一种冷热电和纯水四联供系统及联供方法与流程

本公开涉及多联供技术领域，特别是涉及一种冷热电和纯水四联供系统及联供方法。

背景技术：

燃气轮机是以连续流动的气体作为工质将热能转换为机械功的旋转式动力机械，以燃气轮机为原动机的冷热电联供系统可采用天然气作燃料，可以实现能量的梯级综合利用，硫氧化物和固体废弃物排放几乎为零，具有明显的节能减排效果。

燃气轮机的输出功率、效率与压气机进口空气温度密切相关，发明人在研究中发现，燃气轮机的输出功率与压气机进口空气温度成反比，进气温度每提升1℃，输出功率减少1％。在气温较高的季节，燃气轮机的输出功率会因此受到极大的影响，通过冷却压气机进口空气可以有效提高燃气轮机的输出功率和效率。

燃气轮机的排烟温度为450～600℃，具有很大的余热回收利用价值，常规的燃气-蒸汽联合循环只是针对高温余热的利用，排烟的中低温余热则没有得到有效利用。

因此，如何根据“温度对口、梯级利用”的原则，实现燃气轮机排气余热的梯级高效利用是目前亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开实施例子提供了一种冷热电和纯水四联供系统，可实现能量的梯级高效利用，并减少硫氧化物和固体废弃物排放，具有很好的节能减排效果。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

一种冷热电和纯水四联供系统，包括：燃气轮机发电子系统、多效蒸馏子系统、复合发电制冷子系统及供热子系统；

其中，所述燃气轮机发电子系统被配置为将预冷后的空气及天然气充分混合燃烧所产生的能量做功发电；

所述多效蒸馏子系统被配置为利用燃气轮机发电子系统排出的烟气的热量将冷凝水加热为过热蒸汽，所述过热蒸汽加热进口料液，所形成的蒸馏液作为纯水；

所述复合发电制冷子系统被配置为利用多效蒸馏子系统排出的烟气的热量加热orc工质，加热后的orc工质用于膨胀做功发电，做功后的orc工质进一步放热冷凝，产生冷水；

所述供热子系统被配置为复合发电制冷子系统排出的烟气的热量加热水形成生活热水。

作为本申请进一步的技术方案，所述复合发电制冷子系统所产生的冷水作为冷源冷却进入燃气轮机发电子系统的空气和/或用于空调制冷。

作为本申请进一步的技术方案，所述燃气轮机发电子系统包括压气机、燃烧室、第一回热器及燃气透平，所述压气机对预冷后的空气进行压缩，压缩后的空气经过第一回热器进入燃烧室与天然气充分混合燃烧，所形成的高温燃气在燃气透平中膨胀做功后排出烟气，烟气进入所述第一回热器中预热进入所述燃烧室的压缩空气。

作为本申请进一步的技术方案，所述多效蒸馏子系统包括余热锅炉，烟气在所述余热锅炉的过热段、蒸发段、预热段中依次放热后排出。

作为本申请进一步的技术方案，所述多效蒸馏子系统还包括多效蒸馏器及水箱；

所述多效蒸馏器排出的冷凝水送往所述余热锅炉预热段中被加热成饱和水，进入所述水箱后送往所述余热锅炉蒸发段中被加热成饱和蒸汽，饱和蒸汽进入所述水箱后送往所述余热锅炉过热段中被加热成过热蒸汽，所述过热蒸汽作为驱动蒸汽送往所述多效蒸馏器中分多级加热进口料液，蒸汽充分放热被冷凝后形成冷凝水，所述多效蒸馏器出口的输出纯水。

作为本申请进一步的技术方案，所述多效蒸馏子系统还包括第一水泵、第二水泵及储水罐，所述第一水泵设置在多效蒸馏器与余热锅炉之间，将多效蒸馏器排出的冷凝水压缩增压，送往余热锅炉，所述第二水泵设置多效蒸馏器及储水罐之间，用于将多效蒸馏器出口排出的蒸馏液加压，送往所述储水罐储存。

作为本申请进一步的技术方案，所述复合发电制冷子系统包括第一蒸发器、orc透平及第二回热器；

所述第一蒸发器接收所输入的烟气，利用烟气热量加热orc工质为过热状态，过热状态orc工质进入所述orc透平中膨胀做功后进入所述第二回热器中预热所述第一蒸发器进口orc工质。

作为本申请进一步的技术方案，所述复合发电制冷子系统还包括喷射器、冷凝器及第二蒸发器；

所述第二回热器出口放热后的orc工质作为工作流体进入所述喷射器中并与引射流体混合后送往所述冷凝器，所述冷凝器出口一部分orc工质进入所述第二回热器中被预热，预热后进入所述第一蒸发器吸热蒸发，继续参与orc循环；

所述冷凝器出口另一部分orc工质进入所述第二蒸发器与水换热蒸发，被引射入所述喷射器中与所述第二回热器出口放热后的orc工质混合，混合后的orc工质进入所述冷凝器中放热冷凝。

作为本申请进一步的技术方案，所述复合发电制冷子系统还包括第二换热器，所述第二蒸发器出口冷水进入所述第二换热器中预冷压气机进口空气，所述第二换热器出口的水进入所述第二蒸发器加热orc工质，所述第二蒸发器出口冷水亦充当空调的冷冻水进水送往空调制冷。

作为本申请进一步的技术方案，所述供热子系统主要由第一换热器组成，第一换热器接收所输入的烟气，通过换热加热水至45～60℃，作为生活热水。

本公开的实施例子还公开了一种冷热电和纯水四联供系统的联供方法，燃气轮机发电子系统发电所产生的烟气依次经过多效蒸馏子系统、复合发电制冷子系统及供热子系统，进行烟气能量的梯级利用，能够供给冷、热、电和纯水，联供步骤包括：

在燃气轮机发电子系统中，将预冷后的空气及天然气充分混合燃烧所产生的能量做功发电，产生电能，发电过程所产生烟气进入多效蒸馏子系统；

在多效蒸馏子系统中，利用烟气的热量将冷凝水加热为过热蒸汽，所述过热蒸汽加热进口料液，形成的蒸馏液作为纯水；

在复合发电制冷子系统中，利用多效蒸馏子系统排出的烟气的热量加热orc工质，加热后的orc工质用于膨胀做功发电，做功后的orc工质进一步放热冷凝，产生冷水；

在供热子系统中，利用复合发电制冷子系统排出的烟气的热量加热水形成生活热水。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开的冷热电和纯水四联供系统采用烟气回热型燃气轮机即燃气透平作为原动机，分别通过回热器、余热锅炉、多效蒸馏器、第一蒸发器及orc工质、第一换热器实现高效梯级回收排烟余热，且通过预冷压气机进口空气，该燃气轮机输出功率比同条件没有进行空气预冷的燃气轮机要高。

本公开的冷热电和纯水四联供系统在可同时对用户供给冷、热、电负荷的基础上，亦可供给纯净水，能高效梯级利用排气余热及余压，一次能源综合利用效率高，且对环境友好。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的冷热电和纯水四联供系统布置结构示意图；

图中：1-压气机；2-第一回热器；3-燃烧室；4-燃气透平；5-余热锅炉；6-第一蒸发器；7-第一换热器；8-多效蒸馏器；9-第一水泵；10-水箱；11-第二水泵；12-储水罐；13-有机朗肯循环(orc)透平；14-第二回热器2；15-喷射器；16-冷凝器；17-orc工质泵；18-第二蒸发器；19-第二换热器；20-第一阀；21-第二阀，22-第三阀，23-第四阀，24-第五阀，25-第六阀，26-第七阀，27-第八阀，28-第九阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

基于现有技术的分析，发现有机朗肯循环(orc)特别适合回收中低温余热，在回收显热方面具有较高的效率，其排气充当喷射器制冷的工作流体可进一步回收利用其排气余压。

目前水资源短缺，迫切需要解决淡水资源紧缺问题。多效蒸馏技术具有传热系数高，所需换热面积少，对水质要求低及热利用效率高等优点，适合海水、苦咸水等淡化，是缓解淡水资源紧缺的重要技术之一。

基于上述现状及现有技术，本公开实施例子通过将燃气轮机、有机朗肯循环(orc)、喷射器、多效蒸馏器、换热器集成于一体而构成的冷热电和纯水四联供系统，可实现能量的梯级高效利用，并减少硫氧化物和固体废弃物排放，具有很好的节能减排效果。

具体的，本公开实施例子的目的是为了解决压气机进口空气温度升高而降低燃气轮机输出功率，以及燃气轮机排气余热没有得到充分利用的问题，提供一种基于燃气轮机、多效蒸馏器、有机朗肯循环(orc)及喷射器制冷的冷热电和纯水四联供系统。该实施例子所提及的技术方案具有能源综合利用效率高、环保效益好等优点，在有效提高燃气轮机输出功率的基础上，梯级高效利用排气余热及余压，可满足同时对用户供给冷热电负荷及纯水。

下面结合具体实施例子对本申请的技术方案进行详细的描述：

本公开的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种冷热电和纯水四联供系统，从功能子系统的角度，包括燃气轮机发电子系统、多效蒸馏子系统、有机朗肯循环-喷射器制冷复合发电制冷子系统及供热子系统。

具体的，燃气轮机发电子系统发电所产生的烟气依次经过多效蒸馏子系统、复合发电制冷子系统及供热子系统，进行烟气能量的梯级利用，能够供给冷、热、电和纯水，能够有效的利用烟气的能量并产生所需要的冷、热、电和纯水。

从整体具体设备的角度而言，主要包括压气机1、第一回热器2、燃烧室3、燃气透平4、余热锅炉5、第一蒸发器6、第一换热器7、多效蒸馏器8、第一水泵9、水箱10、第二水泵11、储水罐12、有机朗肯循环(orc)透平13、第二回热器14、喷射器15、冷凝器16、orc工质泵17、第二蒸发器18、第二换热器19、若干阀及管道。

具体实施例子中，燃气轮机发电子系统包括压气机、第一回热器、燃烧室、燃气透平、发电机。

其中，空气在第二换热器19中预冷，通过第二阀21进入所述压气机1中压缩，在第一回热器2中被预热，进入燃烧室3与天然气混合并充分燃烧，高温高压燃气进入燃气透平4中膨胀做功，经发电机发电可对用户供电，在该实施例中，燃气透平膨胀后排出的烟气可以称为乏气，乏气进入所述第一回热器2预热压气机1出口空气。在第一回热器2中，空气与透平排出烟气进行热量交换。

第一回热器2出口烟气进入余热锅炉5中继续放热，余热锅炉5分为预热段、蒸发段、过热段三个部分，多效蒸馏器8中冷凝水经第一水泵9加压至过冷状态，在余热锅炉5预热段中吸热成为饱和水，进入水箱10，饱和水被送往所述余热锅炉5蒸发段中继续吸热生成饱和蒸汽，进入水箱10，饱和蒸汽在所述余热锅炉5过热段中被加热成过热蒸汽，作为驱动蒸汽进入多效蒸馏器8中分多级加热进口的料液，过热蒸汽经充分放热被冷凝后进入所述第一水泵9。多效蒸馏器8出口的蒸馏液进入所述第二水泵11加压，送往储水罐12储存，可对用户供给纯净水。

在具体实施例中，为了弥补多效蒸馏器驱动蒸汽在蒸馏过程中产生的压力损失，使驱动蒸汽达到设定的压力值，使用第一水泵9。

另外，由于多效蒸馏器8排出的冷凝水是低于设定压力下的饱和水，在该实施例子中，经过第一水泵9加压至设定压力，温度几乎不变，成为过冷状态。

上述实施例子中，多效蒸馏器为五级，但不局限于五级，料液为海水，但不局限于海水。多效蒸馏器的级数及料液的种类根据实际的需求进行设定所选择，本公开不做具体限定。

具体实施例子中，有机朗肯循环-喷射器制冷复合发电制冷子系统由第一蒸发器、orc透平、第二回热器、喷射器、冷凝器、工质泵、第二蒸发器、第二回热器组成。

其中，余热锅炉5出口烟气进入所述第一蒸发器6加热orc工质(本公开示例中为r600a，但不局限于r600a)，第一蒸发器6出口烟气进入第一换热器7加热水后排出，可对用户供给45～60℃生活热水。

第一蒸发器6出口orc工质进入所述orc透平13中膨胀做功，经发电机发电可对用户供电。有机朗肯循环(orc)透平13出口orc工质进入第二回热器14中预热第一蒸发器6进口orc工质，第二回热器14出口放热后的orc工质作为工作流体进入喷射器15中与引射流体混合降压后进入冷凝器16中放热冷凝。

冷凝器16出口一部分orc工质经过orc工质泵17压缩增压进入第二回热器14中被有机朗肯循环(orc)透平13出口orc工质预热，预热后进入第一蒸发器6吸热蒸发，继续参与orc循环。冷凝器16出口另一部分orc工质经过第七阀26节流降压后进入所述第二蒸发器18中吸收水的热量后蒸发，第二蒸发器18出口水温为7℃，第二蒸发器18出口orc工质被引射入喷射器15中并与第二回热器14出口放热后的orc工质混合后增压，混合后的orc工质进入冷凝器16中放热冷凝。

具体的，第二蒸发器18出口7℃冷水进入第二换热器19中预冷所述压气机1进口空气，第二换热器19出口吸热后的水进入所述第二蒸发器18加热orc工质。

在具体例子中，第二蒸发器出口7℃冷水亦可充当空调的冷冻水进水送往空调制冷。

在本公开的实施例子中，压气机1进口空气在所述第二换热器19中被冷却，可以明显提高进口空气流量，进而有效增大所述燃气透平4输出功率。通过设置燃气透平4于余热锅炉之间的第四阀23进行分流烟气，可以调整所述第一回热器2的回热量，进而可根据用户需求调节所述燃气透平4输出功率及烟气的余热利用量。

在本公开的实施例子中，若干阀包括第一阀20；第二阀21，第三阀22，第四阀23，第五阀24，第六阀25，第七阀26，第八阀27，第九阀28。

上述各个阀根据实际的需要进行打开或关闭，例如，若空气不经过预冷进入压气机时，则打开第三阀22，关闭第二阀21，若经过第二换热器进行预冷，则关闭第三阀22，打开第二阀21，其余的阀功能类似，此处不再具体描述。

在本公开的实施例子中，通过所述余热锅炉5、多效蒸馏器8，可以有效回收并利用所述燃气透平4的高品位排烟余热生产纯净水，通过所述第一蒸发器6及orc，可以进一步回收利用中品位排烟余热发电，通过所述第一换热器7继续回收利用低品位排烟余热并供给生活热水。

在本公开的实施例子中，通过所述喷射器15、冷凝器16、第二蒸发器18、第七阀26，第七阀为节流阀，在不需额外消耗机械功的条件下利用orc排气余压驱动喷射器制冷生产7℃冷水，可通过所述第二换热器19预冷所述压气机1进口空气，亦可作为空调的冷冻水进水，通过所述第八阀27被送往空调制冷。

在本公开的实施例子中，冷热电和纯水四联供系统在可同时对用户供给冷、热、电负荷的基础上，亦可供给纯净水，能高效梯级利用排气余热及余压，一次能源综合利用效率高。

本公开的实施例子还公开了一种冷热电和纯水四联供系统的联供方法，该方法基于上述冷热电和纯水四联供系统实现，此处不再对具体的系统组成及各部分的连接关系进行赘述。

在联供时，燃气轮机发电子系统发电所产生的烟气依次经过多效蒸馏子系统、复合发电制冷子系统及供热子系统，进行烟气能量的梯级利用，能够供给冷、热、电和纯水，联供步骤包括：

在燃气轮机发电子系统中，将预冷后的空气及天然气充分混合燃烧所产生的能量做功发电，产生电能，发电过程所产生烟气进入多效蒸馏子系统；

在多效蒸馏子系统中，利用烟气的热量将冷凝水加热为过热蒸汽，所述过热蒸汽加热进口料液，形成的蒸馏液作为纯水；

在复合发电制冷子系统中，利用多效蒸馏子系统排出的烟气的热量加热orc工质，加热后的orc工质用于膨胀做功发电，做功后的orc工质进一步放热冷凝，产生冷水；

在供热子系统中，利用复合发电制冷子系统排出的烟气的热量加热水形成生活热水。

综上所述，本公开的冷热电和纯水四联供系统在可同时对用户供给冷、热、电负荷的基础上，亦可供给纯净水，能高效梯级利用排气余热及余压，一次能源综合利用效率高，且对环境友好。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。