专利名称：多功能分布式冷热电联产系统及方法
技术领域：
本发明涉及能源技术领域，特别是一种多功能分布式冷热电联产系统及方法。
背景技术：
分布式能源系统是一种新型的能源系统，与常规能源供应系统相比，具有安全可靠、能源利用效率高、环境友好、经济性良好等优点，因而受到世界范围的广泛重视。分布式冷热电联产系统是分布式能源系统中前景最为明朗，最具实用性和发展活力的技术。
目前的分布式冷热电联产系统主要由动力发电装置和吸收式机组等组成。动力装置一般为燃气轮机或内燃机。燃气轮机或内燃机的排烟作为高温热源驱动吸收式机组。在夏季吸收式机组制冷，在冬季吸收式机组作为换热器使用，生产热量满足建筑热负荷和生活热水需求。目前的分布式冷热电联产系统方案中大多存在以下几个问题。1.能量利用不合理。燃气轮机和内燃机的排烟温度在400-500℃，冬季将这部分中温余热直接供暖，造成了能源的浪费。另外，很多系统(例如美国马里兰大学的系统，北京燃气大楼的系统等)为了增加制冷量往往采取补燃的方法，使用高品位燃料制取低品位的冷能更加不符合能量梯级利用的原理。2.吸收式机组的冷凝器向环境排放大量低温热量，不仅消耗大量电能(冷却水泵的动力消耗)而且还造成热污染。3.没有考虑到可再生能源与分布式冷热电联产系统的整合。
发明内容
为了克服现有冷热电联产系统的缺点，本发明的目的在于提出一种新型分布式冷热电联产系统及其方法。该系统具有以下几个特点1.注重能的梯级利用，燃料燃烧产生的能量从高温到接近环境温度分成高温段、中温段和低温段，对不同温度区间内的热量进行不同方式的利用，以达到能源的梯级合理使用。2.注重可再生能源和水资源与分布式冷热电联产系统的互补，使新系统具备了多种能源输入和多种能源输出的功效。由于本发明将太阳能和水资源作为低温热源，使得吸收式热泵在冬季可以以热泵方式运行，将低温热源的热量品位提高到满足供热要求的水平，与直接供热方式相比系统节能率大幅提高。3.针对吸收式制冷机组的工作特点，提出了在吸收式制冷机组冷凝器中提取生活热水的方法，将原本排放到环境中的低品位热量予以充分利用。4.首次将建筑功能与冷热电联产系统进行了整合，此方法特别适合于游泳馆等场合。具体方法是将游泳池的池水作为吸收式制冷机组的冷却水，一方面实现了游泳池池水加温，另一方面在提高吸收式制冷机组的能源利用效率的同时，还减少了吸收式制冷机组的冷却水塔的负荷。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种多功能分布式冷热电联产系统，动力装置消耗化石燃料发电，余热制冷或供暖，其综合利用多种能源和资源，综合梯级利用动力装置排放的中低温余热，冷热电联产系统与建筑功能结合。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其系统按能量品位的不同综合利用多种能源包括化石能源和可再生能源，可再生能源作为化石能源的补充。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其所述可再生能源为太阳能，在冬季作为吸收式热泵的低温热源。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其动力装置排放的中温余热与可再生能源结合，在冬季驱动吸收式热泵制热。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其中水和地热资源合理利用，冬季压缩式热泵从中水和地热中提取热量，与太阳能一起作为吸收式热泵的低温热源，夏季作为冷源吸收制冷机排放的热量，减少冷却塔负荷。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其回收低温余热，在夏季用来驱动吸收式除湿装置；夏季吸收式机组冷凝器中的低温废热可以用来加热游泳池池水，使得冷热电联产系统与建筑物功能相结合。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其夏季从吸收式机组的冷凝器中提取生活热水，不仅提高能源的利用水平，减少热排放与污染，而且提高制冷机组的性能。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其将蓄冷或蓄热装置与分布式冷热电联产系统整合，使蓄冷蓄热装置机能互补，还有调节冷热电联产系统电冷比或电热比的作用，增加系统运行时间和提高供冷或供热的安全性。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其压缩式制冷系统是吸收式制冷系统的互补，在冬季环境温度很低时起到低温级热泵的作用，在冬季任何环境条件下都可以运行。
一种多功能分布式冷热电联产系统，由燃气轮机，余热型双效溴化锂吸收式机组，热交换器，吸收式除湿装置，蓄冷装置，压缩式机组，压缩式热泵组成，其中，燃料进入燃气轮机的透平做功发电，燃气轮机驱动双效溴化锂吸收式机组制冷或制热，余热经热交换器，用于驱动吸收式除湿装置，其燃气轮机连接于余热型双效溴化锂吸收式机组，余热型双效溴化锂吸收式机组连接于热交换器，热交换器连接于吸收式除湿装置，压缩式机组连接于蓄冷装置。
一种多功能分布式冷热电联产系统，由燃气轮机、中温余热锅炉、低温余热锅炉、蒸汽型双效溴化锂吸收式机组、吸收式除湿装置、蓄冷装置和压缩式机组，压缩式热泵，蓄热装置组成，其中，燃料进入燃气轮机的透平做功发电，中温余热锅炉驱动蒸汽型双效溴化锂吸收式机组用于制冷或制热，低温余热锅炉用于提供部分制冷或制热，其燃气轮机连接于中温余热锅炉，中温余热锅炉连接于蒸汽型双效溴化锂吸收式机组、蓄热装置和低温余热锅炉，低温余热锅炉连接于吸收式除湿装置，压缩式机组连接于蓄冷装置。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其制热时，吸收式机组工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能，另一部分来自压缩式机组从中水和地热中提取的热量。
所述的多功能分布式冷热电联产系统，其制热时，吸收式机组工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能，另一部分来自缩式机组从中水和地热中提取的热量，压缩式热泵直接将中水热量供暖，低温余热锅炉所产生的热水用于供暖。
本发明的有益效果是，利用系统集成的原理提高了能量的利用水平；解决了可再生能源(太阳能)冬季利用困难的难题；提出了分布式能源系统与建筑物功能相结合的方法；进一步挖掘了吸收式机组本身的节能潜力；通过以上的改进使系统与目前其他冷热电联产系统相比具有明显节能效果。
图1是本发明的多功能分布式冷热电联产系统第一实施例；图2是本发明的多功能分布式冷热电联产系统第二实施例。
具体实施例方式
本发明提出了两种具体的技术方案，这两种技术方案都有以上提出的特点。方案1为燃气轮机与余热型吸收式机组分布式冷热电联产系统，方案2为燃气轮机与蒸汽型吸收式机组分布式冷热电联产系统，下面将对这两种方案进行详细说明。
方案1系统是由小型燃气轮机，余热型双效溴化锂吸收式制冷/热泵机组，热交换器，吸收式除湿装置和压缩式制冷/热泵机组，蓄冷装置组成的。该系统的运行可以分为两种方式，分别为制冷工况下运行方式和供热工况下运行方式。制冷工况运行时，燃料先进入燃气轮机燃烧室燃烧，产生高温高压的燃气进入透平做功发电。燃气轮机(或内燃机)排烟直接驱动余热型双效溴化锂吸收式机组制冷，同时回收利用冷凝器中的部分排热生产生活热水，其余废热由城市中水带走排入环境。离开吸收式机组的烟气，进入热交换器，产生95℃的热水用以驱动吸收式除湿装置，从而可以分担部分制冷负荷。压缩式制冷机组的主要作用是利用低谷电和系统多余电力蓄冷。当系统的电冷比大于负荷的电冷比时，压缩式制冷系统开始工作，把多余的电转化为冷存储起来。当系统的电冷比小于负荷的电冷比时，将蓄冷装置所存储的冷量释放出来。在制热工况下运行时，燃气轮机排烟直接驱动双效溴化锂吸收式机组，吸收式机组和压缩式机组均作热泵方式运行。热泵运行的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能的低温热，另一部分来自压缩式机组从中水和地热中提取的热量。另外，系统还包括一组压缩式热泵，直接将城市中水温度提升用于供暖，该热泵也起到调节电热比的作用。此时低温余热锅炉所产生的热水直接用于供暖和提供生活热水。
方案2的系统主体与方案1基本相同，区别在于用中温余热锅炉和蒸汽型溴化锂双效吸收式机组代替燃气型溴化锂吸收式机组。与方案1相同，该方案也可以分为两种运行方式。在制冷工况下，燃料进入燃气轮机发电，透平排气首先进入中温余热锅炉生产蒸汽。蒸汽可以通过蒸汽母管分配到多台并联的双效溴化锂吸收式机组中制冷，同时采用与方案1相同的方法回收吸收机组冷凝器的排热。中温余热锅炉的排烟进入低温余热锅炉，生产驱动吸收式除湿装置95℃的热水。压缩式制冷机组的作用同方案1。在制热工况下运行时，中温余热锅炉产生的蒸汽驱动双效溴化锂吸收式机组供热，其余部分与方案1相同。
以上两个方案在能量梯级利用方面的具体思路是高温段烟气的热量用于发电；中温段热量在冬季时驱动热泵，从可再生能源或城市中水资源中提取更多低温的热量用于供热，能量利用水平高于常规冷热电系统的直接供热方式，而中温段的热量夏季用于驱动吸收式机组制冷与常规方式没有区别；低温段热量直接满足一般的用热和除湿需求，尽量降低排放温度，使排烟温度降低到100℃左右，减少排放损失和环境污染。系统在正常工况下没有补燃，不足的制冷量由压缩式制冷和蓄冷装置提供，但是仍然保持吸收式制冷占制冷负荷的主体地位。压缩式机组和蓄冷装置一起完成调节冷热电系统电冷比的功能。方案中可再生能源和水资源与冷热电联产系统互补是目前其他系统中所没有的。本发明提出的两个方案都考虑了在冷热电联产系统中使用太阳能、地热能和中水资源。众所周知，太阳能在冬季随辐射强度的减弱，集热温度急剧下降，这是太阳能在冬季利用的难点。在夏季，太阳能产生的高温水参与吸收式除湿，低温水用于供应生活热水；在冬季，太阳能作为双效吸收式热泵低温热源的一部分(25℃左右)，可以实现太阳能热利用冬夏两季的稳定运行。利用地热温度随环境温度变化不大的特点，夏季将地表水或浅层地下水作为系统制冷机的冷却水，冬季则可作为系统热泵机组的低温热源。方案中夏季将城市中水作为制冷机组的冷却水，大大降低了冷却水的消耗，甚至无需冷却水塔，从而产生良好的经济效益和景观效益。冬季可以利用中水与太阳能热水、地热等一起，作为吸收式热泵的低温热源，也可以经过压缩式机组提温后，间接作为吸收式热泵低温热源。吸收式机组冷凝器中有大量的低温热排入环境，经过研究表明其中大约有10％的热量可以回收，用于生产生活热水。具体做法是在冷凝器前增置一个换热器用于生产生活热水，该方法相对于目前用燃气锅炉或电加热生产生活热水的方法具有明显的节能效益。冷凝器中剩余90％的热量温度在40℃左右，可以考虑与建筑物的功能相结合。例如可以与游泳馆相结合，游泳馆池水通常要维持在25℃，冷凝器的低温排热足以加热游泳池池水，这样不仅节省了常规用天然气锅炉或电加热池水的巨额费用，还使得吸收式机组冷凝器工作条件得以改善，提高了吸收式机组的能源利用效率，可谓一箭双雕，有非常明显的节能效果。
图1的第一实施例制冷工况下，燃料S1先进入燃气轮机1燃烧室燃烧，燃气进入燃气透平做功发电。燃气轮机排烟S2直接驱动余热型双效溴化锂吸收式机组2制冷S4；还考虑将双效溴化锂吸收式机组冷凝器的排热回收，用于生产生活热水S3和加热游泳池水。离开吸收式机组的170℃的烟气S5，进入热交换器3，产生约95℃热水S7、S9，用于驱动吸收式除湿装置4，产生冷量S10。电冷比和冷负荷的变化决定压缩式制冷机组5的运行方式。当系统的电冷比大于负荷的电冷比时，压缩式制冷系统开始工作，把多余的电转化为冷量存储于蓄冷装置6，如在夜间利用低峰电制冷S21，存储于蓄冷装置6中，在白天蓄冷装置6释放夜间存储的冷量S22。而当吸收式制冷机组5和蓄冷装置6不能满足建筑冷负荷需求时，压缩式机组5启动对外供冷S20。建筑物冷负荷由吸收式制冷机组2，压缩式机组5，蓄冷装置6和吸收式除湿装置4共同提供。太阳能S11用于生产部分生活热水S14。地热和中水S15作为吸收式机组2和压缩式机组5的低温热源S6、S18。
图1的第一实施例供热工况下，发电与烟气的余热利用过程与制冷工况相同，只是此时的余热型双效溴化锂吸收式机组2和压缩式机组5均作热泵使用。吸收式热泵2工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能S12，另一部分来自压缩式机组5从中水和地热S18中提取的热量S19、S13。吸收式机组2的排烟余热S5被热交换器3回收，生产的95℃热水S7、S8用于供暖。另外，该系统还包括一组压缩式热泵7，直接将中水S16温度提高到50℃供暖S17，该热泵7也起到调节电热比的作用。
图2的第二实施例制冷工况下，燃料S1进入燃气轮机1发电。燃气轮机排烟S2首先进入中温余热锅炉9生产表压为6bar的饱和蒸汽S3。蒸汽S3、S5进入双效溴化锂吸收式机组11中制冷S7。还考虑将双效溴化锂吸收式机组冷凝器的排热回收，用于生产生活热水S10和加热游泳池水。蒸汽型吸收式制冷机组11的其余排热利用城市中水和地热S18、S19、S8冷却。中温余热锅炉9的170℃排烟S4进入低温余热锅炉10，生产95℃的热水S13、S14，驱动吸收式除湿装置4，产生冷量S16。压缩式机组5的工作原理与方案1中的相同，详见方案1。太阳能S29用于生产生活热水S31、S11。
图2的第二实施例供热工况下，发电与烟气的余热利用过程与制冷工况相同，只是此时的双效溴化锂吸收式机组11和压缩式机组5均作热泵。热泵11工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能S30，另一部分来于经压缩式机组5从中水和地热S21、S23中提取的热量S9。另外，该系统还包括一组压缩式热泵7，直接将中水温度S22提高到50℃状态S28供暖，该热泵也起到调节电热比的作用。此时低温余热锅10所产生的热水S13、S15用于供暖S17。当系统产热量大于建筑热负荷时，可以先用蓄热装置8将高温蒸汽的热量存储起来S3、S6，保证燃气轮机满负荷运行，避免了燃气轮机部分负荷导致系统性能下降。蓄热装置8蓄存的热量可以在建筑物热负荷增大时释放出来S12。
权利要求
1.一种多功能分布式冷热电联产系统，动力装置消耗化石燃料发电，余热制冷或供暖，其特征是综合利用多种能源和资源，综合梯级利用动力装置排放的中低温余热，冷热电联产系统与建筑功能结合。
2.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是系统按能量品位的不同综合利用多种能源包括化石能源和可再生能源，可再生能源作为化石能源的补充。
3.如权利要求2所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是所述可再生能源为太阳能，在冬季作为吸收式热泵的低温热源。
4.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是动力装置排放的中温余热与可再生能源结合，在冬季驱动吸收式热泵制热。
5.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是中水和地热资源合理利用，冬季压缩式热泵从中水和地热中提取热量，与太阳能一起作为吸收式热泵的低温热源，夏季作为冷源吸收制冷机排放的热量，减少冷却塔负荷。
6.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是回收低温余热，在夏季用来驱动吸收式除湿装置；夏季吸收式机组冷凝器中的低温废热可以用来加热游泳池池水，使得冷热电联产系统与建筑物功能相结合。
7.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是夏季从吸收式机组的冷凝器中提取生活热水，不仅提高能源的利用水平，减少热排放与污染，而且提高制冷机组的性能。
8.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是将蓄冷或蓄热装置与分布式冷热电联产系统整合，使蓄冷蓄热装置机能互补，还有调节冷热电联产系统电冷比或电热比的作用，增加系统运行时间和提高供冷或供热的安全性。
9.如权利要求1所述的多功能分布式冷热电联产系统，其特征是压缩式制冷系统是吸收式制冷系统的互补，在冬季环境温度很低时起到低温级热泵的作用，在冬季任何环境条件下都可以运行。
10.一种多功能分布式冷热电联产系统，由燃气轮机(1)，余热型双效溴化锂吸收式机组(2)，热交换器(3)，吸收式除湿装置(4)，蓄冷装置(6)，压缩式机组(5)，压缩式热泵(7)组成，其中，燃料进入燃气轮机(1)的透平做功发电，燃气轮机驱动双效溴化锂吸收式机组(2)制冷或制热，余热经交换器(3)，用于驱动吸收式除湿装置(4)，其特征在于，燃气轮机(1)连接于双效溴化锂吸收式机组(2)，双效溴化锂吸收式机组(2)连接于交换器(3)，热交换器(3)连接于吸收式除湿装置(4)，压缩式机组(5)连接于蓄冷装置(6)。
11.一种多功能分布式冷热电联产系统，由燃气轮机(1)、中温余热锅炉(9)、低温余热锅炉(10)、蒸汽型双效溴化锂吸收式机组(11)、吸收式除湿装置(4)、蓄冷装置(6)和压缩式机组(5)，压缩式热泵(7)，蓄热装置(8)组成，其中，燃料进入燃气轮机(1)的透平做功发电，中温余热锅炉(9)驱动蒸汽型双效溴化锂吸收式机组(11)用于制冷或制热，低温余热锅炉(10)用于提供部分制冷或制热，其特征在于，燃气轮机(1)连接于中温余热锅炉(9)，中温余热锅炉(9)连接于蒸汽型双效溴化锂吸收式机组(11)、蓄热装置(8)和低温余热锅炉(10)，低温余热锅炉(10)连接于吸收式除湿装置(4)，压缩式机组(5)连接于蓄冷装置(6)。
12.如权利要求10的多功能分布式冷热电联产系统，其特征在于，制热时，余热型吸收式机组(2)工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能，另一部分来自压缩式机组(5)从中水和地热中提取的热量。
13.如权利要求11的多功能分布式冷热电联产系统，其特征在于，制热时，蒸汽型吸收式机组(11)工作时的低温热源由两部分组成一部分来自太阳能，另一部分来自缩式机组(5)从中水和地热中提取的热量，压缩式热泵(7)直接将中水热量供暖，低温余热锅炉(10)所产生的热水用于供暖。
全文摘要
本发明涉及能源技术领域，特别是一种多功能分布式冷热电联产系统及方法。该系统具有燃气轮机、双效溴化锂吸收式机组、余热锅炉、热交换器、吸收式除湿装置、蓄冷装置、蓄热装置、压缩式机组等装置。燃料转化为电能，其余热制冷或供暖。该系统综合利用多种能源和资源，注重可再生能源和水资源与分布式冷热电联产系统的互补，使得新系统成为多种能源输入和输出的能源系统。该系统梯级利用动力装置排放的中低温余热，以达到能源的最合理利用。该系统还将冷热电联产系统与建筑功能相结合。与现有技术相比，能源利用率有很大的提高，具有良好的经济性和应用前景。
文档编号F02C6/18GK1629463SQ20031012333
公开日2005年6月22日 申请日期2003年12月17日 优先权日2003年12月17日
发明者金红光, 郑丹星, 冯志兵, 韩巍, 隋军, 王志峰, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所