一种化石燃料与地热相结合的生活热水-电联供系统及方法

摘要

本发明公开了一种化石燃料与地热相结合的生活热水-电联供系统及方法，燃料先进入内燃机驱动内燃机发电机组发电，排烟依次进入余热锅炉和烟气余热换热器。余热锅炉中产生蒸汽去驱动吸收式水源热泵，吸收式热泵以地下水为低温热源，将自来水先预热，预热后的自来水再进入烟气余热换热器或者进入以内燃机缸套水、润滑油和间冷水等为热流体的板式换热器，被加热后送入蓄热水罐，然后按需供给用户。该系统可用于同时具有电力和生活热水需求的建筑。本发明充分利用了地热资源，实现传统能源与环境资源的综合利用，并通过蓄能装置实现了热水供应的连续稳定。该系统总体能源利用率高，经济性好。

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种化石燃料与地热相结合的生 活热水电联供系统及方法，是一种集成了吸收式水源热泵和蓄能等关键单 元技术的化石燃料与地热相结合的生活热水-电联供系统及方法。

背景技术

我国传统的发电方式是燃煤火电厂，不但能源利用效率低，约为35％ 左右，而且还造成严重的环境污染，如温室气体效应、酸雨等。随着我国 能源结构的不断调整，煤电所占的比例将逐步减小，而以天然气等优质能 源为燃料的燃气电厂越来越受到重视。但研究与实践都表明，单纯的燃气 电厂发电效率一般不超过40％，即使采用先进的燃气——蒸汽联合循环， 效率也只能达到50％～60％，还有较大的改进空间。

传统的生活热水是由燃气锅炉提供热量，虽然燃气锅炉的热效率能达 到90％以上，但从热力学角度看，这种用能方式所造成的品位损失很大， 因此损很大，整个系统的能源利用效率并不高，没有实现对优质能源的 合理高效利用。

而且使用天然气这种清洁能源成本很高，因为在我国，气源在西部， 而大多数用户集中在东部，长距离输送的成本高，再加上负荷不稳定和负 荷峰谷差大，管网输配系统利润较高和还贷期较短，这些因素更造成了末 端用户使用天然气成本的上升。天然气价格是煤价的3倍以上。科学合理 的使用方式才能使天然气能够顺利的推广应用。因此，天然气的使用方式 要能够提高利用效率，降低运行成本，和保持用气负荷的季节性均衡。分 布式能源系统遵循“温度对口，梯级利用”原则，能够对能源进行合理利 用。

所谓分布式能源系统，是指分布在用户侧的能源梯级利用和可再生能 源及资源综合利用设施，通过在现场对能源实现温度对口梯级利用，尽量 减少中间输送环节的损失，实现对资源利用的最大化。主要形式有热电联 产、冷电联产以及冷热电联产等。系统一般包括驱动系统、发电系统和控 制系统三大子系统，以及供热系统、制冷系统、生活热水系统中的全部或 部分子系统。

分布式能源系统因其在安全可靠、能源效率高、环境友好、社会效益、 经济性等方面出色的特点受到世界范围的广泛重视。但目前的分布式能源 系统大多只是对动力余热的梯级利用，很少涉及到可再生能源的利用，而 对于可再生能源比较丰富的地区，若能将其整合到分布式能源系统中，则 可以减少对化石能源的消耗，同时提高整体能源利用效率。我国很多地区 有着丰富的地下水资源，这些地下水常年维持在15℃左右，以地下水为低 温热源的吸收式热泵，可以以燃机余热为驱动热源，从地下水中提取热量 来制热，此热量既可以加热采暖循环水，也可以加热生活热水，提高了燃 料的利用效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种化石燃料与地热相结合的生 活热水-电联供系统及方法，通过采用集成了吸收式水源热泵和蓄能等关键 单元技术，并与可再生能源结合的生活热水-电联供系统，以达到对内燃机 余热的“温度对口，梯级利用”以及合理利用地热等可再生能源的目的。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种化石燃料与地热相结合的生活 热水-电联供系统，包括：

发电设备，包括内燃机和发电机，用于将燃料的化学能转化为烟气的 热能，然后一部分热能转化为电能，另一部分由烟气和缸套水等带出；其 中内燃机的排烟出口与蒸汽发生装置烟气侧入口相连接；

蒸汽发生装置，用于产生吸收式热泵所需的驱动蒸汽，其烟气出口与 换热设备中的烟气余热换热器相连接，冷侧进出口分别与吸收式热泵驱动 热源的凝水出口和蒸汽入口连接；

吸收式热泵，以来自蒸汽发生装置的蒸汽为驱动热源，以地下水为低 温热源，用于将自来水预热；驱动热源进出口分别连接蒸汽发生装置的蒸 汽出口和给水进口，低温热源的进出口分别连接地下水的供回水管路，热 水侧进出口分别连接自来水供水管路和液体分流设备入口；

换热设备，包括烟气余热换热器和板式换热器，用于实现冷、热物流 间的热量交换，其中烟气余热换热器热侧出口通向大气环境，冷侧进出口 分别与液体分流设备的出口和蓄热储存设备相连接，板式换热器热侧进出 口分别与低温热源循环系统的出口和入口相连接，冷侧进出口分别与液体 分流设备的出口和蓄热储存设备相连接；

蓄热储存设备，用于储存系统产生的热水，并保温；其进口连接烟气 余热换热器和板式换热器的热水出口，出口连接生活热水供水管道；

液体分流设备，用于将预热后的水分流成两股，其进口与吸收式热泵 热水出口相连接，两个出口分别与烟气余热换热器和板式换热器冷侧入口 相连接。

上述方案中，所述蒸汽发生装置为余热锅炉，该余热锅炉的烟气出口 与烟气余热换热器相连接，冷侧进出口分别与吸收式热泵驱动热源的凝水 出口和蒸汽入口连接接。

上述方案中，所述蓄热储存设备为蓄热水罐，其进口连接烟气余热换 热器和板式换热器的热水出口，出口连接生活热水供水管道。

上述方案中，所述液体分流设备为分流器，其进口与吸收式热泵热水 出口相连接，两个出口分别与烟气余热换热器和板式换热器冷侧入口相连 接。

上述方案中，所述吸收式热泵与烟气余热换热器或板式换热器串联， 用于生活热水的分阶段加热，自来水先进入吸收式热泵被加热到一定温度 再进入烟气余热换热器或板式换热器，再被加热到60℃。

上述方案中，所述60℃的生活热水先贮存于蓄热储存设备中，再按需 要供给用户。

为达到上述目的，本发明还提供了一种化石燃料与地热相结合的生活 热水-电联供方法，该方法包括：

燃料先进入内燃机驱动内燃机发电机组发电，排烟依次进入蒸汽发生 装置和烟气余热换热器，在蒸汽发生装置中产生蒸汽去驱动吸收式热泵， 吸收式热泵以地下水为低温热源，将自来水先预热，预热后的自来水再进 入烟气余热换热器或者进入以内燃机缸套水、润滑油和间冷水为热流体的 板式换热器，被加热后自来水被送入蓄热储存设备。

上述方案中，所述内燃机排烟时，先进入余热锅炉产生蒸汽驱动吸收 式热泵，再进入烟气余热换热器加热生活热水，最后排空。

上述方案中，该方法进一步包括：被送入蓄热储存设备的自来水进一 步按需供给用户。

上述方案中，当生活热水供大于求时，多余部分储存于蓄热水罐中， 当生活热水供小于求时，用蓄热水罐中储存的热水补充，用蓄热水罐来满 足不同时间对生活热水需求量的变化，以使系统在尽量在稳定工况下运 行。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明遵循“温度对口，梯级利用”的用能原则，通过强化余热 回收技术，实现燃料的高效利用，达到节能减排的目的。

2、本发明通过余热锅炉、烟气余热换热器和板式换热器，充分回收 了燃机排烟余热和缸套水等低温余热，不但提高了用能效率，同时也减少 了对环境的热污染。

3、本发明生活热水先进吸收式水源热泵预热，再进入烟气余热换热 器或板式换热器进一步加热，即分阶段加热。采用吸收式水源热泵，初步 预热生活热水的供水，温度提升范围较小，增大了吸收式热泵的性能系数， 同时也减少了烟气余热换热器和板式换热器中冷热流体的温差，使换热过 程的不可逆损失减小。

4、本发明吸收式水源热泵以地下水为低温热源，合理利用了可再生 能源。

5、本发明采用蓄热水罐调节生活热水供需要求，以满足不同时段对 生活热水的需求，同时也使系统尽可能在稳定工况下运行。

附图说明

图1是本发明提供的化石燃料与地热相结合的生活热水-电联供系统 的工作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的化石燃料与地热相结合的生活热水-电联供系统及方法， 将燃料燃烧产生的热能从高温到接近环境温度分为高温段、中温段和低温 段，进行梯级利用，整个系统采用了内燃机发电技术、吸收式水源热泵技 术、蓄能技术、余热回收技术以及分布式能源系统的集成技术等。燃料先 进入内燃机驱动内燃机发电机组发电，排烟依次进入余热锅炉和烟气余热 换热器，最后排空。余热锅炉中产生蒸汽去驱动吸收式水源热泵，吸收式 热泵以地下水为低温热源，将自来水先预热，预热后的自来水再进入烟气 余热换热器或者进入以内燃机缸套水、润滑油和间冷水等为热流体的板式 换热器，被加热后送入蓄热水罐，然后按需供给用户。

如图1所示，图1是本发明提供的化石燃料与地热相结合的生活热水 -电联供系统的工作流程示意图。本发明的系统包括内燃机1、发电机2、 余热锅炉3、烟气余热换热器4、吸收式热泵5、分流器6、板式换热器7 和蓄热水罐8。其连接方式为内燃机和发电机相连接，内燃机排烟通过管 道依次进入余热锅炉和烟气余热换热器，最后排入大气；吸收式热泵高温 热源端与余热锅炉蒸汽管道相连接，以其提供的蒸汽为驱动热源，低温热 源端与地下水管道相连接，以从地下水中提取热量作为低温热源，热水端 与自来水供水管路和分流器相连接；分流器出口分别连接烟气余热换热器 和板式换热器；烟气余热换热器和板式换热器冷侧出口都和蓄热水罐相连 接；板式换热器热侧与内燃机缸套水、润滑油和间冷水等循环系统相连接， 以充分利用内燃机低温余热；蓄热水罐出口连接生活热水供水管路。

请再次参照图1，本发明提供的化石燃料与地热相结合的生活热水- 电联供系统的具体工作流程为：燃料S1和空气S2先进入内燃机1燃烧， 驱动发电机组2发电，500℃左右的排烟S3进入余热锅炉3，产生蒸汽去 驱动吸收式热泵5，17℃的地下水供水S8进入吸收式热泵的低温热源端， 在吸收式热泵中释放出部分热量作为热泵的低温热源，温度降到10℃左右 的S9地下水回水回灌地下，吸收式热泵将15℃的自来水供水S10加热到 38℃左右的热水S11，S11进入分流器6分流成两股S12、S13，其中S13 进入烟气余热换热器4，被来自锅炉的250℃左右的排烟S4加热到60℃左 右，温度降到100℃左右的烟气S5排入大气，S12进入板式换热器7，被 来自内燃机的缸套水等低温余热循环回路S17、S18加热到60℃左右，加 热后的热水S14、S15进入蓄热水罐8，然后按需要流向用户。

下面以一个具体例子来说明。某地区具有丰富的地下水资源，有利于 采用吸收式水源热泵。此地某学生公寓有电力和生活热水需求。年均电力 负荷和年均生活热水负荷分别为500kW和1000kW。

若对此学生公寓采用本发明所提出的化石燃料与地热相结合的生活 热水-电联供系统，来满足所有热水需求和部分电力需求，则可以充分利用 地下热水的热能资源，减少系统对化石能源的消耗。根据此学生公寓的热 水负荷情况，可采用方案的主要设备及参数如表1所示。

表1主要设备及参数

本实施例净发电340kW，制热1000kW，耗燃气量为107Nm³/h(低 位热值8500kcal/Nm³)，年满负荷运行时间为2668小时，年供电量91万 kWh，年耗天然气量28.6万m³。

若采用分产系统，即购买网电，并使用燃气锅炉加热生活热水。按照 网电效率为30.4％(考虑8％的网损后)，燃气热水锅炉效率为85％，则在 与联产相同产出的情况下，分产系统共需要消耗天然气58.6万m³。由此 可以看出，本系统节能率可达51％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。