一种基于能量梯级利用的热电联供系统及方法与流程

1.本发明属于热电联供领域，涉及一种基于能量梯级利用的热电联供系统及方法。


背景技术：

2.目前，能源消费总量中化石能源占比巨大，且能源利用率较低，在能源资源短缺、能源价格持续高涨的情况下，城市建设面积迅速扩张带来的众多负荷需求无法满足。
3.以热电厂为主的集中供能系统会进一步造成环境与经济建设发展之间的冲突，在包含各种传统能源的公共机构建筑多元系统中，引入各种类型的可再生能源，根据负荷需求及气候因素对系统进行合理配置优化，可以在符合保护环境的条件下降低供能成本及污染物排放，有效缓解环境污染状况与温室效应，推动能源行业的可持续发展。对于现有清洁能源种类，如何将其与传统能源合理匹配，同时在供热季和供冷积季能够实现系统的全程配合切换，进一步提升系统的供热和调峰能力，建立一种灵活高效、节能减排的供能系统是分布式能源领域面临的主要问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中清洁能源和传统能源的分配不合理，供热和供冷时系统的切换不灵活，造成能源的浪费，系统调峰能力弱的问题，提供一种基于能量梯级利用的热电联供系统及方法。该系统将风能与太阳能与内燃机组高效联合，利用清洁能源供应用户不同种类的冷、热、电负荷需求，同时对用户生活污水余热进行回收，实现能源梯级利用，提高清洁能源利用率。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于能量梯级利用的热电联供系统，包括烟气换热单元、压缩式热泵单元、吸收式热泵单元、污水处理单元、冷却塔、热网回水母管、热网供水母管、冷冻水回水母管和冷冻水供水母管；
7.所述吸收式热泵单元包括发生器、溶液热交换器、吸收器、蒸发器和冷凝器；
8.所述热网回水母管分三路，第一路经压缩式热泵单元的热侧入口分别连接热网供水母管和冷却塔的入口；第二路经烟气换热单元的水侧入口分别连接发生器的水侧入口和热网供水母管，发生器的水侧出口连接烟气换热单元的水侧入口；第三路依次连接吸收器的水侧入口和冷凝器的水侧入口，冷凝器的水侧出口分别连接热网供水母管和冷却塔入口，冷却塔的出口分别连接压缩式热泵单元的热侧入口和吸收器的水侧入口；
9.所述发生器的汽侧出口连接冷凝器的汽侧入口，发生器的溶液出口依次经溶液热交换器的第一侧溶液入口、吸收器的溶液入口、溶液热交换器的第二侧溶液入口连接发生器的溶液入口，冷凝器的冷凝水出口连接蒸发器的冷凝水入口，蒸发器的汽侧出口连接吸收器的汽侧入口；
10.所述冷冻水回水母管分别经蒸发器的冷侧入口和压缩式热泵单元的冷侧入口连接冷冻水供水母管；所述污水单元经蒸发器的冷侧入口分别连接冷冻水供水母管和生活污
水单元的冷凝水入口。
11.本发明的进一步改进在于：
12.所述烟气换热单元包括内燃机、余热锅炉和烟气换热器；
13.所述内燃机的烟气出口连接余热锅炉的烟气入口，余热锅炉的烟气出口连接烟气换热器的烟气入口，烟气换热器的水侧入口连接热网回水母管，烟气换热器的水侧出口连接锅炉的水侧入口，锅炉的水侧出口分别连接发生器的水侧入口和热网供水母管。
14.所述压缩式热泵单元包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器和压缩机；
15.所述冷凝器的热侧入口连接热网回水母管，冷凝器热侧出口连接热网供水母管，冷凝器的冷侧入口连接蒸发器的热侧出口，冷凝器的冷侧出口连接蒸发器的热侧入口，蒸发器的冷侧入口连接冷冻水回水母管，蒸发器的冷侧出口连接冷冻水供水母管；
16.所述膨胀阀设置在冷凝器的冷侧出口和蒸发器的热侧入口之间，所述压缩机设置在蒸发器的热侧出口和冷凝器的冷侧入口之间。
17.所述蒸发器的冷侧出口和冷侧入口之间依次连接闭式循环泵、太阳能集热器和过滤器。
18.所述蒸发器的热侧出口与冷凝器的冷侧入口之间设置有压缩机，所述冷凝器的冷侧出口与蒸发器的热侧入口之间连接膨胀阀。
19.所述污水单元包括污水供水管、污水回水管和负压闪蒸罐；
20.所述污水供水管连接负压闪蒸罐的污水入口，负压闪蒸罐的蒸汽出口连接连接蒸发器的冷侧入口，所述蒸发器的冷侧出口连接负压闪蒸罐的冷凝水入口，负压闪蒸罐的污水出口连接污水回水管。
21.所述负压闪蒸罐的冷凝水入口连接凝结水罐。
22.所述内燃机连接发电机，发电机的输出端连接配电箱的输入端，所述配电箱的输入端连接风力发电机的输出端，内燃机和风力发电机通过配电箱为系统供电。
23.所述发生器的溶液入口处设置有溶液泵。
24.一种基于能量梯级利用的热电联供方法，包括以下步骤：
25.当系统供热时，热网回水母管的热水分三路，第一路进入压缩式热泵单元的热侧入口，与压缩式热泵单元内的工质进行换热，吸热后的热水回到热网供水母管；第二路进入烟气换热单元，与烟气换热单元中的烟气进行换热，吸热后的热水分两路，一路回到热网供水母管，另一路进入发生器中，与发生器中的溶液进行换热，降温后的热水回到烟气换热单元；第三路进入吸收器中，与吸收器中的溶液和水蒸汽换热，被吸热后的热水进入冷凝器中，与冷凝器中的水蒸汽换热，吸热后的热水回到热水供水母管；
26.当系统供冷时，冷冻水回水母管分两路，分别进入压缩式热泵单元和蒸发器中被提热降温，然后回到冷冻水供水母管，冷却塔中的冷却水分两路，一路依次经吸收器和冷凝器后回到冷却塔降温，另一路通过冷凝器吸热后返回冷却塔降温。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.本发明公开了一种基于能量梯级利用的热电联供系统，将吸收式热泵单元与压缩式热泵单元配合使用，同时结合烟气换热单元驱动吸收式热泵单元提取余热实现供热，引入污水处理单元形成污水源吸收式热泵单元，使得吸收式热泵单元可以同时提取烟气和生活污水的余热进行供热，当用户侧有冷负荷需求时，利用发电机组发电量及烟气余热分别
驱动压缩式热泵与吸收式热泵，两热泵高温热源切换为冷却塔，低温热源切换为冷冻循环水，实现对用户供冷，实现能量梯级利用，提高能源利用率与系统灵活性，降低供能成本与污染物排放。
29.进一步的，本发明利用负压闪蒸罐对生活污水进行初步处理，配合压缩式热泵单元和吸收式热泵单元，以新型污水能利用方式解决传统污水余热提取过程中的换热器腐蚀堵塞问题，提高热泵制热性能系数，同时还可回收品质较高的凝结水，可用作热网补水，提高污水的利用率。
30.进一步的，本发明在设置了太阳能板，利用机组发电量驱动太阳能集热器联合压缩式热泵作为热源与冷源的补充提高系统灵活性，提高热泵制热性能系数与清洁能源利用率，降低供能成本。
31.进一步的，本发明将内燃机组和风电机组作为联和发电机组，风电机组做基础电源，内燃机做电源的保障与补充，提高了风电消纳能力。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1为本发明的结构示意图。
34.其中：1-内燃机；2-发电机；3-余热锅炉；4-烟气换热器；5-风力发电机；6-整流器；7-逆变器；8-配电箱；9-热网循环水泵；10-第一球阀；11-第一电动调节阀；12-第二球阀；13-第二电动调节阀；14-第三球阀；15-第三电动调节阀；16-第四球阀；17-第五球阀；18-第六球阀；19-第七球阀；20-第四电动调节阀；21-第八球阀；22-发生器；23-第一膨胀阀；24-溶液泵；25-溶液热交换器；26-吸收器；27-第一蒸发器；28-第二膨胀阀；29-第一冷凝器；30-第九球阀；31-冷却塔；32-冷却水循环泵；33-第十球阀；34-第十一球阀；35-凝结水泵；36-第一电动截止阀；37-凝结水罐；38-第二电动截止阀；39-负压闪蒸罐；40-真空泵；41-第十二球阀；42-喷淋泵；43-污水退水泵；44-供冷循环泵；45-第十三球阀；46-第十四球阀；47-第十五球阀；48-第五电动调节阀；49-第十六球阀；50-第十七球阀；51-第六电动调节阀；52-第十八球阀；53-第二冷凝器；54-第三膨胀阀；55-第二蒸发器；56-压缩机；57-第十九球阀；58-闭式循环水泵；59-太阳能集热器；60-过滤器；61-第二十球阀；62-第二十一球阀；63-第二十二球阀。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
42.参见图1，本发明实施例公开了一种基于能量梯级利用的热电联供系统及方法，本系统将风力发电机组与内燃发电机组联合供电，回收内燃机烟气余热驱动吸收式热泵，建立负压闪蒸装置利用水的饱和温度随压力降低而降低的特性回收用户生活污水余热，吸收式热泵提取余热实现对用户供热，太阳能集热器做低温热源的压缩式热泵利用发电机组发电驱动共同对用户供热；当用户侧有冷负荷需求时，利用发电机组发电量及烟气余热分别驱动压缩式热泵与吸收式热泵，两热泵高温热源切换为冷却塔，低温热源切换为冷冻循环水，实现对用户供冷。风电机组联合内燃发电机组，风电做基础电源，内燃机做电源的保障与补充，提高风电消纳能力，利用发电过程中的烟气余热驱动吸收式热泵供热或供冷，建立负压闪蒸罐以新型污水能利用方式解决传统污水余热提取过程中的换热器腐蚀堵塞问题，利用机组发电量驱动太阳能集热器联合压缩式热泵作为热源与冷源的补充提高系统灵活性，整套系统实现了能量梯级利用、深度余热回收、提高了清洁能源利用率，降低系统供能成本及以二氧化碳为主的污染物排放。
43.内燃发电机组与风力发电机组联合发电，满足用户电负荷需求及系统中各用电设备的耗电量，同时利用余热锅炉与烟气换热器回收内燃机排烟余热制取热水，热水视用户热负荷不同进行分配，一部分用于直接供热，一部分用于驱动吸收式热泵；吸收式热泵低温热源为负压闪蒸装置，利用水的饱和温度随压力降低而降低的特性，将用户生活污水送入闪蒸罐内的负压环境中使其蒸发产生携带大量潜热的水蒸气用作热泵低温热源，吸收式热泵利用烟气余热制取的热水驱动回收生活污水余热加热热网循环水实现对用户供热，当用户侧需求冷负荷时，热泵高温热源切换为冷却塔，低温热源切换为用户供冷所使用的冷冻水循环水，将冷冻水回水降温提取的热量转移至冷却塔散出，实现对用户供冷；压缩式热泵利用内燃机组和风力发电机组的发电量驱动，利用太阳能集热器做低温热源，提取太阳能
集热量用于加热热网循环水实现对用户供热，当吸收式热泵无法独立满足用户侧冷负荷需求时，压缩式热泵低温热源切换为用户冷冻水循环水，高温热源切换为冷却塔，将热泵作为冷源补充，实现对用户供冷。
44.具体的本发明实施例的连接关系为：
45.内燃机1的烟气出口与连接锅炉3的烟气入口，锅炉3的烟气入口连接烟气换热器4的烟气入口；
46.热网循环水回水分为三路：
47.第一路与冷凝器53的热网循环水入口连通，冷凝器53的热网循环水出口分两路，一路连接热网供水母管，另一路连接冷却塔31的入口；
48.第二路与烟气换热器4的热网循环水入口连接，烟气换热器4的热网循环水出口通过第二球阀12连接余热锅炉3的热网循环水入口，余热锅炉3的热网循环水出口分两路，一路通过第三电动调节阀15和第四球阀16连接发生器22的热网循环水入口，另一路依次通过第二电动调节阀13和第三球阀14连接热网供水母管；
49.第三路通过第七球阀19和第四电动调节阀20连接吸收器26的水侧入口，吸收器26的水侧出口连接冷凝器29的水侧入口，冷凝器29的水侧出口分两路，一路通过第九球阀30连接冷却塔31入口，另一路通过第八球阀21连接热网供水母管。
50.发生器22的热网循环水出口通过第五球阀17连接余热锅炉3的热网循环水入口，发生器22的出口还通过第六球阀18连接烟气换热器4的热网循环水入口，发生器22的蒸汽出口连接冷凝器29的蒸汽入口，发生器22的溶液出口通过第一膨胀阀23连接溶液热交换器25的第一侧溶液入口，溶液热交换器25的第一侧溶液出口通过溶液泵24连接吸收器26的溶液入口，吸收器26的溶液出口连接溶液热交换器25的第二侧溶液入口，溶液热交换器25的第二侧溶液出口连接发生器22的溶液入口；冷凝器29的凝结水出口通过第二膨胀阀28连接蒸发器27的凝结水入口，蒸发器27的蒸汽出口连接吸收器26的蒸汽入口。
51.生活污水供水管通过生活污水供水泵42连接负压闪蒸罐39的污水入口，负压闪蒸罐39的蒸汽出口通过第十二球阀41连接蒸发器27的冷侧入口，蒸发器27的冷侧入口分两路，一路通过第十四球阀46连接冷冻水供水母管，另一路依次通过第十一球阀34、凝结水泵35和电动截止阀38连接负压闪蒸罐39的凝结水入口；负压闪蒸罐39的凝结水入口处还连接凝结水罐37，凝结水管37的入口处设置有电动截止阀36，负压闪蒸罐39还连接真空泵40，真空泵40用于维持负压闪蒸罐39内的真空度，负压闪蒸罐39的污水出口连接污水回水管。
52.冷冻水回水分两路，一路经第十五球阀47和第五电动调节阀48后进入蒸发器55进行换热，换热后经第十六球阀49回到冷冻水供水母管，另一路通过第十三球阀45连接蒸发器27的冷侧入口，蒸发器27的冷侧出口连接冷冻水供水母管。
53.冷却塔31的出口分两路，一路连接吸收器26的水侧入口，另一路连接冷凝器53的热侧入口，热网循环水53冷侧出口连接蒸发器55的热侧入口，蒸发器55的热侧出口连接热网循环水53的冷侧入口。
54.冷凝器53的冷侧入口和蒸发器55的热侧出口之间设置有压缩机56，冷凝器53的冷侧出口和蒸发器55的热侧入口之间设置有膨胀阀54；冷凝器53、膨胀阀54、蒸发器55和压缩机56组成了压缩式热泵单元。蒸发器55的冷侧入口与冷侧出口之间还依次设置有球阀57、闭式循环泵58、太阳能集热器59、过滤器60和球阀61。
55.热网供水母管的管路上依次设置有热网循环水泵9、第一球阀10和第一电动调节阀11。
56.本发明实施例的工作原理：
57.发电侧包括由依次相连的内燃机1、发电机2、余热锅炉3、烟气换热器4共同组成的内燃机发电系统，由风力发电机5、整流器6、逆变器7组成的风力发电机组，以上二者联合配电箱8共同构成微电网系统；风力发电机5发电量经整流器6整流后再经逆变器7转换为可用交流电送至配电箱8，内燃机1带动发电机2发电，发电量也送入配电箱8，内燃发电机组与风机发电机组发电量用于满足用户电负荷需求和系统中各水泵与压缩机耗电量；内燃机1在做功的同时，产生的排烟依次进入余热锅炉3和烟气换热器4中利用热网循环水回收烟气余热。供热供冷侧包括由吸收式热泵、污水负压闪蒸装置构成的污水源吸收式热泵系统，还包括由太阳能集热器、压缩式热泵组成的太阳能热泵系统。
58.系统在热电联供时，风力发电机组和内燃机组同时发电满足用户电负荷需求及系统各设备耗电量，回收内燃机排烟余热制取热水，热网循环水回水经热网循环水泵9升压送入各支路中，此时球阀第一球阀10、第二球阀12、第三球阀14、第四球阀16、第五球阀17、第七球阀19、第八球阀21、第十一球阀34和第十二球阀41打开，其余球阀关闭，热网回水母管的部分流量分三路，一路依次进入烟气换热器4和余热锅炉3回收烟气余热直接供热，一路做吸收式热泵驱动热源，一部分被吸收式热泵加热后供热：
59.其中被吸收式热泵加热的部分流量经过第七球阀19、第四电动调节阀20、吸收器26、第一冷凝器29、第八球阀21后汇合至热网供水母管，第四电动调节阀20用于控制进入吸收器26与第一冷凝器29中被吸收式热泵单元加热的热网水流量，
60.做驱动热源和回收烟气余热直接供热的两部分流量先共同经过第一球阀10、第一电动调节阀11、烟气换热器4、第二球阀12、余热锅炉3充分回收烟气余热后分两路：其中一路做驱动热源的部分流量在分叉口经第三电动调节阀15、第四球阀16、发生器22、第五球阀17完成驱动热源循环；另一路直接供热的部分流量在分叉口经第二电动调节阀13、第三球阀14并混合被吸收式热泵单元加热的部分流量后作为热网供水供至用户，
61.其中，第一电动调节阀11、第二电动调节阀13和第三电动调节阀15用于控制做驱动热源和回收余热对外直接供热的两环路热网水的流量分配。
62.吸收式热泵单元低温热源采用负压闪蒸回收污水余热的方式，生活污水经污水喷淋泵42喷洒至负压闪蒸罐39内，真空泵40用于维持罐内真空度，低温污水在负压环境内闪蒸成负压蒸汽经第十二球阀41至第一蒸发器27内被提热凝结，凝结水经第十一球阀34、凝结水泵35和第二电动截止阀38送回闪蒸罐39内，污水退水泵43把被提热后的低温污水送回原处，当负压闪蒸罐39液位较高时关闭第二电动截止阀38并打开第一电动截止阀36，将闪蒸蒸汽凝结水送至凝结水罐37内；
63.溴化锂稀溶液在发生器22中吸收驱动热水的热量蒸发分解为高温高压水蒸气和溴化锂浓溶液，浓溶液经膨胀阀23降压后进入溶液热交换器25将热量还给稀溶液后进入吸收器26，浓溶液在吸收器26中吸收来自第一蒸发器27的低温低压水蒸气后放热变为稀溶液，稀溶液再进入溶液热交换器25吸收浓溶液的热量后经溶液泵24升压送回发生器22，发生器22蒸发出的高温高压水蒸气进入第一冷凝器29中凝结放热，产生的凝结水经膨胀阀28降压后进入第一蒸发器27中吸收低温热源热量蒸发。
64.当烟气余热驱动热泵供热能力无法满足用户热负荷时，打开第十七球阀50、第十八球阀52、第十九球阀57和第二十球阀61，部分热网回水经第十七球阀50、第六电动调节阀51、第十八球阀52第二冷凝器53送回热网供水管，第六电动调节阀51用于控制进入压缩式热泵单元的第二冷凝器53中被加热热网水的流量，低温热源循环水在蒸发器55出口经第十九球阀57、闭式循环水泵58、太阳能集热器59、过滤器60、第二十一球阀61后送回第二蒸发器55中，其中压缩机56的耗电量由内燃机1与风力发电机5的发电量中提供。内部工质在第二蒸发器55中吸热后蒸发进入压缩机56，被压缩成高温高压状态的工质进入第二冷凝器53中凝结放热，凝结工质经第三膨胀阀54降压后回到第二蒸发器54完成压缩式热泵单元的内部循环。
65.系统在冷电联供时，发电机组发电量满足用户电负荷及设备耗电量，烟气余热驱动吸收式热泵供冷，机组发电驱动电热泵，吸收式热泵与电热泵的高温热源变为冷却塔，二者低温热源均变为用户供冷的冷冻循环水，实现对外供冷。具体工作过程为：第四球阀16、第五球阀17、第九球阀30、第十球阀33、第十三球阀45和第十四球阀46打开，其余球阀关闭，此时作为吸收式热泵单元驱动热源的闭式循环水在发生器22热网循环水出口经第五球阀17进入余热锅炉3中回收烟气余热，然后经第三电动调节阀15与第四球阀16回收发生器22中驱动吸收式热泵单元制冷。
66.冷却水环路中，冷却水循环泵32将冷却塔31中冷却水抽出升压后依次经第十球阀33、吸收器26、第一冷凝器29、第九球阀30返回冷却塔31中喷淋冷却降温。
67.冷冻水回水经供冷循环泵44升压后经第十三球阀45、第一蒸发器27、第十四球阀46被热泵降温后供至用户制冷。
68.当烟气余热驱动吸收式热泵供冷能力无法满足用户冷负荷时，打开球阀47、4第十六球阀9、第二十一球阀62、第二十二球阀63使压缩式热泵单元参与供冷，此时冷冻水回水经供冷循环泵44升压后分两路分别进入第一蒸发器27和第二蒸发器55中被提热降温，第五电动调节阀48用于控制进入两个蒸发器的流量分配，冷却水经冷却水循环泵32升压后分两路分别进入第一冷凝器29和第二冷凝器53中，第六电动调节阀51用于调节进入两冷凝器的冷却水流量分配，汇合后返回冷却塔31中喷淋降温冷却，其中压缩机56耗电量由内燃机1与风机5的发电量中提供。
69.本发明实施例中内燃发电机组利用烟气余热驱动吸收式热泵单元，配合风力发电机组发电带动电热泵与吸收式热泵共同供冷或供热，实现能源梯级利用，提高系统供能灵活性，负压闪蒸单元解决常规污水利用系统换热器堵塞的问题，太阳能热泵与污水源吸收式热泵共同提高整体清洁能源利用率，具备更高的制热性能系数，降低系统整体供能成本和污染物排放。
70.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。