專利名稱：混合循環(huán)能源設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種混合循環(huán)能源設(shè)備，具體地說，涉及一種適合居住小區(qū)或建筑物用的混合循環(huán)能源設(shè)備。
背景技術(shù)：
自七十年代能源危機以來，人們?nèi)找嬷匾暷茉吹墓?jié)約和合理利用，相應(yīng)發(fā)展了各種工業(yè)節(jié)能技術(shù)，也促進了動力發(fā)電循環(huán)和能源設(shè)備研究的發(fā)展。在當前強調(diào)生態(tài)和環(huán)境保護，走可持續(xù)發(fā)展道路前提下，進一步研究提高動力循環(huán)和能源設(shè)備的效率，增加對燃料和能源供應(yīng)的適應(yīng)性和減少排放溫室氣體對環(huán)境的危害具有更重要的意義。
與此同時，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活水平的提高，以提高生活和工作環(huán)境舒適性為前提的生活用能的需求，如電力、供熱取暖、供冷、熱水供應(yīng)、通風等大幅度增加，從而使建筑和生活用能已成為城市中不容低估的耗能領(lǐng)域。在發(fā)達國家中，這部分用能已達到城市耗能的一半。這其中也包括工業(yè)生產(chǎn)中的生活用能部分。若停留在利用電驅(qū)動壓縮熱泵系統(tǒng)或蒸汽供熱和制冷系統(tǒng)，從能源有效利用來說是不經(jīng)濟和不完全合理的。因此，如何安排、設(shè)計合理和先進的動力能源系統(tǒng)，同時更有效地滿足生活用能的需要，已經(jīng)日益迫切地被提上了日程。
熱力學理論和多年來發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，利用動力裝置的余熱轉(zhuǎn)換成可利用的工業(yè)及生活用能的“熱電聯(lián)供”和“集中供熱”是提高能源利用效率、減少有害排放的有效途徑。在大規(guī)模集中發(fā)電的同時，分散發(fā)電結(jié)合集中供熱的有效性也得到了更深入的認識。因此，對居住小區(qū)和建筑群的熱電聯(lián)供或小型熱電聯(lián)供的技術(shù)發(fā)展提出了新的要求，這已成為建筑節(jié)能技術(shù)中的很重要的一個方面。
小型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括二部分，即用于發(fā)電的動力裝置部分和實現(xiàn)供熱和/或供冷的熱系統(tǒng)部分。這兩個部分合成為一個能根據(jù)用戶用能需要而協(xié)調(diào)和平衡的二聯(lián)供即熱、電聯(lián)供或三聯(lián)供即熱、電、冷聯(lián)供的能源設(shè)備?，F(xiàn)有的小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備中的供發(fā)電用的動力裝置部分多采用基于布萊登(Brayton)簡單循環(huán)的內(nèi)燃式小功率燃氣輪機和活塞式發(fā)動機。這種動力裝置僅能適用液體或氣體燃料，功率約在50-5000千瓦之間，利用500～700℃的排氣余熱產(chǎn)生蒸汽來供熱，如果需要，可進一步通過吸收式制冷機來制冷。當供熱或供冷的負荷不平衡時，需有備用蒸汽鍋爐來進行調(diào)節(jié)，這樣就使投資和設(shè)備復(fù)雜性相應(yīng)增加。當前小功率燃氣輪機產(chǎn)品的型號不多，熱效率也不高，價格較昂貴，而柴油機必須使用燃料油，運行費用較高。而且，二者可以運用的熱電比值均不高。
最近，國外正在大力發(fā)展功率約為30～100kW的所謂微型燃氣輪機(MicroGas Turbine)，其熱力循環(huán)特點是，利用高壓縮比即壓縮比＞10與高循環(huán)初溫即溫度＞1000°來獲得高熱效率。由于排氣溫度相應(yīng)提高，若作為熱電聯(lián)產(chǎn)機組，其熱電比和能源利用率也可相應(yīng)提高。但是，這種微型燃氣輪機的價格相應(yīng)更為昂貴，技術(shù)上增加復(fù)雜性，維修也不簡單。
因此，作為整體的居住小區(qū)或建筑群的熱、電、冷三聯(lián)供能源系統(tǒng)，尚須從熱力循環(huán)和供熱或供冷系統(tǒng)上作全面分析改進，提出新的、更有效的動力循環(huán)裝置和能源設(shè)備。
實用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型的目的在于，提供一種可燃用各種燃料和具有更高能源利用率的混合循環(huán)能源設(shè)備。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種混合循環(huán)能源設(shè)備，包括一動力裝置部分，所述動力裝置部分包括空氣壓縮機、濕空氣透平、發(fā)電機、以及燃燒室或高溫換熱器，其中所述濕空氣透平分別連接于所述空氣壓縮機和所述發(fā)電機，所述燃燒室或高溫換熱器連通于所述濕空氣透平；一熱系統(tǒng)部分，所述熱系統(tǒng)部分包括回熱器、去濕冷凝器、加濕器、后冷器、儲水器、加壓裝置和摻混器，其中，所述后冷器連通于所述空氣壓縮機和所述儲水器并且還通過兩條連接管道分別連通于所述加濕器，所述加濕器還連通于所述儲水器和所述摻混器，所述儲水器還連通于所述燃燒室或高溫換熱器并通過所述加壓裝置連通于所述去濕冷凝器，所述摻混器還連通于所述燃燒室或高溫換熱器和所述回熱器，所述回熱器還連通于所述濕空氣透平、所述燃燒室或高溫換熱器和所述去濕冷凝器，所述加壓裝置連通于所述去濕冷凝器、所述回熱器和所述儲水器。
本實用新型的創(chuàng)新內(nèi)容表現(xiàn)在
1)借助同一個空氣壓縮機—透平主機系統(tǒng)，利用外燃型燃燒系統(tǒng)加熱中壓即5-6個大氣壓的壓縮空氣，從而實現(xiàn)能燃用各種燃料的半開式燃氣輪機?；蛘撸部山柚邷負Q熱器，實現(xiàn)利用高溫余熱即溫度為650～800℃的燃氣輪機或復(fù)合式發(fā)動機燃氣輪機。
2)利用系統(tǒng)中的熱水對空氣工質(zhì)進行二次加濕，并對透平排氣進行接觸式去濕冷凝，這樣就能形成高效的中壓中溫空氣—水混合循環(huán)，從而有效地提高熱循環(huán)效率。
3)如果需要，可利用接觸式去濕冷凝系統(tǒng)中的熱水，應(yīng)用熱水噴射式熱泵技術(shù)來制冷/供熱，從而使整個能源系統(tǒng)成為更合理的電、熱、冷三聯(lián)供設(shè)備，進一步提高系統(tǒng)能源利用率。
4)本實用新型所提出的高效三聯(lián)供能源設(shè)備，可使燃料或高溫余熱的利用與熱、電、冷的聯(lián)供實現(xiàn)熱力學上更有效的結(jié)合。由于動力裝置性能的提高，因而使成本與運行費用價格降低，且易于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的熱電平衡。
本實用新型的混合循環(huán)能源設(shè)備適應(yīng)了國內(nèi)和國際上熱電聯(lián)產(chǎn)和三聯(lián)供能源系統(tǒng)的發(fā)展要求。該設(shè)備依據(jù)熱力學中能源梯級利用和尋求更高 效率的原則，為進一步提高熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)的能源利用效率和拓寬實際應(yīng)用，提出了可適用于外燃、利用高溫余熱、以空氣加濕和去濕過程為基礎(chǔ)的半開式混合循環(huán)中壓中溫空氣輪機，將其與熱水噴射制冷/供熱即熱水噴射熱泵系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)合，可進一步地充分利用發(fā)電裝置的余熱，形成有很高三聯(lián)供效率的新的熱、電、冷三聯(lián)供設(shè)備。該設(shè)備的設(shè)備不復(fù)雜，易于實現(xiàn)，且能在一定程度上調(diào)節(jié)熱電比。另外，設(shè)備的維護運行更為方便可靠，技術(shù)和經(jīng)濟可行性高，與現(xiàn)有常規(guī)設(shè)備相比，可實現(xiàn)更好的經(jīng)濟和節(jié)能效益。


圖1是根據(jù)本實用新型一較佳實施例的混合循環(huán)能源設(shè)備的示意圖；圖2是動力能源設(shè)備流程的焓熵圖圖3a-3c分別是能源設(shè)備的發(fā)電效率圖、熱電聯(lián)產(chǎn)能源利用率圖和熱電比效率圖；以及圖4a-4b分別是作比較用的簡單回熱循環(huán)燃氣輪機的能源利用效率圖和發(fā)電效率圖。
具體實施方式
圖1示出了根據(jù)本實用新型一較佳實施例的混合循環(huán)能源設(shè)備。該設(shè)備主要包括一用于發(fā)電的動力裝置部分和一用于供熱和供冷的熱系統(tǒng)部分。動力裝置部分包括空氣壓縮機1、濕空氣透平2、發(fā)電機3和燃燒室4。熱系統(tǒng)部分包括回熱器5、去濕冷凝器6、加濕器7、后冷器8、儲水器9、水泵10、摻混器11、冷凝器12、引射器13、蒸發(fā)器14和節(jié)流閥15。
按照工作原理，動力裝置部分實際上類似于一個半開式的燃氣輪機，其中濕空氣透平2通過轉(zhuǎn)軸分別連接于空氣壓縮機1和發(fā)電機3，以為它們提供工作動力。另外，燃燒室4連通于濕空氣透平2，以為其提供膨脹作功所需的高溫濕空氣。這里所謂的“連通”可借助例如管道之類的常規(guī)技術(shù)來實現(xiàn)，在下文中也是一樣，因而不再贅述。值得注意的是，在本實用新型中，燃燒室4可以是外燃型的，能利用呈液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)的各種燃料。還有，如果需要，也可以用高溫換熱器來代替燃燒室，該高溫換熱器可借助工業(yè)裝置或前置發(fā)動機的650～800℃的余熱來對工質(zhì)即濕空氣進行加熱。
在該實施例中，熱系統(tǒng)部分可進一步地細分為供熱子系統(tǒng)和制冷子系統(tǒng)，其中制冷子系統(tǒng)是可選用的。在圖1中，制冷子系統(tǒng)由冷凝器12、引射器13、蒸發(fā)器14和節(jié)流閥15等構(gòu)件組成，其中，引射器13連通于冷凝器12和蒸發(fā)器14，冷凝器12連通于去濕冷凝器6，蒸發(fā)器14通過節(jié)流閥15連通于去濕冷凝器6。該制冷子系統(tǒng)可以例如是一種熱水噴射式制冷系統(tǒng)，其詳細結(jié)構(gòu)和工作原理可參見本實用新型申請人于1999年7月15日提交的、申請?zhí)枮?9113880.5、題為“分離熱管型熱噴射式制冷和供熱系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請，該專利已在2003年10月15日獲授權(quán)。該申請的內(nèi)容可援引在本申請內(nèi)以供參考。應(yīng)該理解，制冷子系統(tǒng)還可以由其它方式來實現(xiàn)，例如吸收式制冷或蒸汽噴射式制冷等，但這些都不屬于本申請的范圍。
如圖1所示，在供熱子系統(tǒng)中，后冷器8連通于空氣壓縮機1和儲水器9，并且還通過兩條連接管道分別連通于加濕器7。加濕器7還連通于儲水器9和摻混器11。儲水器9還連通于燃燒室4并通過下述的加壓裝置10連通于去濕冷凝器6。摻混器11還連通于燃燒室4和回熱器5。回熱器5還連通于濕空氣透平2、燃燒室4、去濕冷凝器6以及制冷子系統(tǒng)。去濕冷凝器6也連通于制冷子系統(tǒng)。作為加壓裝置的水泵10連通于去濕冷凝器6、回熱器5和儲水器9。
以下將結(jié)合圖1詳細描述根據(jù)該較佳實施例的混合循環(huán)能源設(shè)備的工作情況。在圖1以及下文的描述中，用T表示溫度，用P表示壓力，用X表示濕度，而下標字母a表示空氣，w表示水，沒有下標則表示空氣和水的混合物即濕空氣。
如圖1所示，空氣在環(huán)境溫度T1a下由空氣壓縮機1壓縮到壓力P2a和溫度T2a，這時取壓縮比約為6，屬中壓范圍，然后進入后冷器8降溫到T3a，再進入加濕器7。從儲水器9來的溫度為T2w的熱水經(jīng)后冷器被加熱到T3w即接近P2a下的飽和溫度，而后從加濕器7的頂部噴入，從而對其中的空氣進行加濕。這時，溫度為T10w的水落入儲水器9，溫度變?yōu)門2w的熱水從儲水器9被傳送至燃燒室或高溫換熱器4加熱為濕蒸汽。接著，被加濕后的濕空氣以溫度T4、濕度X1進入摻混器11，與利用燃燒室4的排氣余熱所形成的溫度為T12的濕蒸氣混合后達到新的濕度X2，并以溫度T13進入回熱器5。
接著，在回熱器5中，濕空氣的溫度變?yōu)門5，并以此溫度進入燃燒室4。隨后，由燃燒室4加溫到循環(huán)溫度T6，例如取600℃。此濕空氣經(jīng)透平2作功帶動空氣空氣壓縮機1和發(fā)電機3。透平2的排氣T7進入回熱器5，先加熱濕空氣，再加熱熱系統(tǒng)用水，最后以溫度T8′排入去濕冷凝器6。去濕冷凝器6可以是直接接觸式熱交換器，其冷凝溫度可根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)。在去濕冷凝器6中，溫度為T9a的空氣可直接排入大氣，而溫度為Tow的回水由泵10加壓到循環(huán)壓力，以溫度T1w進入儲水器9和回熱器5。
另外，來自于回熱器5的溫度為T14W，例如90℃的熱水可進入制冷子系統(tǒng)，通過熱水噴射熱泵系統(tǒng)來制冷或供熱。如果無需制冷，則可以直接排入去濕冷凝器6。也可用去濕冷凝器中熱水直接供熱。
本實用新型的能源設(shè)備的一個很重要的特點是二次加濕，第一次是直接利用后冷器8的熱水在加濕器7中實現(xiàn)對壓縮空氣的加濕，達到濕度X1，然后通過燃燒室4的余熱將熱水加熱為蒸汽或濕蒸汽，在摻混器中與濕空氣摻混，進一步提高總濕度到X2。這樣，有利于提高循環(huán)發(fā)電效率和能源利用率。
由于本能源設(shè)備利用濕空氣而不是燃氣作工質(zhì)，沒有露點腐蝕問題，故而冷凝池溫度可以到90℃或更低，從而可提高整個系統(tǒng)的能源利用率，接近于吃完用盡。因此本動力循環(huán)并不如常規(guī)系統(tǒng)中需采用高溫、高壓燃氣來提高效率，更適合于小區(qū)或建筑物多聯(lián)供的中小功率動力能源系統(tǒng)的使用。
圖2示出了根據(jù)如上所述較佳實施例的能源系統(tǒng)流程的焓熵圖。
另外圖3a-3c分別是能源設(shè)備的發(fā)電效率圖、熱電聯(lián)產(chǎn)能源利用率圖和熱電比效率圖。圖4a-4b分別是作比較用的簡單回熱循環(huán)燃氣輪機的能源利用效率圖和發(fā)電效率圖。從這些圖中可以看出，本實用新型的能源設(shè)備的能源利用效率在壓比6及循環(huán)最高溫度600℃下理論上可達95％。與壓比為4及循環(huán)最高溫度為600℃的回熱循環(huán)燃氣輪機相比，本實用新型的能源設(shè)備的能源利用率可增加約18％，達31.5％，而熱電冷聯(lián)供能源利用效率也可增加16％，約95％。由此可見，本實用新型的效果與經(jīng)濟性是非常可觀的。
權(quán)利要求1.一種混合循環(huán)能源設(shè)備，包括一動力裝置部分，所述動力裝置部分包括空氣壓縮機、濕空氣透平、發(fā)電機、以及燃燒室或高溫換熱器，其中所述濕空氣透平分別連接于所述空氣壓縮機和所述發(fā)電機，所述燃燒室或高溫換熱器連通于所述濕空氣透平；一熱系統(tǒng)部分，所述熱系統(tǒng)部分包括回熱器、去濕冷凝器、加濕器、后冷器、儲水器、加壓裝置和摻混器，其中，所述后冷器連通于所述空氣壓縮機和所述儲水器并且還通過兩條連接管道分別連通于所述加濕器，所述加濕器還連通于所述儲水器和所述摻混器，所述儲水器還連通于所述燃燒室或高溫換熱器并通過所述加壓裝置連通于所述去濕冷凝器，所述摻混器還連通于所述燃燒室或高溫換熱器和所述回熱器，所述回熱器還連通于所述濕空氣透平、所述燃燒室或高溫換熱器和所述去濕冷凝器，所述加壓裝置連通于所述去濕冷凝器、所述回熱器和所述儲水器。
2.如權(quán)利要求1所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述熱系統(tǒng)部分還包括一制冷子系統(tǒng)，該制冷子系統(tǒng)連通于所述回熱器和所述去濕冷凝器。
3.如權(quán)利要求2所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述制冷子系統(tǒng)為熱水噴射式制冷系統(tǒng)，其包括冷凝器、引射器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥，其中，所述引射器連通于所述冷凝器和蒸發(fā)器，所述冷凝器連通于所述去濕冷凝器，所述蒸發(fā)器通過所述節(jié)流閥連通于所述去濕冷凝器。
4.如權(quán)利要求2所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述制冷子系統(tǒng)為吸收式制冷機。
5.如權(quán)利要求1所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述去濕冷凝器是直接接觸式熱交換器。
6.如權(quán)利要求1所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述燃燒室是外燃型的。
7.如權(quán)利要求1所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述空氣壓縮機的壓縮比為6，屬中壓范圍。
8.如權(quán)利要求1所述的混合循環(huán)能源設(shè)備，其特征在于，所述能源設(shè)備的循環(huán)溫度為600℃。
專利摘要一種混合循環(huán)能源設(shè)備，包括一動力裝置部分，動力裝置部分包括空氣壓縮機、濕空氣透平、發(fā)電機、以及燃燒室或高溫換熱器，其中濕空氣透平分別連接于空氣壓縮機和發(fā)電機，燃燒室或高溫換熱器連通于濕空氣透平；一熱系統(tǒng)部分，熱系統(tǒng)部分包括回熱器、去濕冷凝器、加濕器、后冷器、儲水器、加壓裝置和摻混器，其中，后冷器連通于空氣壓縮機并且還連通于加濕器和儲水器，加濕器還連通于儲水器和摻混器，儲水器還連通于燃燒室或高溫換熱器和去濕冷凝器，摻混器還連通于燃燒室或高溫換熱器和回熱器，回熱器還連通于濕空氣透平、燃燒室或高溫換熱器和去濕冷凝器，加壓裝置連通于去濕冷凝器、回熱器和儲水器。該混合循環(huán)能源設(shè)備可實現(xiàn)更好的經(jīng)濟和節(jié)能效益。
文檔編號F02C6/18GK2697328SQ03230818
公開日2005年5月4日 申請日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者凌志光 申請人:凌志光