本发明涉及一种基于燃气内燃机、超临界二氧化碳及有机工质联合循环的冷热电三联供系统及其工作方法，属于分布式能源技术领域。
背景技术：
天然气是优质、稳定、高效、安全、无毒和低污染的清洁能源，在世界能源结构中占有重要地位，也是未来能源技术发展的主要方向之一。燃气冷热电分布式能源是天然气高效利用的绝佳途径，可以实现高品质的电与低品质的冷、热三种能量需求的有机统一。国内外均十分重视燃气冷热电分布式能源，特别是美、日、欧等发达国家和地区，燃气冷热电分布式能源装机容量增长迅速，技术应用上已处于成熟期。目前，我国分布式能源发展尚处于起步阶段，但是市场需求迫切，发展前景广阔。燃气冷热电分布式能源有着独特的优势，这对于我国缓解雾霾问题，降低能源利用成本，支持城镇化进程均十分有利。
基于燃气内燃机的冷热电三联供系统是应用最广的分布式能源技术之一。燃气内燃机突出优势是发电效率高、环境适应性强、单位造价低、所需燃气压力低、操作简单、运行可靠，但是，也存在余热利用较为复杂的问题。燃气内燃机的余热主要包括：400-550℃的乏气，90-110℃的缸套冷却水，50-80℃的中冷器和润滑油冷却水，这些余热可以回收，其它的热量散失(如：机体散热)占比很小且难收回收。余热利用可视需求分别从不同系统获得，高品质的乏气余热可用于发电，低品质的缸套冷却水可用于制冷或供热，中冷器和润滑油冷却水的余热品质太低，只能用于要求不高的供热场合。
近年来，以超临界二氧化碳作为工质的动力循环技术发展迅速，其系统简单、结构紧凑、能量利用率高，中高温余热发电是这一循环的重要应用领域之一。有机工质循环也广泛用于低品位余热发电，效果十分显著。燃气内燃机的乏气余热温度较高，十分适合超临界二氧化碳循环，而超临界二氧化碳透平排出工质的温度正好适合有机工质循环，因此，三者可以组成联合循环发电系统。燃气内燃机的缸套冷却水适合作为溴化锂吸收式制冷机的热源，产生的冷量可以作为超临界二氧化碳循环的冷源，也可以用于供冷。在供热需求大的情况下，燃气内燃机余热可直接输入至热负荷。
基于上述考虑，燃气内燃机、超临界二氧化碳及有机工质联合循环组成的冷热电三联供系统可以实现能源的“温度对口，梯级利用”的目标，同时得益于超临界二氧化碳循环和有机工质循环系统简单、结构紧凑、成本较低的优势，十分有利于燃气冷热电分布式能源的小型化。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是如何进一步提高燃气内燃机发电系统的发电效率和能量综合利用率，并且使余热发电系统更加紧凑和小型化。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种冷热电三联供系统，其特征在于：包括以下部分：
一、燃气内燃机
作为系统的原动机的燃气内燃机与发电机一连接；
二、乏气排放回路
燃气内燃机的乏气出口连接乏气换热器一、气换热器三、乏气换热器四的高温侧入口，换热器一的高温侧出口连接乏气换热器二的高温侧入口，乏气换热器四的高温侧出口连接乏气换热器五的高温侧入口，乏气换热器二、乏气换热器三、乏气换热器五的高温侧出口均连接燃气内燃机的乏气入口；
三、缸套冷却水回路
燃气内燃机的缸套冷却水出口连接缸套冷却水换热器的高温侧入口和溴化锂吸收式制冷机的制冷机发生器的第一热源入口，缸套冷却水换热器的高温侧出口和制冷机发生器的第一热源出口连接燃气内燃机的缸套冷却水入口；
四、低温冷却水回路
燃气内燃机的中冷器和润滑油的冷却水出口连接低温冷却水换热器的高温侧入口，低温冷却水换热器的高温侧出口连接燃气内燃机的中冷器和润滑油的冷却水入口；
五、供热回路
热负荷的介质出口连接低温冷却水换热器和乏气换热器二的低温侧入口，低温冷却水换热器的低温侧出口连接缸套冷却水换热器的低温侧入口，缸套冷却水换热器和乏气换热器二的低温侧出口均连接乏气换热器一的低温侧入口，乏气换热器一的低温侧出口连接热负荷的介质入口；
六、溴化锂吸收式制冷机
溴化锂吸收式制冷机包括：用于吸收热量的制冷机发生器，用于排出冷量的冷媒水回路和制冷机冷却水回路；
溴化锂吸收式制冷机的冷媒水出口连接冷负荷和二氧化碳多级压缩机的水入口，二氧化碳多级压缩机的水出口连接二氧化碳冷却器的水入口，冷负荷和二氧化碳冷却器的水出口均连接溴化锂吸收式制冷机的冷媒水入口，形成所述冷媒水回路；
乏气换热器三的低温侧出口与制冷机发生器的第二热源入口连接，制冷机发生器的第二热源出口连接乏气换热器三的低温侧入口；
乏气换热器五的低温侧出口与制冷机发生器的第三热源入口连接，制冷机发生器的第三热源出口连接乏气换热器五的低温侧入口；
七、超临界二氧化碳循环子系统
二氧化碳冷却器、二氧化碳多级压缩机、有机工质冷却器、乏气换热器四、二氧化碳膨胀机、有机工质加热器的二氧化碳通道依次首尾相连，构成超临界二氧化碳循环子系统；
发电机二连接二氧化碳膨胀机；
八、有机工质循环子系统
有机工质冷却器、有机工质泵、有机工质加热器、有机工质膨胀机的有机工质通道依次首尾相连，构成有机工质循环子系统；
发电机三连接有机工质膨胀机。
优选地，所述乏气换热器一将燃气内燃机的乏气的高温段热量传递给所述供热回路的介质；乏气换热器二将燃气内燃机的乏气的低温段热量传递给所述供热回路的介质。
优选地，所述乏气换热器一将燃气内燃机的乏气的高温段热量传递给所述供热回路的介质；乏气换热器二将燃气内燃机的乏气的低温段热量传递给所述供热回路的介质。
优选地，所述缸套冷却水换热器将燃气内燃机的缸套冷却水的热量传递给所述供热回路的介质。
优选地，所述缸套冷却水回路中的缸套冷却水、乏气换热器三中的乏气、乏气换热器五中的乏气是所述制冷机发生器的三个热源。
优选地，所述超临界二氧化碳循环子系统中：
二氧化碳冷却器，用于将二氧化碳工质从气态冷却至液态；
二氧化碳多级压缩机，用于将二氧化碳工质增压并中间冷却；
有机工质冷却器，用于将所述有机工质循环子系统中有机工质的热量传递给二氧化碳工质；
乏气换热器四，用于将燃气内燃机乏气的热量传递给二氧化碳工质；
二氧化碳膨胀机，用于加温增压后的二氧化碳膨胀做功，并推动发电机二发电；
有机工质加热器，用于将二氧化碳工质的热量传递给所述有机工质循环子系统中的有机工质。
优选地，所述有机工质循环子系统中：
有机工质泵，用于将有机工质冷却器输入的有机工质增压；
有机工质膨胀机，用于加温增压后的有机工质膨胀做功，并推动发电机三发电。
本发明还提供了一种冷热电三联供方法，其特征在于：采用上述的冷热电三联供系统，步骤为：
燃气内燃机工作并推动发电机一发电，释放的余热通过乏气排放回路、缸套冷却水回路、低温冷却水回路进行回收和利用，对燃气内燃机余热进行分配，实现不同比例的冷量、热量和电能输出，实现冷热电三联供；
当燃气内燃机余热用于供冷时，缸套冷却水作为溴化锂吸收式制冷机的制冷机发生器的热源，通过缸套冷却水回路将热量传递给制冷机发生器；或者乏气也作为溴化锂吸收式制冷机的热源，通过乏气换热器三将热量传递给制冷机发生器；冷媒水回路将溴化锂吸收式制冷机产生的冷量供给冷负荷；
当燃气内燃机余热用于供热时，热负荷通过介质获得热量；其中的一路介质依次通过低温冷却水换热器、缸套冷却水换热器吸收热量，另一路介质通过乏气换热器二吸收热量，然后两路介质合并后通过乏气换热器一吸收热量，最后供给热负荷；
当燃气内燃机余热用于发电时，乏气换热器四内的乏气作为超临界二氧化碳循环的热源，实现将乏气中的热量传递给二氧化碳工质，二氧化碳冷却器作为超临界二氧化碳循环的冷源，实现将二氧化碳工质的热量传递给溴化锂吸收式制冷机的冷媒水；二氧化碳多级压缩机将二氧化碳工质增压并通过溴化锂吸收式制冷机的冷媒水分路实现中间冷却，然后送入有机工质冷却器，二氧化碳工质从有机工质中吸收热量升温，再经乏气换热器四加热至最高温度，然后进入二氧化碳膨胀机，二氧化碳膨胀机推动发电机二做功发电，同时二氧化碳工质的温度和压力均下降，二氧化碳膨胀机排出的二氧化碳工质进入有机工质加热器，二氧化碳工质释放热量给有机工质并降温，再送入二氧化碳冷却器进一步降温，再送入二氧化碳多级压缩机进行循环工作；
有机工质循环的热源为有机工质加热器，用于吸收二氧化碳的热量；有机工质循环的冷源为有机工质冷却器，用于将热量释放给二氧化碳；有机工质泵将有机工质增压后送入有机工质加热器，有机工质从二氧化碳工质中吸收热量升温，然后进入有机工质膨胀机，有机工质膨胀机推动发电机三做功发电，同时有机工质的温度和压力均下降，有机工质膨胀机排出的有机工质进入有机工质冷却器，有机工质释放热量给二氧化碳并降温，再送入有机工质泵进行循环工作。
优选地，所述二氧化碳冷却器对其内的二氧化碳工质降温至9-12℃，再送入二氧化碳多级压缩机；
所述二氧化碳冷却器出来的二氧化碳工质经二氧化碳多级压缩机增压15-20mpa，并采用中间冷却降低二氧化碳工质压缩过程中的升温；
进入所述二氧化碳膨胀机的二氧化碳工质的温度为300-400℃；
所述二氧化碳膨胀机排出的二氧化碳工质的压力为5-6mpa。
优选地，经过所述有机工质加热器后的二氧化碳工质的温度为35-45℃；经过所述有机工质冷却器后的二氧化碳工质的温度为80-100℃。
优选地，所述二氧化碳冷却器、乏气换热器四、有机工质加热器、有机工质冷却器采用紧凑式换热器。
更优选地，所述紧凑式换热器为微通道换热器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中的超临界二氧化碳和有机工质联合循环效率高，可以显著提高燃气内燃机余热发电效率，从而提高燃气内燃机的输出功率。
2、本发明的系统简单，结构紧凑，能量利用率高，可实现小型化和模块化，并有利于降低建造成本。
附图说明
图1为本实施例提供的冷热电三联供系统结构示意图；
其中，1-燃气内燃机，2-发电机一，3-乏气排放回路，4-缸套冷却水回路，5-低温冷却水回路，6-低温冷却水换热器，7-缸套冷却水换热器，8-乏气换热器一，9-乏气换热器二，10-供热回路，11-热负荷，12-乏气换热器三，13-溴化锂吸收式制冷机，14-制冷机发生器，15-制冷机冷却水回路，16-冷媒水回路，17-冷负荷，18-二氧化碳冷却器，19-二氧化碳多级压缩机，20-有机工质冷却器，21-乏气换热器四，22-二氧化碳膨胀机，23-发电机二，24-有机工质加热器，25-有机工质泵，26-有机工质膨胀机，27-发电机三，28-乏气换热器五。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的一种基于燃气内燃机、超临界二氧化碳及有机工质联合循环的冷热电三联供系统结构示意图，所述的冷热电三联供系统由以下主要部分组成：
一、燃气内燃机1
燃气内燃机1，用于系统的原动机。
发电机一2，用于燃气内燃机1输出的机械能转变为电能。
二、乏气排放回路3
乏气排放回路3：燃气内燃机1的乏气出口连接乏气换热器一8、气换热器三12、乏气换热器四21的高温侧入口，换热器一8的高温侧出口连接乏气换热器二9的高温侧入口，乏气换热器四21的高温侧出口连接乏气换热器五28的高温侧入口，乏气换热器二9、乏气换热器三12、乏气换热器五28的高温侧出口均连接燃气内燃机1的乏气入口。
乏气排放回路3将燃气内燃机1排出的乏气输送至乏气换热器一8、乏气换热器二9、乏气换热器三12、乏气换热器四21、乏气换热器五28。
三、缸套冷却水回路4
缸套冷却水回路4，用于将燃气内燃机1的缸套冷却水输送至缸套冷却水换热器7和溴化锂吸收式制冷机13的制冷机发生器14，在缸套冷却水换热器7和制冷机发生器14内换热后再返回燃气内燃机1的缸套冷却水通道。
四、低温冷却水回路5
低温冷却水回路5，用于将燃气内燃机1的中冷器和润滑油的冷却水输送至低温冷却水换热器6的高温侧，换热后再返回燃气内燃机1的中冷器和润滑油的冷却水通道。
五、供热回路10
供热回路10，用于将燃气内燃机1的余热供给热负荷11。热负荷11的介质出口连接低温冷却水换热器6和乏气换热器二9的低温侧入口，低温冷却水换热器6的低温侧出口连接缸套冷却水换热器7的低温侧入口，缸套冷却水换热器7和乏气换热器二9的低温侧出口均连接乏气换热器一8的低温侧入口，乏气换热器一8的低温侧出口连接热负荷11的介质入口。
低温冷却水换热器6，用于将燃气内燃机1的中冷器和润滑油的冷却水的热量传递给供热回路10的介质。
缸套冷却水换热器7，用于将燃气内燃机1的缸套冷却水的热量传递给供热回路10的介质。
乏气换热器一8，用于将燃气内燃机1的乏气的高温段热量传递给供热回路10的介质。
乏气换热器二9，用于将燃气内燃机1的乏气的低温段热量传递给供热回路10的介质。
六、溴化锂吸收式制冷机13
溴化锂吸收式制冷机13，用于产生冷量，热源的热量输入制冷机发生器14，冷量由冷媒水回路16输出至冷负荷17、二氧化碳多级压缩机19、二氧化碳冷却器18，产生的热量由制冷机冷却水回路15排出。
溴化锂吸收式制冷机13的冷媒水出口连接冷负荷17和二氧化碳多级压缩机19的水入口，二氧化碳多级压缩机19的水出口连接二氧化碳冷却器18的水入口，冷负荷17和二氧化碳冷却器18的水出口均连接溴化锂吸收式制冷机13的冷媒水入口。
乏气换热器三12，作为溴化锂吸收式制冷机13的制冷机发生器14的热源之一，将将燃气内燃机1的乏气热量传递给制冷机发生器14的介质。
乏气换热器五28，作为溴化锂吸收式制冷机13的制冷机发生器14的热源之一，利用来自乏气换热器四21的低温乏气，将其热量传递给制冷机发生器14的介质。
七、超临界二氧化碳循环子系统
二氧化碳冷却器18、二氧化碳多级压缩机19、有机工质冷却器20、乏气换热器四21、二氧化碳膨胀机22、有机工质加热器24的二氧化碳通道依次首尾相连，构成超临界二氧化碳循环子系统。发电机二23连接二氧化碳膨胀机22。
二氧化碳冷却器18，用于将二氧化碳工质从气态冷却至液态；
二氧化碳多级压缩机19，用于将二氧化碳工质增压至高压并中间冷却；
有机工质冷却器20，用于将有机工质的热量传递给二氧化碳工质；
乏气换热器四21，用于将燃气内燃机乏气的热量传递给二氧化碳工质；
二氧化碳膨胀机22，与发电机二23相连，用于高温高压二氧化碳膨胀做功推动发电机二23发电；
有机工质加热器24，用于将二氧化碳工质的热量传递给有机工质。
八、有机工质循环子系统
有机工质冷却器20、有机工质泵25、有机工质加热器24、有机工质膨胀机26的有机工质通道依次首尾相连，构成有机工质循环子系统。发电机三27连接有机工质膨胀机26。
有机工质泵25，用于将有机工质冷却器20输入的有机工质增压至高压；
有机工质加热器24，用于将超临界二氧化碳循环子系统的热量传递给有机工质。
有机工质膨胀机26，与发电机三27相连，用于高温高压有机工质膨胀做功推动发电机三27发电；
有机工质冷却器20，用于将有机工质膨胀机26排出的有机工质的热量传递给超临界二氧化碳循环子系统的二氧化碳工质。
系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、流体机械、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、仪控系统等。
上述基于燃气内燃机、超临界二氧化碳及有机工质联合循环的冷热电三联供系统的工作方法如下：
燃气内燃机1工作并推动发电机一2发电，释放的余热通过乏气排放回路3、缸套冷却水回路4、低温冷却水回路5进行回收和利用，对燃气内燃机1余热进行适当的分配，可以实现不同比例的冷量、热量和电能输出，实现冷热电三联供；
当燃气内燃机1余热用于供冷时，缸套冷却水可作为溴化锂吸收式制冷机13的热源，通过缸套冷却水回路4将热量传递给制冷机发生器14；乏气也可作为溴化锂吸收式制冷机13的热源，通过乏气换热器三12将热量传递给制冷机发生器14，冷媒水回路16将溴化锂吸收式制冷机13产生的冷量供给冷负荷17；
当燃气内燃机1余热用于供热时，热负荷11通过水或其它介质获得热量，其中的一路依次通过低温冷却水换热器6、缸套冷却水换热器7吸收热量，另一路通过乏气换热器二9吸收热量，然后两路合并后通过乏气换热器一8吸收热量，最后供给热负荷11；
当燃气内燃机1余热用于发电时，乏气换热器四21作为超临界二氧化碳循环的热源，实现将乏气中的热量传递给二氧化碳工质，二氧化碳冷却器18作为超临界二氧化碳循环的冷源，实现将二氧化碳工质的热量传递给溴化锂吸收式制冷机13的冷媒水，二氧化碳多级压缩机19将二氧化碳工质增压并通过溴化锂吸收式制冷机13的冷媒水分路实现中间冷却，然后送入有机工质冷却器20，二氧化碳工质从有机工质中吸收热量升温，再经乏气换热器四21加热至最高温度，然后进入二氧化碳膨胀机22，二氧化碳膨胀机22推动发电机二23做功发电，同时二氧化碳工质的温度和压力均下降，二氧化碳膨胀机22排出的二氧化碳工质进入有机工质加热器24，二氧化碳工质释放热量给有机工质并降温，再送入二氧化碳冷却器18进一步降温，再送入二氧化碳多级压缩机19进行循环工作，有机工质循环的热源为有机工质加热器24，用于吸收二氧化碳的热量，冷源为有机工质冷却器20，用于将热量释放给二氧化碳，有机工质泵25将有机工质增压后送入有机工质加热器24，有机工质从二氧化碳工质中吸收热量升温，然后进入有机工质膨胀机26，有机工质膨胀机26推动发电机三27做功发电，同时有机工质的温度和压力均下降，有机工质膨胀机26排出的有机工质进入有机工质冷却器20，有机工质释放热量给二氧化碳并降温，再送入有机工质泵25进行循环工作。
根据上述余热发电过程，假设燃气内燃机1乏气余热值为2q，缸套冷却水余热值为1.5q，燃气内燃机1乏气余热中的1.6q通过乏气换热器四21传递给二氧化碳工质，燃气内燃机1乏气余热中的0.1q通过乏气换热器五28传递给溴化锂吸收式制冷机13的制冷机发生器14，缸套冷却水余热1.5q也传递给溴化锂吸收式制冷机13的制冷机发生器14，溴化锂吸收式制冷机13可产生1.1-1.2q的冷量。假设超临界二氧化碳循环将1.6q乏气余热的30％转变成电，即发电量0.48q，有机工质从有机工质加热器24吸收二氧化碳膨胀机22排出热量中的0.8q，有机工质循环发电效率设为12.5％，产生发电量0.1q，有机工质冷却器20向二氧化碳工质传递0.7q热量，二氧化碳冷却器18冷却量为1.02q，二氧化碳多级压缩机19中间冷却量约为0.1q，恰好利用溴化锂吸收式制冷机13产生的冷量。因此，燃气内燃机1乏气余热和缸套冷却水余热总和的16.5％左右可转变为电能。若燃气内燃机1发电效率为40％，即燃气总能量的40％由燃气内燃机1转变为电能，乏气余热和缸套冷却水余热占燃气总能量的50％，那么，通过余热发电燃气总能量的8.25％转变为电能，燃气内燃机1总的发电效率可提高20％以上。
本发明也适用于其它的以气体燃料、液体燃料或混合燃料的内燃机为原动机的联合循环冷热电三联供系统，用于分布式能源。