本发明涉及分布式能源系统领域，尤其是涉及一种冷热电联产与有机朗肯循环联合系统。
背景技术：
冷热电联产系统(cchp)是分布式能源系统的一种常见应用形式，通常遵循能源梯级利用的原则，在发电的基础上能够有效利用系统余热进行供暖或制冷，从而提高一次能源利用率。
有机朗肯循环(organicrankinecycle,简称orc)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，由换热器、膨胀动力机、冷凝器和工质泵四大部分组成；其主要特点是可以利用低品位余热发电。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入膨胀动力机械膨胀做工，从而带动发电机发电。从透平排出的蒸汽在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断循环。cchp系统确立其高能效优势的关键着眼点即为余热的充分利用。为此，在热负荷较低时段，cchp系统的利用率将大为降低。利用cchp系统的热回收装置将余剩热量回收并传递给有机朗肯循环系统，不仅提高了系统的能源利用率，而且可以一定程度上从供给侧调节热电比，以适应需求侧热、电负荷的动态变化。
现有技术中，公开号为cn105569751a的中国专利提出了一种基于热能梯级利用的高效冷热电联供系统，配置高压侧蒸汽朗肯循环-低压侧有机朗肯循环和吸收式制冷循环的复合装置，通过阀门切换合理分配能量，并通过回热设计减少工质在中间换热器的传热温差，减少不可逆损失。公开号为cn104929806a的中国专利公开了一种带有有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，包括内燃机组及与内燃机组配套连接的两套orc发电和热水回收组件，针对燃气内燃机组的不同品味余热(烟气余热、缸套水余热)的特性进行合理分配利用。虽然这些方法使cchp系统的能量利用率在一定程度上得到了提高，但在某些方面仍存在一定的局限：
(1)未能从供需两侧综合考虑能量利用效率。由于用户侧热、电负荷随季节、天气、节假日等因素变化较大，导致国内分布式能源系统长期低效运行。为此，有必要确立一种通过热、电间相互转换，实现供给侧热电比灵活可调，以适应需求侧热、电负荷动态变化的方法。
(2)既有的方法大多停留在对orc系统热力学性能的静态描述，侧重于探讨orc的余热回收功能，而忽略了通过构建联合循环系统所形成的热电比可调的外延功能。为此，有必要将orc系统进行改进，使其更好的适应联合循环系统，进而可以通过调节orc系统以达到cchp-orc系统热、电输出动态可调的目的。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题提供一种冷热电联产与有机朗肯循环联合系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种冷热电联产与有机朗肯循环联合系统，包括冷热电联产装置和与冷热电联产装置相连的有机朗肯循环装置，所述有机朗肯循环装置还与变频控制装置连接。
优选地，所述变频控制装置包括相互连接的变频控制模块和电动机，所述变频控制模块与工频电网连接，所述电动机与有机朗肯循环装置连接。
优选地，所述变频控制模块包括变频器、控制器和用户侧能耗采集器，所述变频器分别与工频电网、控制器和电动机连接，所述控制器与用户侧能耗采集器连接，所述用户侧能耗采集器设置于冷热电联产装置的输出端，用于监测用户侧的电量负荷和热负荷。
优选地，所述变频控制装置还包括保护组件，所述保护组件设置于变频控制模块两端，并与变频控制模块连接。
优选地，所述保护组件包括均与变频控制模块连接的第一电磁接触器、第二电磁接触器和第三电磁接触器，所述第一电磁接触器设置于工频电网和变频控制模块之间，所述第二电磁接触器设置于变频控制模块和电动机之间，所述第三电磁接触器设置于工频电网和电动机之间。
优选地，所述有机朗肯循环装置包括首尾依次相接的换热器、膨胀动力机、冷凝器和有机工质循环泵，所述换热器的输入端与冷热电联产装置中的余热回收模块连接，所述膨胀动力机的输出端与冷热电联产装置中的发电机连接，所述有机工质循环泵的一端与变频控制装置连接。
优选地，所述冷凝器和有机工质循环泵之间还设有有机工质补充组件，所述有机工质补充组件包括储液罐和有机工质补充器，所述储液罐的两端分别与冷凝器和有机工质循环泵连接，所述有机工质补充器的一端与储液罐连接，另一端与外部存储有机工质的容器连接。
优选地，所述有机工质补充组件还包括液位检测器，所述液位检测器设置于储液罐内部，并与有机工质补充器连接。
优选地，所述换热器与余热回收模块的连接端上还设有均流器。
优选地，所述有机朗肯循环装置内部的有机工质压力不小于外部环境压力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种冷热电联产与有机朗肯循环联合系统，在传统的cchp系统中加入有机朗肯循环装置，可以灵活、有效回收cchp系统废热，并利用废热发电。当用户侧对热量需求较小时，可以将cchp系统的余热大量供给到orc系统中用于发电，发电量大于电负荷时，多余电量可上网，大大提高了系统整体能源利用率，而且引入变频控制装置，通过变频控制模块对用户侧热电需求的监测调节电动机转速，以改变有机工质循环泵的动力，进而改变系统中工质流量，根据用户侧的热电符合进行相应的调节，从而尽可能的利用系统余热或余电来满足用户侧的相应需求，实现热电输出动态可调，从而达到能源利用的最大化。
(2)本发明通过在orc系统中加入变频装置，可以降低工质循环泵的耗电量，相比于通过调节阀门来改变流量的方法，减少了系统阻力，并且还可以减少设备频繁启停对电机的冲击和控制开关的损坏几率，降低了系统综合运行成本，具有较大的经济价值。
(3)变频控制装置还包括通过电磁接触器构成的保护组件，在变频器的工作频率超出最大能承受的范围时，在控制器的作用下进行相应的开合，从而断开变频器与工频电网之间的连接，避免变频器的损坏，提升整个系统的安全性，延长系统的使用寿命；而且与控制器连接，无需人力手动控制，自动化程度高，反应速度快。
(4)有机朗肯循环装置中在冷凝器和有机工质循环泵支架设有有机工质补充组件，避免系统在工作过程中由于有机工质的损耗而导致无法充分对多余的热点量进行回收利用，进一步提升能源的利用效率。
(5)有机工质补充组件还包括液位检测器，通过检测自动向有机工质补充器反馈，实现有机工质的自动补充，提升整个联合系统的自动化程度和工作效率。
(6)换热器与余热回收模块的连接端上还设有均流器，从而减小有机工质温度波动对有机工质物理性质的影响，从而可以使得有机工质长期稳定的进行工作，保证了整个联合系统工作的稳定性。
(7)有机朗肯循环装置内部的有机工质压力不小于外部环境压力，从而可以避免外部气体进入有机朗肯循环系统，破坏有机工质的物理性能，而导致的整个系统工作效率的下降。
附图说明
图1为相互连接的有机朗肯循环装置与变频控制装置的结构示意图；
图2为本发明中冷热电联产与有机朗肯循环联合系统的总体结构示意图；
图3为实施例中冬季以热定电模式下的供热示意图；
图4为实施例中冬季以热定电模式下的供电示意图；
图5为实施例中冬季以电定热模式下的供热示意图；
图6为实施例中冬季以电定热模式下的供电示意图；
图7为实施例中过渡季以热定电模式下的供热示意图；
图8为实施例中过渡季以热定电模式下的供电示意图；
图9为实施例中过渡季以电定热模式下的供热示意图；
图10为实施例中过渡季以电定热模式下的供电示意图；
图11为实施例中夏季以热定电模式下的供热示意图；
图12为实施例中夏季以电定热模式下的供热示意图；
其中，1为换热器，2为膨胀动力机，3为发电机，4为冷凝器，5为有机工质循环泵，6为储液罐，7为电动机，8为变频器，11为热源入口，12为换热器有机工质出口，13为热源出口，14为换热器有机工质入口，21为膨胀动力机有机工质入口，22为膨胀动力机输出端，23为膨胀动力机有机工质出口，31为冷凝器有机工质入口，32为冷凝器有机工质出口，91为燃气锅炉，92为原动机，93为余热回收模块，94为有机朗肯循环装置，95为供热盘管，96为吸收式制冷机，97为电制冷机，98为天然气，99为工频电网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例在传统分布式冷热电联产系统中引入有机朗肯循环(orc)，在冷热电联产设备与orc装置所构成的联合循环的基础上，对orc系统进一步改造，利用变频技术改变orc系统中工质流量，从而改变orc系统发电量，以及从原动机92中回收的热量。
本实施例提出的冷热电联产与有机朗肯循环联合系统(cchp-orc)中，包括燃气轮机、燃气内燃机等原动机92、余热回收模块93、换热器1、膨胀动力机2、冷凝器4和有机工质循环泵5等。如图1所示，换热器1包括以cchp热回收装置为热源的热源入口11、热源出口13、换热器有机工质入口14、换热器有机工质出口12。膨胀动力机2包括有机工质入口，有机工质出口，换热器有机工质出口12与膨胀动力机有机工质入口21相连。冷凝器4包括冷凝器有机工质入口31和冷凝器有机工质出口32，膨胀动力机2的有机工质出口与冷凝器有机工质入口31相连，冷凝器有机工质出口32通过有机工质循环泵5与换热器有机工质入口14相连。有机工质循环泵5通过电动机7驱动，电动机7与变频控制模块相连。
通过设置变频控制模块，可以改变交流电频率，进而改变电动机7转速。电动机7转速改变，则由电动机7驱动的有机工质循环泵5的动力也就随之改变，其可输送有机工质的流量也就会发生变化。有机工质流量发生变化，则在换热器1内与cchp热回收装置所交换的热量会发生变化，最终会使膨胀动力机2的输出功发生变化，发电量改变。
与电源母线相连的是电源侧断路器，用于电源开闭，在出现过电流或短路事故时自动切断电源，防止事故扩大。k1电磁接触器，用于电源的开闭，在变频保护功能起作用时，切断电源。对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入，以保护设备的安全及人身安全。k2，k3电磁接触器，用于变频系统和工频电网99之间的切换运行，这种情况下k2必不可少，它和k3之间的联锁可以防止变频器8的输出端误接到工频电网99上。一旦出现变频系统输出端误接到工频电网99的情况，将损坏变频器8。正常情况下，k1和k2两个电磁接触器闭合，使得工频电网99可以正常对变频器8供电，实现变频控制，如果变频器8工作的频率超出了变频器8本身的工作范围内时，在控制器的作用下，k3电磁接触器闭合，此时变频器8被短路，同时k2电磁接触器断开，进一步保证变频器8不再与工频电网99连接。
基于上述工作原理和过程，得到的cchp-orc系统如图2所示，从图2中可以看出，cchp装置中的天然气98分别流向燃气锅炉91和原动机92产生热量，cchp装置中的余热回收模块93接入到orc模块中，利用该有机朗肯循环系统对cchp系统内的余热进行控制，而通过燃气锅炉91和原动机92产生的正常热量分布流入到供热盘管95和吸收式制冷机96内为用户进行供热，与此同时，cchp装置还通过电网为电制冷机97供电，以及通过电网为用户供电，与余热回收模块93相连的有机朗肯循环装置94具体包括换热器1，膨胀动力机2，与膨胀动力机输出端22相连的发电机3，冷凝器4和工质循环泵。换热器1包括以原动机92余热为热源的热源入口11，热源出口13，换热器有机工质入口14，换热器有机工质出口12。动力输出装置膨胀动力机2包括膨胀动力机有机工质入口21，膨胀动力机有机工质出口23，换热器有机工质出口12与膨胀动力机有机工质入口21相连，冷凝器4包括冷凝器有机工质入口31和冷凝器有机工质出口32，膨胀动力机有机工质出口23与冷凝器有机工质入口31相连，冷凝器有机工质出口32通过有机工质循环泵5与换热器有机工质入口14相连。有机工质循环泵5通过电动机7驱动，电动机7与变频系统相连。进入换热器1的热源可以是烟气、热水等。上述冷凝器可采用空冷或水冷。热源的流动方向与有机工质的流动方向相反，这种形式称作逆流传热，反之称之为顺流。逆流传热效率较高，可以减少换热器1的换热面积，减少设备制造成本，因此优先选择逆流换热。
使用时，先利用余热回收模块93回收的热量将换热器1内的有机工质加热成气态，通过气态有机工质促使膨胀动力机2做功带动发电机3发电，膨胀动力机2将做功后的有机工质排入冷凝器4冷却成液态，液态有机工质经有机工质循环泵5加压形成过冷液态有机工质，进入换热器1。有机工质按照上述方法在系统内不断循环做工进行发电。
在cchp-orc系统中，包括“以热定电”和“以电定热”两种模式，即根据用户侧的热需求进行变频控制，从而可以同时实现供电量控制，以及根据用户侧的电需求进行变频控制，从而可以实现供热量控制。
“以热定电”模式下，当用户侧电负荷、热负荷均增加时，变频控制模块降低电动机7转速，工质流量减少，orc装置回收的热量减少，供给用户侧的热量增加，同时发电量减少，不足电量从电网中购买；当电负荷增加、热负荷减少时，变频控制模块增加电动机7的转速，orc装置从热回收装置中得到的热量增加，系统发电量增加，供给到用户侧的热量减少；当用户侧电负荷减少、热负荷增加时，变频控制模块应减少电动机7转速，使cchp装置产生的余热直接供给到用户侧；当电负荷、热负荷均减少时，此时变频控制模块应增加电动机7转速，大量利用cchp余热发电，多余电量可以上网(政策允许情形下)。
在“以电定热”模式下，当用户侧电负荷、热负荷均增加时，变频控制模块增加电动机7的转速，工质流量增加，orc装置回收的热量增加，发电量增加，供给到用户侧的热量减少，不足的热量使用锅炉补燃；当电负荷增加、热负荷减少时，变频控制模块增加电动机7的转速，orc装置从热回收装置中得到的热量增加，系统发电量增加，供给到用户侧的热量减少；当电负荷减少、热负荷增加时，变频控制模块应减少电动机7的转速，orc装置回收的热量减少，发电量减少，供给到用户侧的热量增加；当电负荷、热负荷均减少时，变频控制模块应减少电动机7转速，orc装置回收的热量减少，使系统发电量减少。
由于有机工质在系统内会有损耗，为了维持系统内有机工质的正常循环，需要及时向系统内补充有机工质。因此在上述基础上，冷凝器4与有机工质循环泵5之间连接有储液罐6，储液罐6上设置有有机工质补充器。上述有机工质补充器可以是一个阀门，或为一个带有阀门的直管等等，当需要向储液罐6中补充有机工质时，可开启阀门，向储液罐6内补充有机工质，补充完毕后关闭阀门即可。当然上述有机工质补充器还可以包括一个液位检测器，当储液罐6内的液位低于标准液位时，液位检测器将信号传输给控制系统，控制系统通过开启阀门，并通过传输管向储液罐6内输送有机工质。
进一步的是，由于余热回收模块93作为换热器1的热源，其温度变化会影响有机工质的温度变化，有机工质的温度波动又会对有机工质的物性产生影响，因此为了使有机工质长期稳定的工作，换热器1的热源入口11处设置有均流器。如若余热是烟气，上述均流器可以是现有技术中的烟气均流器。为了简化结构，上述均流器可以为由上而下依次设置的多个钢板，钢板上开有多个通气孔，使烟气依次经过多个钢板，达到均流的目的，使烟气流动顺畅，不产生涡流或局部形成烟气死区。如若余热是其他形式，则可以根据余热的具体形式具体设置均流器的形式。
在上述基础上，为了防止系统内有机工质的泄露，系统在运转的过程中，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。也就是使有机工质的压力大于等于外部环境的压力，防止系统外的气体进入系统内破坏有机工质的物理性能。具体的，可以根据系统来选用合适沸点的有机工质，这样可实现系统内有机工质的压力大于等于系统外部压力。这样的措施对于冷凝器4最为有利，可以保证冷凝器4在常压或微压条件下运行，降低冷凝器4投资成本。
本实施例中，以上海某医院为供能对象，针对cchp-orc系统具体阐明其运行原理及功效。假定系统采取并网不上网原则，按照“以热定电”，“以电定热”两种模式分别多冬季、夏季和过渡季典型日进行分析。
根据医院的负荷数据，选定燃气轮机为原动机92，装机容量为340kw，燃气轮机的热电比为2.275，经计算可得到如下结果：
冬季(典型日1月8日)
①以热定电(ftl)
图3为“以热定电”模式下，热负荷和cchp-orc系统热回收装置实际回收的热量。从图中可以看出，4:00-9:00、19:00-24:00时间段内，热负荷大于实际回收热量，这是因为在该时间段内热负荷大于燃气轮机最大产热量，此时应从锅炉补燃；其他时间段热负荷均等于热回收装置回收的热量。
图4为“以热定电”模式下，电负荷、理论发电量以及微调后的发电量示意图。从图中可以看出，9:00-19:00系统理论发电量明显低于电负荷，此时可以提高cchp系统的发热量，同时系统的发电量也会随之增加，将cchp系统提高的那部分发热量，经热回收系统传递给orc系统，orc系统利用该部分热量进行发电，补充该时间段内所缺少的电负荷。经过适度调整cchp系统发热量，orc变频系统可以根据用户侧所缺少的电负荷，回收cchp系统多余发热量，以达到cchp-orc系统所发电量恰好满足用户侧需求的目的。如下图所示，9:00-19:00时间段内，通过orc变频系统，回收调整后cchp系统多余的发热量，微调后的发电量曲线与电负荷曲线基本重合。
②以电定热(fel)
图5为“以电定热”模式下，热负荷以及微调前、后供热量示意图。从图中可以看出，0:00-10:00、19：00-24:00时段，“以电定热”模式所产生热量低于热负荷，需要引入锅炉补燃。10:00-19:00时段，“以电定热”模式所产生余热量高于热负荷，系统有多余热量产生。orc系统利用该部分余热发电，其中10:00-17:00原系统发电量与电负荷相等，如果此时orc系统利用余热发电，则系统产生的电量将超过电负荷。由于系统采取并网不上网原则，因此，此时需微微降低系统发电量，利用变频orc系统回收余热发电，补充微调后所缺少的电量。17:00-19:00电负荷大于系统额定发电量，此时变频orc系统将回收部分余热发电，用于补充部分不足电量。其效果如图5，图6所示。
过渡季(典型日5月16日)
①以热定电(ftl)
图7为“以热定电”模式下，系统热力平衡状况。系统采用吸收式制冷机96来满足用户侧所需冷负荷，从图中可以看出，16:00-19:00实际回收的热量低于冷负荷，这是因为该时间段内热负荷大于燃气轮机最大产热量，此时应从锅炉补燃。
图8为“以热定电”模式下，电负荷、理论发电量以及微调后的发电量示意图。从图中可以看出，按照“以热定电”模式下算出的发电量，在时间段1:00-3:00,11:00-17:00,19:00,23:00-24:00,系统所产生的发电量高于电负荷，此时无法通过orc系统调节使供需侧达到平衡。18:00系统所发电量达到额定发电量，小于电负荷，不足电量从电网买电。时间段3:00-11:00,19:00-23:00，系统所发电量小于电负荷，此时可提高原动机92出力，将多余热量通过热回收装置传递给变频orc系统，变频orc系统根据微调前cchp系统发电量与电负荷的差值，回收余热发电，使该部分发电量与cchp发电量之和恰好等于用户侧电需求，达到供需侧电量平衡。
②以电定热(fel)
图9为“以电定热”模式下，冷负荷、微调后的供热量以及微调前的供热量示意图。1:00-3:00、10:00-19:00时段，在“以电定热”模式下，冷负荷大于cchp系统供热量，此时间段内无法利用orc系统回收热量使供需侧达到平衡；3:00-10:00、19:00-24:00时段，在“以电定热”模式下，冷负荷小于cchp系统所产生热量，此时适当减少系统所发电量，将系统产生多余的热量经热回收装置传递至变频orc系统，变频orc系统回收该部分热量用于发电，所发电量恰好可以填补微调时所减少的cchp系统发电量。由图10清晰可见，该时间段内微调后的供热量基本与需求侧冷负荷持平，达到了预想效果。
夏季(典型日8月15日)
①以热定电(ftl)
图11为“以热定电”模式下，夏季冷负荷以及cchp系统实际回收热量的示意图。从图中可知，夏季通过cchp系统热回收装置实际回收的热量用于制冷，系统所能供给的冷量远小于冷负荷，此时没有多余的热量传递给变频orc系统，系统的利用率达到100％。
②以电定热(fel)
图12为“以电定热”模式下，夏季冷负荷、cchp系统热回收装置回收的热量(供热量)以及经微调以后的供热量。从图中可以看出，微调前的供热量和微调后的供热量两条曲线完全重合，这是因为，夏季冷负荷远远大于cchp系统所产生的制冷量，cchp系统经热回收装置回收的热量全部传递给吸收式制冷装置，全部用于制冷，无余剩热量可用于调节。