一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统及其操作方法与流程

1.本发明属于冷电联供技术领域，特别涉及一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统及其操作方法。


背景技术：

2.卡琳娜循环(kalina cycle，kc)于1984年被提出，由于其采用非共沸混合物氨水作为循环工质，可在换热过程中实现与热源温度变化曲线的良好匹配，被广泛用于中低温热源的余热回收领域。许多学者用卡琳娜循环吸收燃气轮机循环(gas turbine，gt)排气的余热热量，并将其构成gt
‑
kc联合循环发电系统。除了发电需求外，制冷需求也在不断增加，进一步出现了将喷射器制冷循环(ejector refrigeration cycle，erc)作为gt
‑
kc联合循环底循环的冷电联供系统。
3.然而，目前提出的gt
‑
kc
‑
erc冷电联供系统型式较为简单，erc多数情况下只用来吸收kc中冷凝器的热量，虽然能够做到能源的梯级利用，但是对于提高整体运行效率贡献不大；且现有的这种冷电联供系统存在两种运行方式：“以功定冷”或者“以冷定功”，这两种方式都会导致发电量或者制冷量某一方面的限制，不能很好地适应用户的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，使用gt循环的排气和kc中的贫氨溶液作为erc的热源，且erc制造的冷能部分用于用户，部分用于预冷进入燃机的空气，能够提高能源利用率。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明的一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统，包括：
7.压缩机；
8.预热器，预热器的冷流入口与压缩机的出口相连通；
9.燃烧室，燃烧室的燃料入口用于通入燃料，燃烧室的空气入口与预热器的冷流出口相连通；
10.燃气轮机，燃气轮机的入口与燃烧室的出口相连通，燃气轮机的出口与预热器的热流入口相连通；
11.第一换热器，第一换热器的热流入口与预热器的热流出口相连通；
12.第二换热器，第二换热器的热流入口与第一换热器的热流出口相连通；
13.透平，透平的入口与第一换热器的冷流出口相连通；
14.第一回热器，第一回热器的热流入口与透平的出口相连通，第一回热器的冷流出口与第一换热器的冷流入口相连通；
15.第二回热器，第二回热器的热流入口与第一回热器的热流出口相连通；
16.第一混合器，第一混合器的第一入口与第二回热器的热流出口相连通；
17.第一冷凝器，第一冷凝器的热流入口与第一混合器的出口相连通；
18.第一分流器，第一分流器的入口与第一冷凝器的热流出口相连通，第一分流器的第一出口与第二回热器的冷流入口相连通；
19.第二混合器，第二混合器的第一入口与第一分流器的第二出口相连通；
20.第二冷凝器，第二冷凝器的热流入口与第二混合器的出口相连通，第二冷凝器的热流出口与第一回热器的冷流入口相连通；
21.氨水分离器，氨水分离器的入口与第二回热器的冷流出口相连通，氨水分离器的第一出口与第二混合器的第二入口相连通；
22.第三换热器，第三换热器的热流入口与氨水分离器的第二出口相连通，第三换热器的热流出口与第一混合器的第二入口相连通；第三换热器的冷流出口与第二换热器的冷流入口相连通；
23.喷射器，喷射器的第一入口与第二换热器的冷流出口相连通；
24.第三冷凝器，第三冷凝器的热流入口与喷射器的出口相连通；
25.第二分流器，第二分流器的入口与第三冷凝器的热流出口相连通，第二分流器的第一出口与第三换热器的冷流入口相连通；
26.第三分流器，第三分流器的入口与第二分流器的第二出口相连通；
27.第一蒸发器，第一蒸发器的第一入口与第三分流器的第一出口相连通；
28.第三混合器，第三混合器的第一入口与第一蒸发器的第一出口相连通，第三混合器的出口与喷射器的第二入口相连通；
29.第二蒸发器，第二蒸发器的热流入口用于通入空气，第二蒸发器的热流出口与压缩机的入口相连通；第二蒸发器的冷流入口与第三分流器的第二出口相连通，第二蒸发器的冷流出口与第三混合器的第二入口相连通。
30.本发明的进一步改进在于，第二换热器的热流出口的流体温度在80℃以上。
31.本发明的进一步改进在于，还包括：第一发电机，用于通过燃气轮机驱动实现发电。
32.本发明的进一步改进在于，还包括：第二发电机，用于通过透平驱动实现发电。
33.本发明的进一步改进在于，预热器的热流出口与第一换热器的热流入口之间设置有第一调节阀；第二换热器的冷流出口与喷射器的第一入口之间设置有第二调节阀，第二蒸发器的热流出口与压缩机的入口之间设置有第三调节阀。
34.本发明的进一步改进在于，第三换热器的热流出口与第一混合器的入口之间设置有第一节流阀；第三分流器的入口与第二分流器的第二出口之间设置有第二节流阀。
35.本发明的进一步改进在于，第一冷凝器的出口与第一分流器的入口之间设置有第一增压泵；第二冷凝器的热流出口与第一回热器的冷流入口之间设置有第二增压泵；第二分流器的第一出口与第三换热器的冷流入口之间设置有第三增压泵。
36.本发明的进一步改进在于，通入压缩机的空气预冷至1～5℃。
37.本发明的进一步改进在于，第一蒸发器的第二出口温度为
‑
4～0℃。
38.本发明的一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统的操作方法，包括以下步骤：
39.空气在第二蒸发器中被制冷剂预冷后经第三调节阀进入压缩机，在压缩机中被压缩后的空气在预热器中被来自燃气轮机的排气预热，预热后的空气同燃料一同进入燃烧室
燃烧后进入燃气轮机中膨胀至大气压强，产生的机械功用于驱动发电机发电；
40.燃气轮机的排气依次通过预热器、第一换热器和第二换热器，最后排向大气；其中，燃气轮机的排气在第一换热器中为kc中的氨水工质提供热量，在第二换热器中为erc的制冷剂提供热量；
41.工作氨溶液在第一换热器中回收gt排气的余热后，进入透平中做功，用于驱动发电机发电；做功后的工作氨溶液依次通过第一回热器和第二回热器，进入第一混合器13与贫氨溶液混合成基础氨溶液；基础氨溶液经第一冷凝器冷凝，通入第一分流器16后分成两股流体；其中一股流体经第二回热器吸收做功后的工作氨溶液热量，进入氨水分离器分离成富氨蒸汽和贫氨溶液，贫氨溶液在第三换热器中为erc的制冷剂提供热量，后与做功后的工作氨溶液在第一混合器中混合成基础氨溶液；富氨蒸汽与另外一股流体在第二混合器中混合成工作氨溶液；
42.工作氨溶液经过第二冷凝器冷凝后，在第一回热器中吸收做功后的工作氨溶液热量，并进入第一换热器；
43.erc中的制冷剂首先在第三换热器中吸收贫氨溶液的热量，随后再通过第二换热器回收gt排气的余热；之后，制冷剂进入喷射器中，与低压流体混合后经过第三冷凝器与冷凝水交换热量；在第二分流器中，一股流体依次通入第三换热器、第二换热器去吸收gt和kc的热量，另一股流体通入第三分流器中分成两股流体；第三分流器分流后的一股进入第一蒸发器为用户端输送冷量，另一股进入第二蒸发器为空气预冷，两股流体在第三混合器中混合后进入喷射器。
44.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
45.本发明的gt
‑
kc
‑
erc冷电联供系统中，gt循环的排气用于erc的热源，可进一步利用gt排气的热量，使其温度进一步降低，提高能源利用率。使用kc中贫氨溶液作为erc的热源，可以提高制冷剂进入gt排气换热器的温度，使得gt排气温度不至于过低(高于80℃以上)，防止换热器中出现液态流体，损坏换热器结构。
46.本发明中，erc制造的冷能可用于预冷进入燃机的空气，能降低压缩机的耗功，提高gt的热效率，空气可预冷至1
‑
5℃。
47.本发明中，erc制造的冷能另一部分提供给用户，可用于制冷(
‑
4到0℃)。
48.综上，通过erc冷能的两种用途，可以通过改变输往用户流量的方式，实现在满足用户制冷需要的情况下，尽可能多得预冷空气；也可以优先满足发电端需求，将多余的冷量输送给用户。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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的附图。
50.图1是本发明实施例的一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统的示意图；
51.图2是本发明实施例中，不同制冷剂随不同制冷温度下的cop(能效系数)值的示意图；
52.图3是本发明实施例中，不同制冷剂随不同erc压比下的cop值的示意图；其中，erc的压比指第二换热器8的冷端和第三冷凝器25的压比；
53.图4是本发明实施例中，制冷量和做功量随不同制冷温度下的值的示意图；
54.图5是本发明实施例中，能源成本随不同制冷温度下的值的示意图；
55.图1中，1、压缩机；2、预热器；3、燃烧室；4、燃气轮机；5、第一发电机；6、第一调节阀；7、第一换热器；8、第二换热器；9、透平；10、第二发电机；11、第一回热器；12、第二回热器；13、第一混合器；14、第一冷凝器；15、第一增压泵；16、第一分流器；17、第二混合器；18、第二冷凝器；19、第二增压泵；20、氨水分离器；21、第三换热器；22、第一节流阀；23、第二调节阀；24、喷射器；25、第三冷凝器；26、第二分流器；27、第三增压泵；28、第二节流阀；29、第三分流器；30、第一蒸发器；31、第三混合器；32、第二蒸发器；33、第三调节阀。
具体实施方式
56.为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
57.请参阅图1，本发明实施例的一种可预冷燃机入口空气的冷电联供系统，包括：
58.gt部分：空气从第二蒸发器32的第一入口进入，第二蒸发器32的第一出口连接第三调节阀33的入口，第三调节阀33的出口连接压缩机1的入口，压缩机1的出口连接预热器2的第一入口，预热器2的第一出口连接燃烧室3的入口，燃料随空气一同进入燃烧室3一起燃烧。燃烧室3的出口连接燃气轮机4的入口(可选的，燃气轮机4同轴连接第一发电机5)，燃气轮机4的出口连接预热器2的第二入口，预热器2的第二出口连接第一调节阀6的入口，第一调节阀6的出口连接第一换热器7的第一入口，第一换热器7的第一出口连接第二换热器8的第一入口，第二换热器8的第一出口连接大气。
59.kc部分：工作氨溶液进入第一换热器7的第二入口，第一换热器7的第二出口连接透平9的入口(可选的，透平9同轴连接第二发电机10)，透平9的出口连接第一回热器11的第一入口，第一回热器11的第一出口连接第二回热器12的第一入口，第二回热器12的第一出口连接第一混合器13的第一入口，第一混合器13的出口连接第一凝汽器14的入口，第一凝汽器14的出口连接第一增压泵15的入口，第一增压泵15的出口连接第一分流器16的入口。
60.第一分流器16的第一出口连接第二混合器17的第一入口，第一分流器16的第二出口连接第二回热器12的第二入口，第二回热器12的第二出口连接氨水分离器20的入口，氨水分离器20的第一出口连接第二混合器17的第二入口，氨水分离器20的第二出口连接第三换热器21的第一入口，第三换热器21的第一出口连接第一节流阀22的入口，第一节流阀22的出口连接第一混合器13的第二入口。
61.第二混合器17的出口连接第二冷凝器18的入口，第二冷凝器18的出口连接第二增压泵19的入口，第二增压泵19的出口连接第一回热器11的第二入口，第一回热器11的第二出口连接第一换热器7的第二入口。
62.erc部分：制冷剂进入第三换热器21的第二入口，第三换热器21的第二出口连接第二换热器8的第二入口，第二换热器8的第二出口连接第二调节阀23的入口，第二调节阀23
的出口连接喷射器24的第一入口，喷射器24的出口连接第三冷凝器25的入口，第三冷凝器25的出口连接第二分流器26的入口。
63.第二分流器26的第一出口连接第三增压泵27的入口，第三增压泵的27的出口连接第三换热器21的第二入口。第二分流器26的第二出口连接第二节流阀28的入口，第二节流阀28的出口连接第三分流器29的入口，第三分流器29的第一出口连接第一蒸发器30的第一入口，第一蒸发器30的第一出口连接第三混合器31的第一入口。第三分流器29的第二出口连接第二蒸发器32的第二入口，第二蒸发器32的第二出口连接第三混合器31的第二入口，第三混合器31的出口连接喷射器24的第二入口。第一蒸发器30的第二入口和第二出口连接用户端，与用户端交换热量，为其制冷。
64.根据本发明上述实施例，本发明的gt
‑
kc
‑
erc冷电联供系统中，gt循环的排气用于erc的热源，可进一步利用gt排气的热量，使其温度进一步降低，提高能源利用率。使用kc中贫氨溶液作为erc的热源，可以提高制冷剂进入gt排气换热器的温度，使得gt排气温度不至于过低(高于80℃以上)，防止换热器中出现液态流体，损坏换热器结构。
65.本发明实施例中上述系统的工作过程为：
66.gt部分：空气在第二蒸发器32中被制冷剂预冷后经第三调节阀33进入压缩机1，在压缩机1中被压缩后的空气在预热器2中被来自燃气轮机4的排气预热，预热后的空气同燃料一同进入燃烧室3后充分燃烧，并进入燃气轮机4中膨胀至大气压强，产生的机械功经第一发电机5转换为电流后对外输送。
67.此后，燃气轮机4的排气依次通过预热器2、第一调节阀6、第一换热器7和第二换热器8，并最后排向大气。其中，燃气轮机4的排气在第一换热器7中为kc中的氨水工质提供热量，在第二换热器8中为erc的制冷剂提供热量。
68.kc部分：工作氨溶液在第一换热器7中回收gt排气的余热后，进入透平9中做功，并通过第二发电机10对外输出电流。做功后的工作氨溶液依次通过第一回热器11和第二回热器12，并最终进入第一混合器13与贫氨溶液混合成基础氨溶液。基础氨溶液经第一冷凝器14冷凝后，通过第一增压泵15提升压力。
69.随后在第一分流器16中分成两股流体；其中，一股经第二回热器12吸收做功后的工作氨溶液热量，并进入氨水分离器20分离成富氨蒸汽和贫氨溶液。贫氨溶液首先在第三换热器21中为erc的制冷剂提供热量，随后经过第一节流阀22节流后与做功后的工作氨溶液在第一混合器13中混合成基础氨溶液。富氨蒸汽则直接与另一股流体在第二混合器17中混合成工作氨溶液。
70.工作氨溶液经过第二冷凝器18冷凝和第二增压泵19提升压力后，在第一回热器11中吸收做功后的工作氨溶液热量，并进入第一换热器7完成一个循环。
71.erc部分：erc中的制冷剂首先在第三换热器21中吸收贫氨溶液的热量，提升至80℃以上，随后再通过第二换热器8回收gt排气的余热。之后，制冷剂经过第二调节阀23进入喷射器24中，与低压流体混合后经过第三冷凝器25与冷凝水交换热量。在第二分流器26中，一股流体通过第三增压泵27后去吸收gt和kc的热量；另一股流体通过第二节流阀28后再次在第三分流器29中分成两股流体，一股进入第一蒸发器30为用户端输送冷量，另一股进入第二蒸发器32为空气预冷。最后，两股流体在第三混合器31中混合后被高压流体携带进入喷射器24。
72.根据本发明上述实施例，本发明中，erc制造的冷能可用于预冷进入gt的空气，能降低压缩机的耗功，提高gt的热效率，空气可预冷至1
‑
5℃。本发明中，erc制造的冷能另一部分提供给用户，可用于制冷(
‑
4到0℃)。综上，通过erc冷能的两种用途，可以通过改变输往用户流量的方式，实现在满足用户制冷需要的情况下，尽可能多得预冷空气；也可以优先满足发电端需求，将多余的冷量输送给用户。
73.请参阅图2，本发明实施例中，三种制冷剂的cop值均随着制冷温度的升高而增大，制冷温度的升高会导致预冷空气的所需的冷量降低，同时喷射器夹带率增加，因此erc的cop增加。其中，r600a与r1234ze的cop差别不大，r600a相对于r1234ze能使cop绝对值增加1.3
‑
1.7％，r290相对于r600a能使cop绝对值增加7.9
‑
8.9％。对于r290，制冷温度每降低0.5℃，cop绝对值约降低1.8％。
74.请参阅图3，本发明实施例中，三种制冷剂的cop值均随着erc压比(erc的压比指第二换热器8冷端和第三冷凝器25的压比)的升高而增大，erc的压比代表了erc工作的压力变化范围，压比越大，喷射器夹带率越高，cop越高。其中，r600a与r1234ze的cop十分相近，r600a相对于r1234ze能使cop绝对值增加0.7
‑
1.5％，r290相对于r600a能使cop绝对值增加6.5
‑
8.2％。对于r290，压比每降低0.5，cop绝对值约降低2.9％。
75.请参阅图4，本发明实施例中，由于制冷温度的升高，预冷空气进入压缩机的温度升高，压缩机消耗的功率下降，因此系统的总发电功率从6295.96kw下降至6133.29kw。同时，制冷温度的升高会导致cop的增加，因此系统的制冷功率从165.93kw上升至402.46kw。显然，系统制冷功率的增长大于发电功率的下降。
76.请参阅图5，本发明实施例中，由于制冷温度的升高导致制冷功率的增加，因此，蒸发器的交换面积需要增加，导致能源成本从4.05￠/kwh略微增加到4.052￠/kwh。尽管发电功率下降，但由于制冷功率的显着提高，总效率从50.115％上升至51.297％。
77.综上所述，目前传统的级联系统中，通常采用gt排气给kc当热源，erc当kc冷源的方法，一旦发电量确定，制冷量也就确定了，也就是“以功定冷”，因为系统中的参数都是相互之间协同变化。本发明的系统中，gt的排气不但驱动kc，还驱动erc；同时，erc产生的冷能不但输给用户，还输送给gt预冷空气，提高gt效率。综上，本发明能够提高系统整体效率，不但gt的排气可进一步利用，同时erc的冷能用于gt，可双方面提升gt效率；不再“以功定冷”及“以冷定功”，erc的冷能可用于两方面，给用户的只是一部分，另外erc从两处获取能量，相比于只从kc获取能量来说具有更好的灵活性。
78.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。