本发明涉及一种新型内燃机余热利用冷热电联供系统及其工作方法。
背景技术：
：能源产业是国家经济发展的基础产业，是人类生存和发展的重要物质基础。在当代社会的高速发展中，正大量的消耗煤炭、石油等化石能源。但是，化石能源不可再生，且随着消耗量的不断增加，化石能源已逐渐成为一种稀缺能源，开发和使用化石能源的成本日益飞涨。面对日趋严峻的环境以及能源问题，实现对内燃机排气余热的充分利用日益受到广泛关注。内燃机燃料燃烧未利用的热量中，排气所占比例最多，且其能量品位较高，若能有效利用这部分热量，将大幅提高内燃机效率，产生巨大的经济效益和环境效益。另外，内燃机缸套冷却水出口温度一般低于100℃，这部分能量品味较低，但数量较大，随着缸套水排出的余热量占输入燃料的30％～40％，可以用于提供热量或者驱动除湿装置及吸收式热泵。有机朗肯循环系统(organicrankinecycle,orc)采用低沸点有机物作为运行工质，其较传统的动力循环在与中低温热源匹配方面更具优势，故已成为余热利用的有效方式之一。在不同的热源条件下，选用不同的有机朗肯循环结构以及运行工质对提升系统的热力性能有着重要意义。近年来，有机朗肯循环系统在内燃机余热利用方面受到相关研究者的广泛关注。技术实现要素：本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种新型内燃机余热利用冷热电联供系统及其工作方法，它具有将有机朗肯循环和氨水动力循环及供热装置进行耦合集成，增加循环做功量、制冷量以及供热量，提升联供系统效率的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：新型内燃机余热利用冷热电联供系统，包括：有机朗肯循环发电系统、氨吸收式制冷子循环系统以及供热系统，内燃机排烟经过余热锅炉hrvg释放能量驱动有机朗肯循环发电系统发电；内燃机排烟经过余热锅炉hrvg释放能量除了驱动有机朗肯循环发电系统发电以外，剩余的能量分为两个分支：第一分支和第二分支，其中第一分支用于驱动氨吸收式制冷子循环系统循环制冷，第二分支用于给供热系统提供热量；内燃机缸套水给供热系统提供热量，有机朗肯循环发电系统给供热系统提供热量。所述有机朗肯循环发电系统，包括：第二透平t2，第二透平t2的输入端与余热锅炉hrvg的第一输出端连接，第二透平t2的输出端与第一换热器he1的第一输入端连接，第一换热器he1的第一输出端与第一回热器r1的第一输入端连接，第一回热器r1的第一输出端与第一冷凝器con1的输入端连接，第一冷凝器con1的输出端通过第一泵p1与第一回热器r1的第二输入端连接，第一回热器r1的第二输出端与余热锅炉hrvg的第一输入端连接，构成一个循环。所述有机朗肯循环发电系统，工作时，高温高压有机工质进入第二透平t2内膨胀做功，第二透平t2输出的低压乏气先经过第一换热器he1与水换热后，再与第一回热器r1换热，然后进入第一冷凝器con1中冷凝，冷凝后的液态工质通过第一泵p1加压后再进入第一回热器r1进行预热，预热后的有机工质进入余热锅炉hrvg中，被内燃机高温排气加热为高温高压气体之后，再次进入第二透平t2内膨胀做功，进入下一个工作循环。所述氨吸收式制冷子循环系统，包括：蒸汽发生器g，所述蒸汽发生器g的第一输入端与余热锅炉hrvg的第二输出端连接，所述蒸汽发生器g的第一输入端与所述蒸汽发生器g的第一输出端连接，所述蒸汽发生器g的第二输出端与精馏塔rec的输入端连接，所述蒸汽发生器的第三输出端与第二回热器r2的第一输入端连接，精馏塔rec的第一输出端与蒸汽发生器g的第二输入端连接，所述第二回热器r2的第二输出端与蒸汽发生器g的第三输入端连接；精馏塔rec的第二输出端与第二冷凝器con2的输入端连接，第二冷凝器con2的输出端与通过第二膨胀阀v2与蒸发器eva的输入端连接，蒸发器eva的输出端与吸收器abs的第一输入端连接，吸收器abs的第二输入端通过第一膨胀阀v1与第二回热器r2的第一输出端连接，吸收器abs的第一输出端通过第二泵p2与第二回热器r2的第二输入端连接，吸收器abs的第二输出端与第二冷凝器con2的输入端连接。所述氨吸收式制冷子循环系统，工作时，从吸收器abs出来的工作液经过第二泵p2加压后进入第二回热器r2换热，然后在蒸汽发生器g中被内燃机的排烟加热，经过蒸汽发生器g加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔rec内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸气，塔底得到低浓度的氨饱和溶液；精馏器rec塔底出来的低浓度的氨饱和溶液与从蒸汽发生器排出的低浓度的氨饱和溶液在蒸汽发生器g中混合后，先经过第二回热器r2进行换热，然后经过第一膨胀阀v1节流后，进入吸收器abs内；精馏塔rec塔顶出口的高浓度的氨饱和蒸气进入第二冷凝器con2，被第二冷凝器con2冷凝成饱和溶液，饱和溶液经过第二膨胀阀节v2流后，进入蒸发器eva内蒸发制冷，蒸发器eva出口的氨蒸汽进入吸收器abs内被低浓度的氨饱和溶液吸收，从而完成一个循环过程。所述供热系统，包括：第一换热器he1、第二换热器he2和第三换热器he3，第三换热器he3的第一输入端与第一输出端与内燃机缸套水管道连接，第三换热器he3的第一输入端与冷却水管道连接；第三换热器he3的第二输出端与第二换热器he2的第一输入端连接，第二换热器he2的第一输出端与第一换热器he1的第二输入端连接，第二换热器he2的第二输入端与余热锅炉hrvg的第二输出端连接。第二换热器he2的第二输出端与大气连接；第一换热器的第二输出端与待加热装置连接；所述供热系统，工作时，冷却水先经过第三换热器he3与内燃机缸套的冷却水换热后，再进入第二换热器he2与余热锅炉hrvg出来的高温气体换热后，最后进入第一换热器he1与从第二透平t2出来的低压乏气进行换热，从而完成内燃机的热量回收，实现供热系统的供热。所述内燃机为涡轮增压式内燃机，内燃机入口与空气压缩机c相连，内燃机排气出口与第一透平t1连接，压缩机c和第一透平t1彼此连接，第一透平t与余热锅炉hrvg的第二输入端连接。新型内燃机余热利用冷热电联供系统的工作方法，包括：步骤(1)：内燃机排烟经过余热锅炉hrvg释放能量驱动有机朗肯循环发电系统循环发电；步骤(2)：内燃机排烟经过余热锅炉hrvg释放能量除了驱动有机朗肯循环发电系统循环发电以外，剩余的能量分为两个分支：第一个分支和第二个分支；第一个分支用于驱动氨吸收式制冷子循环系统循环制冷；步骤(3)：第二个分支、内燃机缸套水和有机朗肯循环发电系统均给供热系统提供热量。所述步骤(1)的步骤为：高温高压有机工质进入第二透平t2内膨胀做功，第二透平t2输出的低压乏气先经过第一换热器he1与水换热后，再与第一回热器r1换热，然后进入第一冷凝器con1中冷凝，冷凝后的液态工质通过第一泵p1加压后再进入第一回热器r1进行预热，预热后的有机工质进入余热锅炉hrvg中，被内燃机高温排气加热为高温高压气体之后，再次进入第二透平t2内膨胀做功，进入下一个工作循环；所述步骤(2)的步骤为：从吸收器abs出来的工作液经过第二泵p2加压后进入第二回热器r2换热，然后在蒸汽发生器g中被内燃机的排烟加热，经过蒸汽发生器g加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔rec内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸气，塔底得到低浓度的氨饱和溶液，从塔底出来的稀氨溶液与从蒸汽发生器g排出的低浓度氨饱和溶液混合后，先经过第二回热器r2进行换热，然后经过第一膨胀阀v1节流后，进入吸收器abs内，精馏塔rec出口的高浓度的氨饱和蒸气进入第二冷凝器con2，被第二冷凝器con2冷凝成饱和溶液，饱和溶液经过第二膨胀阀v2节流后，进入蒸发器eva内蒸发制冷，蒸发器eva出口的氨蒸汽进入吸收器abs内被低浓度的氨饱和溶液吸收，从而完成一个循环过程；所述步骤(3)的步骤为：冷却水先经过第三换热器he3与内燃机缸套的冷却水换热后，再进入第二换热器he2与余热锅炉hrvg出来的高温气体换热后，最后进入第一换热器he1与从第二透平出来的低压乏气进行换热，从而完成内燃机的热量回收，实现供热系统的供热。本发明新型的内燃机余热利用冷热电联供复合循环系统具有以下优点：1)将有机朗肯循环和氨水动力循环进行耦合集成，增加循环做功量和制冷量，提升联供系统效率；2)该系统充分利用内燃机余热，提升内燃机的能量利用效率；3)循环结构简单，由于其独特的耦合方式，联供系统用于制冷或者供暖，可通过控制从余热锅炉出来的气体量的分配比来调节。4)该联供系统的适用范围广，可由内燃机余热、燃气轮机余热、太阳能等热源驱动。附图说明图1为新型冷热电联供系统；其中，t1为第一透平；t2为第二透平；he1为第一换热器；he2为第二换热器；he3为第三换热器；r1为第一回热器；r2为第二回热器；con1为第一冷凝器；con2为第二冷凝器；p1为第一泵；p2为第二泵；hrvg为余热锅炉；c为压缩机；v1为第一膨胀阀；v2为第二膨胀阀；rec为精馏塔；eva为蒸发器；其中，1为余热锅炉hrvg的第二输入端，2为余热锅炉hrvg的第一输出端，3为第一换热器he1的第一输入端，4为第一换热器he1的第一输出端，5为第一回热器r1的第一输出端，6为第一冷凝器con1的输出端，7为第一回热器r1的第二输入端，8为第一回热器r1的第二输出端，9为余热锅炉hrvg的第二输出端，9a为第二换热器he2的第二输入端，9b为蒸汽发生器g的第一输入端，10为第二换热器he2的第二输出端，11为蒸汽发生器g的第一输出端，12为吸收器abs的第一输出端，13为第二回热器r2的第二输入端，14为第二回热器r2的第二输出端，15为第二回热器r2的第一输入端，16为第二回热器r2的第一输出端，17为吸收器abs的第三输入端，18为蒸汽发生器g的第二输出端，19为蒸汽发生器g的第二输入端，20为精馏塔rec的第二输出端，21为第二冷凝器con2的第一输出端，22为蒸发器eva的输入端，23为蒸发器eva的输出端，24为冷却水管道，25为第三换热器he3的第二输出端，26为第二换热器he2的第一输出端，27为第一换热器he1的第二输出端。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。鉴于内燃机排气温度较高，加热余热锅炉后的温度仍然很高，为进一步回收烟气余热，可将从余热锅炉出来的烟气引入氨吸收式制冷系统中，或同时与缸套水带出的热量一起用于供暖，实现可调的冷热电联供。该系统由有机朗肯循环发电系统、氨吸收式制冷子循环系统及热交换器构成，内燃机排烟经余热锅炉释放热量驱动有机朗肯动力循环发电后，再驱动氨吸收制冷子循环或驱动供热系统，这样就可以实现对内燃机排气余热及缸套水余热的充分利用。该系统可为内燃机余热的高效利用提供新的解决途径。本发明所提出的冷热电联供循环系统如图1所示，内燃机排烟温度较高，排气首先经余热锅炉hrvg释放一部分热量驱动有机朗肯循环发电，然后再作为驱动热源进入蒸汽发生器g驱动氨吸收式制冷循环，之后与缸套水一起驱动供暖系统。有机朗肯循环系统包括：第二透平t2、第一换热器he1、第一回热器r1、第一冷凝器con1、第一泵p1以及余热锅炉hrvg组成。系统工作时，高温高压有机工质进入第二透平t2内膨胀做功，做功后从第二透平t2出来的低压乏气先经第一换热器he1与水进行换热，再与第一回热器r1换热，然后进入第一冷凝器con1中冷凝；冷凝后的液态工质经第一泵p1加压后进入第一回热器r1进行预热；预热后的有机工质进入余热锅炉hrvg中被内燃机高温排气加热为高温高压气体，之后进入第二透平t2膨胀做功，进行下一个工作循环。所述有机朗肯循环发电系统，包括：第二透平t2，第二透平t2的输入端与余热锅炉hrvg的第一输出端2连接，第二透平t2的输出端与第一换热器he1的第一输入端3连接，第一换热器he1的第一输出端4与第一回热器r1的第一输入端连接，第一回热器r1的第一输出端5与第一冷凝器con1的输入端连接，第一冷凝器con1的输出端6通过第一泵p1与第一回热器r1的第二输入端7连接，第一回热器r1的第二输出端8与余热锅炉hrvg的第一输入端连接，余热锅炉hrvg的第一输入端与余热锅炉hrvg的第一输出端2连接，从而构成整个循环。所述氨吸收式制冷子循环系统，包括：蒸汽发生器g，所述蒸汽发生器g的第一输入端9b与余热锅炉hrvg的第二输出端9连接，所述蒸汽发生器g的第一输入端9b与所述蒸汽发生器g的第一输出端11连接，所述蒸汽发生器g的第二输出端18与精馏塔rec的输入端连接，所述蒸汽发生器的第三输出端15与第二回热器r2的第一输入端连接，精馏塔rec的第一输出端与蒸汽发生器g的第二输入端19连接，所述蒸汽发生器g的第三输入端与第二回热器r2的第二输出端连接；精馏塔rec的第二输出端20与第二冷凝器con2的输入端连接，第二冷凝器con2的第一输出端21与通过第二膨胀阀v2与蒸发器eva的输入端22连接，蒸发器eva的输出端23与吸收器abs的第一输入端连接，吸收器abs的第三输入端17通过第一膨胀阀v1与第二回热器r2的第一输出端16连接，吸收器abs的第一输出端12通过第二泵p2与第二回热器r2的第二输入端13连接，吸收器abs的第二输出端与第二冷凝器con2的输入端连接；第二冷凝器con2的输入端与第二冷凝器con2的第二输出端连接，第二回热器r2的第一输入端15与第二回热器r2的第一输出端16连接；第二回热器r2的第二输入端13与第二回热器r2的第二输出端14连接，所述第二回热器r2的第二输出端与蒸汽发生器g的第三输入端连接。所述供热系统，包括：第一换热器he1、第二换热器he2和第三换热器he3，第三换热器he3的第二输入端与冷却水管道24连接，第三换热器he3的第二输出端25与第二换热器he2的第一输入端连接，第二换热器he2的第二输入端9a与第二换热器he2的第二输出端10连接，第二换热器he2的第二输入端9a与余热锅炉hrvg的第二输出端连接；第二换热器he2的第一输出端26与第一换热器he1的第二输入端连接，第一换热器he1的第二输入端与第一换热器he1的第二输出端27连接，第三换热器he3的第二输入端与内燃机缸套水输出管道连接，第三换热器he3的第二输出端与内燃机缸套水输入管道连接；从余热锅炉出来的高温气体分成两股，第一分支驱动氨吸收式制冷循环系统，第二分支驱动供暖系统。氨吸收式制冷子循环系统，包括：蒸汽发生器g、精馏塔rec、第二冷凝器con2、第一膨胀阀v1、第二膨胀阀v2、第二回热器r2、蒸发器eva、吸收器abs以及第二泵p2。该制冷循环系统中，从吸收器abs出来的工作液经第二泵p2加压后先进入第二回热器r2换热，然后在蒸汽发生器g中被排烟加热；经蒸汽发生器g加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔rec内进行精馏，塔顶得到高浓度的氨饱和蒸气，塔底得到稀饱和溶液；塔底的稀溶液回流进蒸汽发生器g，与蒸汽发生器内的稀氨溶液混合后，进入第二回热器r2预热泵加压后的低温氨溶液；从发生器底部排出的稀溶液先经第二回热器r2换热，然后经第一膨胀阀v1节流后进入吸收器abs内，吸收来自蒸发器eva内的氨蒸气；精馏塔出口的高纯度氨蒸气进入冷凝器con2被冷凝成饱和溶液，然后经膨胀阀v2节流后进入蒸发器eva内蒸发制冷；蒸发器出口的氨蒸气进入吸收器abs内被稀溶液吸收，从而完成一个循环过程。供暖系统，包括：第一换热器he1、第二换热器he2和第三换热器he3，冷却水先经第三换热器he3与内燃机缸套冷却水换热后，再进入第二换热器he2与从余热锅炉hrvg出来的高温气体换热，最后进入第一换热器he1与从第二透平t2出来的低压乏气换热，完成热量回收，用于供暖。所述内燃机是涡轮增压式内燃机，内燃机空气入口连接空气压缩机c，内燃机排气出口与透平t1连接，压缩机c和第一透平t1彼此连接，第一透平t1与余热锅炉hrvg的第二输入端1连接。联供系统热力学计算运用ees软件建立了功冷联供系统的热力学模型。为了方便分析与讨论，本发明选定内内燃机排烟出口温度为470℃，质量流量为0.418kg·s-1，有机朗肯动力子循环的有机循环工质为甲苯，联供系统其他输入参数值如表1所示。表1系统输入参数设计参数取值环境温度/℃25环境压力/mpa0.1013透平入口温度/℃350透平入口压力/mpa3透平出口压力/mpa0.01制冷循环高压/mpa1.555制冷循环低压/mpa0.288精馏器出口氨浓度0.9996分流比sr0.3工质泵等熵效率0.8透平等熵效率0.8根据建立的热力学模型和工质的物性参数，计算得出系统各状态点的热力学参数值，如表2所示。该新型功冷联供系统的性能计算结果如表3所示，计算结果表明，在设计工况下，本发明所提出的功冷联供系统联供热效率为73％，有机朗肯动力子循环效率为32％，氨吸收式制冷cop为0.4081。表2循环中各点的计算结果表3联供系统性能参数上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12