一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统的制作方法

本发明涉及可再生能源利用及储能技术领域，尤其是涉及一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统。

背景技术：

能源问题关乎国家经济发展，是人类得以生存的物质基础。随着化石能源，诸如煤、石油等的不断消耗，随之带来了一系列的环境污染和生态失衡等问题。与此同时，随着社会经济的不断发展，人类对于能源的需求也增长明显。因此，一方面需要对新型能源供应系统开展相应研究，从而提高能源利用效率，另一方面应加大对可再生能源的利用，从而缓解对化石燃料的依赖，降低对环境的污染。

冷热电联产系统作为分布式能源系统的一种形式，主要位于用户端附近，并提供冷热电等产品，因其遵循物理能和化学能的梯级利用原则，能源利用效率高，节能环保，并有效提高用户供能的可靠性和安全性而受到越来越多的关注。可再生能源具有清洁，可再生，储量大等优势，然而也存在季节性、波动明显，不稳定性等缺点，因而通过采取相应的能源利用技术对可再生能源实现有效利用，能够大大提高能源利用效率。因此，基于可再生能源的冷热电三联产系统不仅能缓解对化石能源的依赖，更能提高对可再生能源的利用效率。在我国农村地区有着丰富的农林和谷物等生物质资源，且地缘广阔，浅层地热能资源丰富，通过高效能源供应系统，一方面将生物质转化为生物质气，提高生物质能源资源密度；另一方面利用浅层地热能恒定的地热资源，从而为用户提供所需冷热电负荷。考虑到能源供应系统与用户需求侧匹配特性，会出现冷量、热量、电力剩余或不足的问题，除了对系统结构进行优化调整之外，有必要考虑蓄能装置的引入，对多余电力或热量进行存在，在用能高峰作为辅助，从而降低集成系统容量及规模，实现能源供应系统高效运行。

目前常用的储能技术有：电储能(蓄电池储能、压缩空气储能、飞轮储能、氢储能)、热储能(熔融盐、热水)等。其中、蓄电池储能受到蓄电池寿命限制，且成本相对较高；飞轮储能对转子制造要求较严，且成本相对较高；氢气储能方式能量密度较高(约为140mj/kg)，放电时间长，可稳定运行，维护成本较低，然而存在电解制氢效率相对较低，储氢安全性等问题。压缩空气储能适合于大型蓄能场合，且对地理位置有一定要求，然而现有技术考虑将压缩空气通过人工储气装置进行储存，大大增加的压缩空气储能的适用范围，而空气本身随处可以取得。通过压缩空气储能，利用大电网峰谷电力的差别，在用电低谷，通过大电网电力驱动空气压缩机压缩空气，将电力转化为高压空气进行储存。在用电高峰时，高压空气通过空气透平或者燃气轮机与燃料燃烧等方式进行做功发电，从而满足用户电需求。此外，通过压缩空气进行换热可以对其显热进行进一步利用，提高整体能源利用效率。考虑简单的蓄热水箱对压缩空气显热进行存储，工艺流程相对简单，初投资较少，也受到越来越多的关注。

因此，将压缩空气储能、可再生能源(主要为生物质和浅层地热能)利用与冷热电联产系统进行有效集成，对耦合集成系统进行结构优化，从而满足用户冷热电需求，进一步提高能源利用效率。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决可再生能源利用效率及能源供应系统与用户匹配问题，本发明的主要目的在于提出一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，一方面提高冷热电联产系统的运行灵活性和综合能源利用效率；另一方面增强能源供应系统的适应性，降低对环境的影响。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，其特征在于，所述冷热电联产系统包括生物质气化炉、第一换热器、第二换热器、净化除尘装置、生物质气压缩机、电动机、第一空气压缩机、第三换热器、第二空气压缩机、第四换热器、空气储气罐、燃烧室、燃气透平、发电机、烟气热水型吸收式机组、蓄热水箱、第一三通阀、第五换热器、用户侧换热器、节流阀、地源侧换热器、压缩机、四通换向阀、第二三通阀、水泵、地下换热器。其中：生物质气化炉：用于将生物质原料与第二换热器出口的高温空气一起参加生物质气化反应，生成生物质气，作为后续燃气透平发电所需燃料；第一换热器：用于利用从生物质气化炉出口的高温生物质气余热对空气储气罐出口的高压空气进行加热，提升进入燃烧室的高压空气温度，从而提高燃烧室燃烧效率；第二换热器：用于利用从第一换热器出口的生物质气余热对常温常压空气进行预热，使空气达到设定温度，从而提高生物质气化反应的性能；净化除尘装置：用于对第二换热器出口的生物质气进行处理，除去生物质气中的灰分、半焦和冷凝水；生物质气压缩机：用于对净化除尘装置出口生物质气进行压缩，满足进入燃烧室的生物质气压力需求；电动机：用于将来自电网的电力转化为机械功驱动第一空气压缩机和第二空气压缩机工作；第一空气压缩机：用于利用电网电力压缩常温常压空气，提高空气压力；第三换热器：利用第一空气压缩机出口的空气预热蓄热水箱出口水，一方面降低第一空气压缩机出口空气温度，另一方面提高进入蓄热水箱热水温度；第二空气压缩机：用于利用电网电力压缩第三换热器出口的空气，进一步提高空气压力；第四换热器：利用第二空气压缩机出口的空气预热蓄热水箱出口水，一方面降低第二空气压缩机出口空气温度，另一方面提高进入蓄热水箱热水温度；空气储气罐：用于接收经过第四换热器冷却的高压空气，将电网电力转化为高压空气进行储存；燃烧室：用于将生物质气压缩机出口的高温高压生物质气与第一换热器出口的高温高压空气一起参加燃烧反应，生产高温高压烟气；燃气透平：利用燃烧室出口的高温高压烟气进入燃气透平做功，驱动发电机工作；发电机：用于将燃气透平所产生的机械功转化为电力，满足生物质气压缩机、压缩机、水泵及用户的电需求；烟气热水型吸收式机组：利用燃气透平出口高温常压烟气和蓄热水箱出口热水作为烟气热水型吸收式机组余热热源产冷冻水或热水，满足用户冷量或热量需求；蓄热水箱：一方面用于储存经过第三换热器和第四换热器出口的热水，同时利用第一三通阀出口中温烟气进一步加热蓄热水箱水温；另一方面蓄热水箱热水作为烟气热水型吸收式机组热源，驱动烟气热水型吸收式机组产冷冻水或热水；第一三通阀：用于将烟气热水型吸收式机组与第五换热器、蓄热水箱进行连接；第五换热器：用于利用第一三通阀出口中温烟气加热第二三通阀出口中温水，生产用户所需热水；用户侧换热器：在制热工况下，用于利用压缩机出口的高温高压制冷剂对常温常压水进行预热，使其达到一定设定温度；在制冷工况下，用于利用节流阀出口的制冷剂冷却冷冻水回水，以生产冷量，满足用户冷需求；节流阀：用于降低制冷剂的温度和压力；地源侧换热器：在制热工况下，用于利用节流阀出口低温低压制冷剂吸收地下换热器出口的地下水热量，使得进入压缩机的制冷剂为干饱和蒸汽状态；在制冷工况下，用于利用压缩机出口的高温高压制冷剂与地下换热器出口的地下水进行换热，释放热量；压缩机：对来自地源侧换热器或用户侧换热器的干饱和蒸汽状态制冷剂进行压缩，使其成为过热状态；四通换向阀：用于压缩机与用户侧换热器、地源侧换热器之间的连接，通过四通换向阀切换，实现热泵制热和制冷两种工况；第二三通阀：用于将用户侧换热器与第五换热器、冷冻水输出端进行连接；水泵：用于提高地源侧换热器出口的地下水压力；地下换热器：用于水泵出口的地下水与土壤之间进行换热。

优选地，所述第一换热器利用生物质气高温热能加热空气储气罐出口高压空气，提高进入燃烧室的空气温度，从而提高生物质气与高温高压空气燃烧效率。

优选地，所述第三换热器和第四换热器分别利用第一空气压缩机和第二空气压缩机出口的空气余热，对蓄热水箱供水进行加热。

优选地，所述蓄热水箱热水作为余热驱动烟气热水型吸收式机组产冷冻水或热水。

优选地，所述烟气热水型吸收式机组出口中温烟气，在制热工况下通过第一三通阀ac端全部通入第五换热器进一步再热第二三通阀出口中温水；在制冷工况下通过第一三通阀ab端全部通入蓄热水箱，与蓄热水箱热水进行换热，提高蓄热水箱水温。

优选地，在制热工况下，用户侧换热器出口中温水通过第二三通阀ab端全部通入第五换热器进行再热；在制冷工况下，用户侧换热器出口冷冻水通过第二三通阀bc端全部进入冷冻水输出端。

优选地，该冷热电联产系统采用压缩空气方式储存用电低谷时大电网电量，用电高峰时通过高压空气与生物质气燃烧在燃气透平发电，从而满足用户电力需求。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，充分利用农村地区丰富的农林谷物等生物质资源，以及丰富的浅层地热能资源，将两者进行深度集成耦合，实现对可再生能源的高效利用，降低对化石燃料的依赖，减少环境污染。

2、本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，通过压缩空气储能方式，将用电低谷时电力进行储存，降低大电网负荷，实现对大电网剩余电力的有效利用，在用电高峰时，通过高压空气与生物质气燃烧做功发电，使得燃气轮机机组处于高效运行状态，进一步提高系统效率。

3、本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，通过利用生物质气的高温显热对空气储气罐出口高压空气进行加热，提高进入燃气轮机组燃烧室空气温度，有利于提高燃气轮机发电效率，实现生物质气热能的综合梯级利用。

4、本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，采用蓄热水箱对压缩空气显热进行储存，充分利用压缩过程产生的热能，为烟气热水型吸收式机组提供一部分余热，进一步提高吸收式机组冷量或热量的输出。

5、本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统，通过改变烟气余热利用方式，实现供热和制冷两种工况下余热的充分利用，满足用户不同季节的负荷需求，增强冷热电联产系统的灵活性。

附图说明

图1是本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统的示意图。

图中所示：1-生物质气化炉；2-第一换热器；3-第二换热器；4-净化除尘装置；5-生物质气压缩机；6-电动机；7-第一空气压缩机；8-第三换热器；9-第二空气压缩机；10-第四换热器；11-空气储气罐；12-燃烧室；13-燃气透平；14-发电机；15-烟气热水型吸收式机组；16-蓄热水箱；17-第一三通阀；18-第五换热器；19-用户侧换热器；20-节流阀；21-地源侧换热器；22-压缩机；23-四通换向阀；24-第二三通阀；25-水泵；26-地下换热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，是本发明提供的一种耦合生物质气化和压缩空气储能的冷热电联产系统的示意图，该冷热电联产系统包括生物质气化炉1、第一换热器2、第二换热器3、净化除尘装置4、生物质气压缩机5、电动机6、第一空气压缩机7、第三换热器8、第二空气压缩机9、第四换热器10、空气储气罐11、燃烧室12、燃气透平13、发电机14、烟气热水型吸收式机组15、蓄热水箱16、第一三通阀17、第五换热器18、用户侧换热器19、节流阀20、地源侧换热器21、压缩机22、四通换向阀23、第二三通阀24、水泵25、地下换热器26。该系统可以分为两种不同的运行方式，分别为制热工况下运行方式和制冷工况下运行方式。每种运行方式包括两个阶段，分别为能量储存阶段和能量释放阶段。

在制热工况能量储存阶段，该系统通过电动机6利用用电低谷时大电网电力转化为机械功驱动第一空气压缩机7和第二空气压缩机9工作，其中第一空气压缩机7对常温常压空气进行压缩，随后第一空气压缩机7出口空气进入第三换热器8进行换热，经过降温冷却的高压空气进入第二空气压缩机9进一步被压缩，随后第二空气压缩机9出口高温高压空气进入第四换热器10进行冷却降温，被冷却后的高压空气进入空气储气罐11进行储存。经过第三换热器8和第四换热器10加热的热水进入蓄热水箱16进行储存。在制热工况能量释放阶段，生物质原料与经过第二换热器3预热的常压空气一起进入生物质气化炉1参与气化反应，生物质气化炉1出口的高温常压生物质气进入第一换热器2，加热空气储气罐11出口的高压空气，经过降温的常压中温生物质气进入第二换热器3对常温常压空气进行预热，提高进入生物质气化炉1的空气温度，从而提高生物质气化效率。随后第二换热器3出口的生物质气进入净化除尘装置4，除去生物质气中的灰分、半焦及冷凝水等。经过净化处理的生物质气进入生物质气压缩机5进行压缩，与经过第一换热器2预热的高温高压空气一起进入燃烧室发生燃烧反应，生产的高温高压烟气进入燃气透平13做功，经发电机14转化为电力，一方面提供生物质气压缩机5、压缩机22和水泵25所需电力，另一方面为用户提供所需电力。燃气透平13出口高温烟气进入烟气热水型吸收式机组15与来自蓄热水箱16的热水一起驱动烟气热水型吸收式机组产热水，从而为用户提供所需热负荷。经过降温的烟气热水型吸收式机组15出口中温烟气进入第一三通阀17，第一三通阀17的ac端打开、b端关闭，烟气全部进入第五换热器18与来自第二三通阀24的中温热水进行换热，生成热水用于满足用户热负荷需求。第五换热器18出口120℃左右烟气排入大气中。在制热工况下，常温常压水进入用户侧换热器19与依次经过压缩机22、四通换向阀23的高压过热制冷剂蒸汽进行换热，经过加热的中温水进入第二三通阀24，第二三通阀24的ab端打开、c端关闭，从而使得中温水进入第五换热器18与中温烟气进行换热。经过换热的用户侧换热器19出口制冷剂进入节流阀20等焓节流降压，随后进入地源侧换热器21，吸收来自地下换热器26的地源水热量，经过加热的地源侧换热器21出口制冷剂经过四通换向阀23进入压缩机22进行压缩，从而完成热泵制热循环。

在制冷工况能量储存阶段，该系统通过电动机6利用用电低谷时大电网电力转化为机械功驱动第一空气压缩机7和第二空气压缩机9工作，其中第一空气压缩机7对常温常压空气进行压缩，随后第一空气压缩机7出口空气进入第三换热器8进行换热，经过降温冷却的高压空气进入第二空气压缩机9进一步被压缩，随后第二空气压缩机9出口高温高压空气进入第四换热器10进行冷却降温，被冷却后的高压空气进入空气储气罐11进行储存。经过第三换热器8和第四换热器10加热的热水进入蓄热水箱16进行储存。在制冷工况能量释放阶段，生物质原料与经过第二换热器3预热的常压空气一起进入生物质气化炉1参与气化反应，生物质气化炉1出口的高温常压生物质气进入第一换热器2，加热空气储气罐11出口的高压空气，经过降温的常压中温生物质气进入第二换热器3对常温常压空气进行预热，提高进入生物质气化炉1的空气温度，从而提高生物质气化效率。随后第二换热器3出口的生物质气进入净化除尘装置4，除去生物质气中的灰分、半焦及冷凝水等。经过净化处理的生物质气进入生物质气压缩机5进行压缩，与经过第一换热器2预热的高温高压空气一起进入燃烧室发生燃烧反应，生产的高温高压烟气进入燃气透平13做功，经发电机14转化为电力，一方面提供生物质气压缩机5、压缩机22和水泵25所需电力，另一方面为用户提供所需电力。燃气透平13出口高温烟气进入烟气热水型吸收式机组15与来自蓄热水箱16的热水一起驱动烟气热水型吸收式机组产冷冻水，从而为用户提供所需冷负荷。经过降温的烟气热水型吸收式机组15出口中温烟气进入第一三通阀17，第一三通阀17的ab端打开、c端关闭，烟气全部进入蓄热水箱16用于进一步加热蓄热水箱16中的热水，随后蓄热水箱出口120℃左右烟气排入大气中。在制冷工况下，冷冻水回水进入用户侧换热器19与经过节流阀20的湿蒸汽状态制冷剂进行换热，湿蒸汽状态制冷剂吸收冷冻水回水热量成为饱和蒸汽状态制冷剂，经过降温的冷冻水进入第二三通阀24，第二三通阀24的bc端打开、a端关闭，从而使经过降温处理的冷冻水进入冷冻水供应端，为用户提供冷负荷。与此同时，经过吸热的用户侧换热器19出口饱和蒸汽状态制冷剂经过四通换向阀23进入压缩机22进一步被压缩成高压过热状态，压缩机22出口的过热状态制冷剂经四通换向阀23进入地源侧换热器21放热，加热来自地下换热器21的地源水，然后进入节流阀20，从而完成热泵制冷循环。

通过上述实施例，仅清楚地表达了本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限制。对于该领域的技术人员而言，在上述说明的基础之上可以做出其它不同形式的变化或改进，这些都属于本发明的保护范围。