基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，太陽能沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)（A）的太陽能集熱器（1）通過管道與儲熱水箱（2）相連通，儲熱水箱（2）與恒溫沼氣池（3）中的加熱器相連，之間的管路上安裝有第一閥（V1）、第一泵（P1）；微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)（B）的壓氣機（5）通過回?zé)崞鳎?）與燃燒室（6）的下端相連，儲氣罐（4）通過第三閥（V3）與燃燒室（6）的下端相連；廢氣余熱利用環(huán)節(jié)子系統(tǒng)（C）的蒸發(fā)換熱器（9）通過與微燃機中的回?zé)崞鳎?）的出口相連進行換熱，蒸發(fā)換熱器（9）頂端的出口通過第四閥（V4）與蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組（10）相連。
【專利說明】基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽熱能、生物質(zhì)能等可再生能源利用技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式能源系統(tǒng)(DES, Distributed Energy Sources)是一種建立在“溫度對口，能量梯級利用”概念上，將制冷、供熱及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，它將供能系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立為用戶提供能量也可與大電網(wǎng)相連協(xié)同工作，具有可靠性好、能量利用率高、對環(huán)境影響小的特點。因此，相比于其他供能系統(tǒng)，分布式能源系統(tǒng)更適合于可再生能源的開發(fā)利用，具有更高的經(jīng)濟效益和社會效益。常規(guī)的分布式能源系統(tǒng)一般包括動力裝置發(fā)電和余熱高效利用兩個環(huán)節(jié)。
[0003]目前，市場上的分布式能源系統(tǒng)通常會采用鍋爐汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機、微型燃氣輪機和燃料電池等動力裝置作為動力源，而這些系統(tǒng)在可用燃料、功率范圍、發(fā)電效率等方面均存在著明顯的差異。通過對比可以看出，微型燃氣輪機(Microturbine)憑借其自身具備的低燃料消耗率、燃料適用范圍廣、容量小、低排放、初投資少等特點，相比于其他動力裝置更適用于分布式能源系統(tǒng)。如果再引入有機朗肯循環(huán)(ORC, Organic RankineCycle)作為微型燃氣輪機的余熱利用環(huán)節(jié)，便可以實現(xiàn)系統(tǒng)效率的顯著提升了。
[0004]經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利名稱為:基于有機朗肯循環(huán)的發(fā)動機廢熱回收系統(tǒng)，申請?zhí)枮?200910115491.3，該專利公開了一種基于有機朗肯循環(huán)的發(fā)動機廢熱回收系統(tǒng)。系統(tǒng)包括了多個換熱器單元及能量轉(zhuǎn)換裝置以及相應(yīng)的管路和閥門。該專利提出的廢熱回收系統(tǒng)比現(xiàn)有的廢熱回收系統(tǒng)的能量回收效率更高，而且整個系統(tǒng)的運行更為平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)布置更為緊湊。
[0005]中國發(fā)明專利名稱為:基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油發(fā)電機組廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，申請?zhí)枮?201210265249.6，該專利公開了一種基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油發(fā)電機組廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，包括了廢氣鍋爐、有機工質(zhì)膨脹機、減速器、交流發(fā)電機、回?zé)崞鳌⒗淠?、有機工質(zhì)增壓泵和安裝在廢氣鍋爐里的蒸發(fā)器。該專利將有機朗肯循環(huán)作為了船用柴油發(fā)電機組的余熱利用環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)了船用柴油發(fā)電機組廢氣余熱的高效回收，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。
[0006]中國發(fā)明專利名稱為:一種基于有機朗肯循環(huán)的鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)，申請?zhí)枮?201210115541.X，該專利公開了一種基于有機朗肯循環(huán)的鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)。系統(tǒng)由煙氣流量、有機工質(zhì)流量以及空氣流量三個控制子系統(tǒng)組成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明是基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，由太陽能沼氣生產(chǎn)子系統(tǒng)A、微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)B和廢氣余熱利用子系統(tǒng)C組成，三個子系統(tǒng)通過管道連接，組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于太陽能沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)A由太陽能集熱器1、儲熱水箱2、恒溫沼氣池3、儲氣罐4組成，太陽能集熱器I通過管道與儲熱水箱2相連通，儲熱水箱2與恒溫沼氣池3中的加熱器相連，之間的管路上安裝有第一閥V1、第一泵P1，加熱器出口則通過第二閥V5或回?zé)崞?3進入第二泵P3，與太陽能集熱器I相連；恒溫沼氣池3的頂端與儲氣罐4相連，之間管路上裝有第二閥V2，恒溫沼氣池3的底端與微藻培養(yǎng)池14相連通；微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)B包括微型燃氣輪機及同軸的發(fā)電機組，微型燃氣輪機由壓氣機5、燃燒室6、燃氣透平及其發(fā)電機組7及回?zé)崞?組成，其中壓氣機5通過回?zé)崞?與燃燒室6的下端相連，儲氣罐4通過第三閥V3與燃燒室6的下端相連，燃燒室6的頂端與燃氣透平及其發(fā)電機組7相連，燃氣透平7的出口與回?zé)崞?相連；廢氣余熱利用環(huán)節(jié)子系統(tǒng)C包括蒸發(fā)換熱器9、蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組10、冷凝器11、儲液罐12以及溶液泵-第三泵P2，蒸發(fā)換熱器9通過與微燃機中的回?zé)崞?的出口相連進行換熱，蒸發(fā)換熱器9頂端的出口通過第四閥V4與蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組10相連，蒸汽輪機10與冷凝器11相連，冷凝器11與儲液罐12相連，儲液罐12則與蒸發(fā)換熱器9的頂端入口相連，之間管路上安裝有第三泵P2。
[0009]本發(fā)明首先利用太陽能恒溫沼氣生產(chǎn)技術(shù)制備沼氣，再通過微型燃氣輪機進行發(fā)電，但是，大部分微型燃氣輪機的單機效率通常只能達到27%左右，這相比于常規(guī)的火電超臨界(45%-46%)和超超臨界機組的發(fā)電效率(47%-48%)要低很多。因此，本發(fā)明結(jié)合聯(lián)合循環(huán)的思想，可是微燃機排氣溫度和水的熱力性質(zhì)決定了其與蒸汽輪機組成的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的效率不會很高，而從工質(zhì)入手進行思考，引入有機朗肯循環(huán)作為微型燃氣輪機的余熱利用環(huán)節(jié)，如此便可以實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電，從而提升系統(tǒng)的發(fā)電效率。另外，在系統(tǒng)的工作過程中勢必會出現(xiàn)沼液的后續(xù)處理和煙氣中CO2含量過高的問題，為了解決這些廢氣廢液的深化處理，可以在系統(tǒng)的煙氣處理過程引進微藻(MiciOalgae)的培養(yǎng)技術(shù)，利用微藻可以固定C02，消耗氮、磷等無機鹽的特點，來實現(xiàn)系統(tǒng)的“節(jié)能減排，低碳環(huán)保”。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為水T 一 S圖，圖3為有機工質(zhì)的T 一 S圖?！揪唧w實施方式】
[0011]如圖1所示，本發(fā)明是基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，由太陽能沼氣生產(chǎn)子系統(tǒng)A、微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)B和廢氣余熱利用子系統(tǒng)C組成，三個子系統(tǒng)通過管道連接，組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，太陽能沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)A由太陽能集熱器1、儲熱水箱2、恒溫沼氣池3、儲氣罐4組成，太陽能集熱器I通過管道與儲熱水箱2相連通，儲熱水箱2與恒溫沼氣池3中的加熱器相連，之間的管路上安裝有第一閥V1、第一泵P1，加熱器出口則通過第二閥V5或回?zé)崞?3進入第二泵P3，與太陽能集熱器I相連；恒溫沼氣池3的頂端與儲氣罐4相連，之間管路上裝有第二閥V2，恒溫沼氣池3的底端與微藻培養(yǎng)池14相連通；微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)B包括微型燃氣輪機及同軸的發(fā)電機組，微型燃氣輪機由壓氣機5、燃燒室6、燃氣透平及其發(fā)電機組7及回?zé)崞?組成，其中壓氣機5通過回?zé)崞?與燃燒室6的下端相連，儲氣罐4通過第三閥V3與燃燒室6的下端相連，燃燒室6的頂端與燃氣透平及其發(fā)電機組7相連，燃氣透平7的出口與回?zé)崞?相連；廢氣余熱利用環(huán)節(jié)子系統(tǒng)C包括蒸發(fā)換熱器9、蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組10、冷凝器11、儲液罐12以及溶液泵-第三泵P2，蒸發(fā)換熱器9通過與微燃機中的回?zé)崞?的出口相連進行換熱，蒸發(fā)換熱器9頂端的出口通過第四閥V4與蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組10相連，蒸汽輪機10與冷凝器11相連，冷凝器11與儲液罐12相連，儲液罐12則與蒸發(fā)換熱器9的頂端入口相連，之間管路上安裝有第三泵P2。
[0012]如圖1所示，太陽能集熱器I為太陽灶，或者全玻璃真空管集熱器，或者熱管式集熱器，或者槽式集熱器，或者碟式集熱器，或者平板式太陽能集熱器。
[0013]太陽能集熱器I與蒸發(fā)換熱器9中的熱媒采用的流動介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水。
[0014]廢氣余熱利用子系統(tǒng)C采用R145a、R123、R245fa有機工質(zhì)作為有機朗肯循環(huán)工質(zhì)。
[0015]微藻培養(yǎng)池14為開放式光生物反應(yīng)器，或者封閉式光生物反應(yīng)器。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明的工作過程為:太陽能沼氣生產(chǎn)子系統(tǒng)A利用太陽能集熱器I獲得太陽熱能來加熱恒溫沼氣池3制備沼氣，再將生產(chǎn)的沼氣儲存在儲氣罐4中。微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)B將制備的沼氣通入燃燒室6與空氣混合燃燒，帶動透平7轉(zhuǎn)動，并通過同軸的發(fā)電機組對外提供電負荷。微型燃氣輪機在發(fā)電的同時會產(chǎn)生高溫廢氣，廢氣余熱利用子系統(tǒng)C利用這些廢氣的余熱驅(qū)動有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電。此外，系統(tǒng)在工作過程中勢必會出現(xiàn)沼液的后續(xù)處理和煙氣中CO2含量過高的問題，而為了解決廢氣廢液的深化處理。
[0017]本發(fā)明引進了微藻培養(yǎng)池11，利用微藻可以固定CO2，消耗氮、磷等無機鹽的特點。
[0018]如圖2、圖3所示，本發(fā)明采用有機朗肯循環(huán)作為微型燃氣輪機廢氣余熱利用環(huán)節(jié)，可以看出在中低溫情況下，有機朗肯循環(huán)的效率明顯比水作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率高得多，在回收中低品位熱能時效率更高。其主要原因是有機朗肯循環(huán)在顯熱回收方面有較高的效率，這是因為有機朗肯循環(huán)的顯熱/潛熱較大，因此采用有機朗肯循環(huán)可回收較多的熱量。此外，相比于水，有機工質(zhì)大部分都是等熵流體或干流體，其做功膨脹過程更趨向過熱蒸汽區(qū)域，即工質(zhì)越膨脹越干燥，所以有機工質(zhì)無需過熱，這樣也不會對透平的葉片帶來沖擊或腐蝕的危害。
【權(quán)利要求】
1.基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，由太陽能沼氣生產(chǎn)子系統(tǒng)(A)、微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)(B)和廢氣余熱利用子系統(tǒng)(C)組成，三個子系統(tǒng)通過管道連接，組成聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于太陽能沼氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)(A)由太陽能集熱器(I)、儲熱水箱(2)、恒溫沼氣池(3)、儲氣罐(4)組成，太陽能集熱器(I)通過管道與儲熱水箱(2)相連通，儲熱水箱(2)與恒溫沼氣池(3)中的加熱器相連，之間的管路上安裝有第一閥(VI)、第一泵(P1)，加熱器出口則通過第二閥(V5)或回?zé)崞?13)進入第二泵(P3)，與太陽能集熱器(I)相連；恒溫沼氣池(3)的頂端與儲氣罐(4)相連，之間管路上裝有第二閥(V2)，恒溫沼氣池(3)的底端與微藻培養(yǎng)池(14)相連通；微燃機沼氣發(fā)電子系統(tǒng)(B)包括微型燃氣輪機及同軸的發(fā)電機組，微型燃氣輪機由壓氣機(5)、燃燒室(6)、燃氣透平及其發(fā)電機組(7)及回?zé)崞?8)組成，其中壓氣機(5)通過回?zé)崞?8)與燃燒室(6)的下端相連，儲氣罐(4)通過第三閥(V3)與燃燒室(6)的下端相連，燃燒室(6)的頂端與燃氣透平及其發(fā)電機組(7)相連，燃氣透平(7)的出口與回?zé)崞?8)相連；廢氣余熱利用環(huán)節(jié)子系統(tǒng)(C)包括蒸發(fā)換熱器(9)、蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組(10)、冷凝器(11)、儲液罐(12)以及溶液泵-第三泵(P2)，蒸發(fā)換熱器(9)通過與微燃機中的回?zé)崞?8)的出口相連進行換熱，蒸發(fā)換熱器(9)頂端的出口通過第四閥(V4)與蒸汽輪機及同軸發(fā)電機組(10)相連，蒸汽輪機(10)與冷凝器(11)相連，冷凝器(11)與儲液罐(12)相連，儲液罐(12)則與蒸發(fā)換熱器(9)的頂端入口相連，之間管路上安裝有第三泵(P2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于太陽能集熱器(I)為太陽灶，或者全玻璃真空管集熱器，或者熱管式集熱器，或者槽式集熱器，或者碟式集熱器，或者平板式太陽能集熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于太陽能集熱器(I)與蒸發(fā)換熱器(9)中的熱媒采用的流動介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于廢氣余熱利用子系統(tǒng)(C)采用R145a、R123、R245fa有機工質(zhì)作為有機朗肯循環(huán)工質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可再生能源的微型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于:所述的微藻培養(yǎng)池(14)為開放式光生物反應(yīng)器，或者封閉式光生物反應(yīng)器。
【文檔編號】F01K23/02GK103452670SQ201310417168
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】李金平, 連小龍, 張殿平 申請人:蘭州理工大學(xué)