一种生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统的制作方法

本发明涉及生物质、地热能及天然气利用技术领域，特别是一种生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统。

背景技术

众所周知，随着我国社会经济的持续快速发展，能源需求量不断增大，诸如煤炭、石油、天然气等化石能源不断消耗。考虑到我国人口基数大，人均能源资源相对不足，以及煤炭、石油利用带来的一系列环境污染问题，有必要对现有能源利用技术进一步改进，主要集中在两个方面：一是能源系统集成方式的创新；二是引入可在能能源资源，开展多能源互补利用的研究工作，从而提高能源利用效率，降低对环境的污染。

冷热电三联产系统直接面向用户，为用户提供冷量、热量或电力等产品。通过采用不同原动机和余热利用装置实现燃料的化学能和物理能的综合梯级利用。该系统就近布置，降低了输送损失，减少初投资，同时系统之间的独立性提高了能源供应的可靠性和安全性。根据国家能源发展战略行动计划指出，通过优化能源结构，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达15％。因此，通过采用可再生能源的冷热电三联产系统有利于进一步提高能源利用效率，减少对化石燃料的依赖。

与其它能源相比，生物质具有如下优势：资源丰富、分布广泛、碳中性，可再生等优点。然而也存在生物质资源分布分散、能量密度低等缺点。因此通过采用不同的生物质利用技术实现生物质从低能量向高能量转化，对生物质能源资源更加高效利用。其中，生物质气化将固体生物质转化为洁净方便利用的生物质合成气，将生物质化学能转移至合成气中，进一步提高合成气利用效率。除此之外，浅层地热能储量丰富、不受季节天气的影响，易于稳定利用，通过采用地源热泵一方面提高热泵能效，另一方面提高其节能率。同时考虑到地源热泵单独应用取热量过大，容易造成地下土壤热不平衡，因此通过考虑将地源热泵与分布式能源系统结合，进一步提高分布式能源系统烟气余热利用效率。

目前对现有设计理念和实施方案的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统研究存在的主要问题有：1)单独天然气基分布式能源系统或单独生物质基分布式能源系统稳定性较差；2)地源热泵单独运行取热量过大，造成土壤热不平衡；3)既有地源热泵烟气余热利用cop偏低，烟气余热利用能量损失较大。因此，通过生物质、天然气与浅层地热能互补利用，实现可再生能源与化石燃料之间不同品位能量的综合梯级利用是需要解决的关键问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了实现化石燃料与可再生能源之间的互补集成利用，提高能源系统效率，满足用户不同能量产品的需求，本发明提出了一种生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，其特征在于，该系统包括：

生物质气化子系统，包括第一空气压缩机、气化炉、第一换热器、第一水泵、第二换热器、第三换热器和净化除尘器，其中第一空气压缩机，用于加压常温、常压空气，提高空气的压力；气化炉，用于第一换热器出口的高温高压空气、第二换热器出口高温高压水蒸气与生物质参与气化反应，生成生物质气，满足燃气透平燃料需求；第一换热器，利用气化炉出口生物质气的高温热能预热第一空气压缩机出口的高压空气，满足气化炉中生物质气化反应的需求；第一水泵，用于对常温、常压水进行加压处理，并通入到第二换热器中；第二换热器，利用第一换热器出口生物质气的高温热能产水蒸气，满足气化炉中生物质气化反应的需求；第三换热器，利用第二换热器出口生物质气热能产55℃左右热水，满足用户热需求；净化除尘器，用于出去第三换热器出口生物质气中灰分和冷凝水。

生物质气与天然气共燃的燃气透平发电子系统，包括气体混合器、燃烧室、燃气透平、第二空气压缩机和回热器，其中气体混合器，用于将净化除尘器出口生物质气与天然气按一定比例混合，满足燃气透平发电需求；燃烧室，用于气体混合器出口混合的生物质气和天然气与回热器出口空气一起参与燃烧反应，生产高温高压烟气，驱动燃气透平做功发电；燃气透平，利用燃烧室出口的高温高压烟气做功发电，满足用户及三联供系统运行的电需求；第二空气压缩机，用于加压常温、常压空气，提高进入回热器的空气压力；回热器，利用燃气透平出口高温烟气热能预热第二空气压缩机出口高压空气，提高进入燃烧室的空气温度。

烟气余热利用子系统，包括烟气吸收式制冷机和第四换热器，其中烟气吸收式制冷机，利用回热器出口烟气热能驱动制冷机运行，生产冷冻水，满足用户冷量需求；第四换热器，利用烟气吸收式制冷机出口烟气热能预热冷凝器出口35-50℃左右的中温水，生产55℃热水，满足用户热需求。

地源热泵子系统，包括第二水泵、地下换热器、蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，其中，第二水泵，用于对蒸发器出口的水进加压处理，并通入到地下换热器中；地下换热器，用于第二水泵出口的水与地下介质进行换热，提高地下换热器出口水的温度；蒸发器，利用地下换热器出口水的热能加热节流阀出口制冷剂，使得制冷剂达到饱和蒸汽状态；压缩机，利用燃气透平提供的功对蒸发器出口制冷剂进行加压处理，使得制冷剂达到过热状态；冷凝器，利用压缩机出口的制冷剂热能预热常温常压水至35-50℃左右的中温水，使得制冷剂达到饱和液体状态；节流阀，用于对冷凝器出口的制冷剂进行节流降温降压处理，使得制冷剂达到湿蒸汽状态。

(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、本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，采用天然气、生物质和浅层地热能作为联供系统能源输入，实现可再生能源与化石能源的互补集成，进一步降低对化石燃料的依赖及环境污染，使得联产系统总能效率达65％以上。

2、本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，采用生物质气与天然气共燃驱动燃气透平做功发电，通过调节生物质与天然气输入比例，实现三联供系统冷热电输出产能及配比，增强了三联供系统灵活性。

3、本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，依次通过地源热泵子系统中冷凝器和第四换热器实现常温水温度的分级提升，有利于进一步提高地源热泵子系统能效。

4、本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，充分利用气化炉出口生物质热能，依次预热气化所需空气、水蒸气，同时产55℃热水，实现了不同品位热能的综合梯级利用。

5、本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统，适用于生物质和地热能资源丰富的地区，通过进一步与天然气互补，从而减少对煤、天然气的依赖，有利于优化能源供应结构。

附图说明

图1是本发明提供的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统的示意图。

具体实施方式

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

如图1所示，是本发明提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统的示意图，该系统包括生物质气化子系统、生物质气与天然气共燃的燃气透平发电子系统、烟气余热利用子系统和地源热泵子系统。

生物质原料(1)与经过第一换热器预热的空气(15)、经过第二换热器预热的水蒸气(18)一起进入气化炉，发生气化反应生成高温高压生物质气(2)，然后进入第一换热器预热来自于第一空气压缩机的高压空气(14)，随后生物质气(3)进入第二换热器预热来自于第一水泵的高压水(17)生成高温高压水蒸气(18)，经过降温的中温生物质气(4)进入第三换热器中预热热用户端回水(19)生产55℃左右的热水提供用户热需求。生物质气经过换热降至常温高压状态(5)进入净化除尘器中出去生物质气中的灰分和冷凝水，随后与天然气按比例一起通入气体混合器中进行混合。经过混合后的生物质气和天然气一起通入燃烧室与经过回热器预热的空气(25)一起参与燃烧反应，生成高温高压烟气(8)，随后通入燃气透平中做功发电，燃气透平发电除了满足用户所需电力外，还提供三联供系统自身运行所需电力。做功发电后的高温排烟(9)进入回热器预热第二空气压缩机出口空气(24)，从而提高混合气与空气的燃烧性能。经过降温的中温烟气(10)进入烟气吸收式制冷机，利用烟气余热产冷冻水(27)满足用户冷量需求。在地源热泵子系统中，通过地下换热器与地下介质进行换热，提取土壤中热量，经过加热的水(35)进入蒸发器中与制冷剂(33)进行换热，将其加热至饱和蒸汽状态(34)。通过第二水泵驱动换热过后的水(36)进入地下换热器，完成地下热水换热循环。随后，经过蒸发器中地下热水加热，将低温低压制冷剂(33)预热至饱和蒸汽状态(34)，并通过压缩机将制冷剂加压至过热蒸汽状态(31)，随后进入冷凝器与常温常压水(28)进行换热，将常温常压水加热至35-50℃左右的中温水状态(29)。经过换热的制冷剂(32)进入节流阀节流降温至湿蒸汽状态(33)，从而完成制冷剂热力循环。最后，中温水(29)与烟气吸收式制冷机出口烟气(11)在第四换热器中进行换热，生成55℃左右热水，满足用户热需求，经过换热后的120℃左右烟气直接排入大气。

本发明所提供的述的生物质、天然气和地源热泵耦合的冷热电三联供系统装置在具体实施例中可采用主要参数如表1所示。选取稻壳作为研究对象，以1200kg/h稻壳输入量进行系统性能计算，气化剂空气输入量约为2000kg/h，水蒸气输入量约为400kg/h，燃气透平发电子系统中天然气输入量约250kg/h。选取r134a作为地源热泵子系统中制冷剂工质。同时选取湖南地区浅层地热能恒温带至200米之间，温度范围约18-22℃土壤热物性作为地源热泵应用参考标准。

表1

表2

本发明采用生物质和天然气互补利用产冷热电，同时采用地源热泵技术充分利用浅层地热能，满足用户不同的能量产品需求。通过多能源互补系统集成使得总能系统效率达65.13％，实现了可再生能源的高效利用。与此同时，该三联供系统采用可再生能源与清洁的天然气化石燃料互补，减少了环境污染。