，额定功率80kW。水源热泵2，也可以是其它热泵，如空气源热泵等，水源热泵2可 以采用电驱动或由燃机直接驱动。本例采用CIATLWP系列水源热泵。烟气余热利用设备3，可以采用表面式换热器，也可以采用烟气型 制冷机等。所述换热器4可以采用表面式或直接接触式换热器，烟气侧压力 为常压，水侧压力不超过0.7MPa。配电设备5:选用额定电压380V、额定电流250A的空气幵关。 水处理系统6:可以选用单级反渗透水处理装置、出水量300公斤/小时。第一阀门7、第二阀门8、第三阀门9、第四阀门10、第五阀门11 均采用普通截止阀，公称压力l.OMPa、公称直径IOO。燃气或燃油为燃料12输入空气湿化循环装置1中产生电能，部分 或全部用于驱动水源热泵2向外第一供热或冷14。若空气湿化循环产 生的电能用于驱动水源热泵2还有剩余，则可以通过配电设备5送入电 网13，此时应尽量保证机组在最佳效率下运行，多出的电能送入电网 13。反之，若空气湿化循环产生的电能不足以驱动水源热泵2，则可以 通过配电设备5从电网13购电。在产生电能的同时，空气湿化循环装 置1高湿度排烟首先经过烟气余热利用设备3向外第二供热或冷14; 然后烟气再进入换热器4进一步冷凝，释放出其中的潜热并回收水分后 排放。换热器4回收的水经水处理系统6处理后返回空气湿化循环装置 1重复使用。换热器4中用来冷凝烟气的水可以是自来水17，吸热后提 供生活用水15。此时，第二阀门8和第四阀门IO关闭，水经第一阀门 7进入换热器4，冷凝烟气(同时自身被加热)后经第五阀门11供给用 户；水源热泵2的水源来水18经打开的第三阀门9进入水源热泵2后 回水源19。冬季时，还可以将水源热泵2的水源来水18先经换热器4 冷凝烟气，然后再进入水源热泵2，以提高热泵性能。此时，水源来水 18，经过第二阀门8进入换热器4冷凝烟气(同时自身被加热)后经第 四阀门10进入水源热泵2后回水源19。第一阀门7、第三阀门9和第 五阀门ll均关闭。但此时无法提供生活热水，换热器4出口烟气16经 烟囱排入大气。为了实现水回收，也可以采用图2所示系统第六阀门38、第七 阀门39、第八阀门40、第九阀门41均采用普通截止阀，公称压力 l.OMPa、公称直径100。水源来水18经第三阀门9进入水源热泵2后，再经第九阀门41 进入换热器4冷却烟气，实现水回收后再经过第七阀门39返回水源19， 第六阀门38和第八阀门40关闭。此法冬季水源热泵2用于供暖时，水回收效果好。考虑到夏季水源热泵2用于供冷时其出口水温比较高，可能影响水回收效果。此时可将第九阀门41关闭，部分水源来水18经第 六阀门38进入换热器4冷却烟气，实现水回收后经第七阀门39返回水 源19。而水源热泵2的用水仍来自于水源来水18并经第八阀门40后 回水源19。因为夏季地下水温度明显低于地表水温度，所以水回收效 果要好。从换热器4中回收的同样经过水处理系统6净化处理后返回空 气湿化循环l重复使用。换热器4出口烟气16经烟囱排入大气。其余 部分与图l完全相同。所述的烟气水回收方法，还包括在将从水源热泵2出来的水引入 换热器冷凝烟气(附图2)。冬季时此水温更低，水回收比例增加。夏 季时，水温高，回收效果下降。空气湿化循环装置1发出的电能经配电设备5，再根据需要供给水 源热泵2，驱动水源热泵2向外供热(冷)14。如果电能不够，可以从 电网13购电；如果发出的电能可以上电网13，那么可以尽量保证机组 在最佳效率下运行，多出的电能送入电网B。图3是本发明复合供能系统的热电负荷性能曲线图。在实际运行 中，供能系统的热(冷)电负荷由外界需求确定，二者之间并无必然联 系。但是，空气湿化循环本身的热(冷)电负荷间存在着特定的关系 QB=f(PB)。图中给出了在特定热(冷)电负荷下(对应A点)，复合系 统中空气湿化循环工作点的确定方法Qa二Qb+(Pb-Pa)x①P ( 1 )QA—一外界需求的热负荷。QB—一烟气余热利用设备直接提供的热负荷。pa—一外界需求的电负荷。pb—一空气湿化循环装置发电机输出的电负荷。COP—一热泵的性能系数。按上式计算得到的Qb和pb即可确定湿化循环的工作点B。亦即，只要湿化循环工作在B点，则将其发出电能中的(pb-pa)部分供给水源热泵2，就可以同时满足用户特定的热(冷)电负荷(A点)要求。若 发电可以上电网13，则可以始终保持空气湿化循环装置1在其最高效率工况下运行，发出的电能分为三部分 一部分满足电负荷要求， 一部 分驱动水源热泵2满足热负荷要求，剩下的一部分供给电网13。从图3可见，本发明系统热电负荷变化方向相反，即电负荷增加 则热负荷减小，反之亦然。热电负荷非常灵活，只要调整空气湿化循环 装置1供给水源热泵2的电能，就可满足任意比例的热(冷)、电负荷 需求。这与传统的热电联供系统明显不同。当外界要求的电负荷减小、 热负荷增加时(比如电负荷由PB降到PA，热负荷由QB增加到QA)， 传统热电联供系统根本无法满足要求。而在本发明系统中，只要将空气 湿化循环装置1中的发电机输出的电负荷更多地用于驱动水源热泵2， 在降低对外输出电负荷的同时又增加了热负荷，直到最终同时满足外界 热电负荷要求为止。显然，热电负荷更加灵活。在极端情况下，当外界需要的电负荷为O而热负荷最大(Qmax)时，将所有电负荷全部用于驱 动水源热泵2即可满足要求。此时的热电比为无穷大，系统的热电比范围较传统联供系统有较大拓展。这时系统虽然看起来似乎相当于供热锅 炉，但是有本质的区别。首先是系统可以在夏季实现供冷。其次，无论是单纯供热还是单纯供冷，系统的一次能源利用率均大于100%。这两 点都是普通锅炉根本无法做到的。以Bowman公司TG80燃机构成的湿 化循环(发电效率35%)与COP为4.5的水源热泵2 (CIATLWP系列 热泵)构成的复合供能系统为例，并保守的假定烟气余热利用设备可提 供的热量仅占输入一次能源的40%。则系统单纯供热、在输入lOOkW 一次能源时，可以提供的热量为100 X 35% X 4.5+100 X 40% = 197.5kW。多出的热量是由水源热泵2从环境当中提取的，根本不消耗 一次能源，所以对应的一次能源利用率为197.5/100 = 1.975。在具体实施过程中，有时候受客观条件限制，水源热泵2的水并 非一定源自地下，也可以来自江河湖海以及水库，或是工业废水、地热 水等。也可采用闭式循环水系统，供热时利用排烟余热加热循环水；制 冷时，通过外接散热设备冷却循环水。在图4空气的湿化循环中，空气的湿化是在湿化器25 (直接接触 式换热器)中进行。空气35经压气机20升压，成为压缩空气并在换热 器24 (亦称后冷器)中被冷却后进入湿化器25与从换热器24和换热器31中来的热水直接接触，被水加热、加湿，然后进入换热器30 (亦称回热器)中吸收燃机22排烟热量，被加热后进入燃烧室21与燃料 12共同燃烧。形成的高温烟气进入燃机22做功，带动发电机23发出 电能。湿化器25出口的水经水泵26升压后继续分别进入换热器24和 31重复使用。换热器32 (表面式或直接接触式)将烟气冷却，从烟气 中回收加入的部分或全部水分，并通过水泵27 (必要时可加补水28) 送入到循环内部，保证系统水量平衡。湿化器25进口水量与进口空气 量比例一般在1:1左右；湿化器25出口水在换热器24和换热器31中 的分配亦无严格比例要求，但要保证换热器24和换热器31出口水不能 汽化。水泵26为离心清水泵，入口压力0.5MPa，扬程50米，流量4 吨/小时，入口温度90。C;水泵27为普通的离心水泵，扬程100米，流 量400公斤/小时，入口为常压和常温。燃机22出口烟气在依次经过换 热器30、换热器31后形成高湿度烟气29，进入图1所示的烟气余热利 用设备3。图4和图5中所示实线表示空气/烟气，虚线表示水。 在图5注水/蒸汽循环示意图中，空气的湿化是直接向压气机20 入口喷水或向燃烧室21中注水或蒸汽来实现的。由图1所示的水处理 系统6来的水32 (若回收量小于加入的水量，需定量的补水28)经水 泵42升压后，进入表面式换热器37(亦称省媒器)预热，同时回收烟气 热量提高循环效率。然后进入余热锅炉36产生蒸汽，最后进入燃烧室 21，与燃料12燃烧生成的高温烟气混合后进入燃机22做功，带动发电 机23发电。水处理系统6的来水32经泵42升压后，也可以将部分水 喷入压气机入口空气35中，实现一定的空气湿化。燃机22出口烟气依 次经过余热锅炉36和省煤器37后形成的高湿度烟气29，进入图1所 示的烟气余热利用设备3。余热锅炉36出口额定蒸汽压力在0.8MPa、 温度450°C、蒸汽量在0.45吨/小时范围内均可。水泵42额定流量0.5 吨/小时，扬程200米。另外，可将水32再被泵42升压后，经第十阀 门33直接喷入压气机20入口或将换热器37出口水经第十一阀门34直 接喷入燃烧室21，也都可以实现湿化效果，形成前述的湿化循环。第 十阀门33和第H"^—阀门34采用普通截止阀，公称压力3.0MPa。当然，上述的湿化方法可以单独也可以组合使用。以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对 本发明作任何形式上的限制，水源热泵可以换成其他形式的热泵，热网 中传递热量(冷量)的工质不仅仅限于水，凡是未脱离本发明技术方案 内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化 与修饰，均仍属于本发明的权利要求范围内。
权利要求
1. 一种复合供能系统，其特征在于由空气湿化循环装置(1)与水源热泵(2)系统集成，空气湿化循环装置(1)的发电机发出的部分或全部电能供给具有较高热泵的性能系数的水源热泵(2)，用于从水源中提取任意比例的热或冷量、或电负荷需求供给用户。
2. 如权利要求1所述的复合供能系统，其特征在于还包括烟气余热利用设备(3)、换热器(4)和水处理系统(6)，空气湿化循环装 置(1)高湿度排烟经过烟气余热利用设备(3)向外供热或冷，烟气再 进入换热器(4)进一步冷凝，释放出其中的潜热并回收水分后排放， 回收的水经水处理系统(6)处理后返回空气湿化循环装置(1)重复使 用。
3. —种提高复合供能系统性能的空气湿化循环低温烟气潜热利用方法，其特征在于当烟气温度略高于或低于热网供热要求温度时，通过换热器用低温烟气的热量加热由水源去往水源热泵的温度较低的水， 以提高热泵的性能系数。
4. 如权利要求3所述潜热利用方法，其特征在于采用自来水吸收换热器中的烟气释放的潜热，用于提供生活热水。
5. 如权利要求3所述潜热利用方法，其特征在于夏季时，将地下水源来水引入换热器以实现水回收。
6. 如权利要求3所述潜热利用方法，其特征在于将水源热泵出口的低温水引入换热器，以提高水回收效果。
全文摘要
本发明一种以天然气或油为燃料的复合供能系统，由空气湿化循环和水源热泵系统集合而成。其方法，当烟气温度略高于或低于热网供热要求温度时，通过换热器用低温烟气的热量加热由水源去往水源热泵的温度较低的水，以提高热泵的性能系数。燃气轮机排烟通过换热器供热或进入吸收式热泵实现供热或制冷。该系统在冬季可以实现热电联供、夏季实现冷电联供，同时实现水回收。根据需要还可以提供生活热水。该复合供能系统热电比范围大，热电负荷灵活性好，克服了传统热电联供系统夏季利用率低、以热定电、供热量小于输入的燃料量热值诸多缺陷。
文档编号F25B30/06GK101285627SQ200710065330
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者万逵芳, 张士杰, 肖云汉 申请人:中国科学院工程热物理研究所