燃气能源梯级利用供暖系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于实现天然气(又称“天燃气”)梯级利用的供暖系统，属于燃气资源利用技术领域。


背景技术：

2.近年来北方地区为抑制大气污染，许多城市都开展了“煤改气”(燃煤锅炉改为燃气锅炉)工程，燃气供暖相比燃煤虽减少了污染物排放，但同样也存在排烟冷凝热回收不彻底、烟羽问题、nox排放等问题。
3.现有的采暖燃气锅炉采用天然气直接高温燃烧放热加热采暖回水方式，最终获取的仅是采暖需要的相对低温热水，从热力学能量梯级利用角度来看是一种低效、不经济的利用方式。由于天然气主要成分是ch4，天然气锅炉排烟中水蒸气体积分数可达15％～20％，水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的10％～11％，可见，烟气余热回收汽化潜热回收至关重要。从实际来看，要最大化回收利用这部分潜热的话，必须将烟气温度降到远低于露点温度以下(过量空气系数在1.05时，露点约为58℃)，这就需要提供温度足够低的低温冷源来和排烟进行换热。目前较大的燃气锅炉房烟气余热利用系统大多令一级热网回水(水温一般在55℃～60℃)和烟气通过换热器换热，回水再进入燃气锅炉的方式，但是因冷却水温和烟气中露点温度接近，在实际工程中考虑到成本、安装位置、换热端差等因素，大多工程的排烟温度在60℃～80℃，即只回收了烟气的显热和少部分潜热，烟气的汽化潜热未被完全回收利用。另外，由于烟气中水蒸汽冷凝不彻底，在排至室外空气中后，遇低温冷空气降低至露点温度后会随烟气流动迹象出现大量微小液滴，呈现出烟羽现象。可见，如何充分、便捷地回收利用烟气余热，对燃气做到充分利用，是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种燃气能源梯级利用供暖系统，其实现了燃气能源的充分梯级利用，成本低，适于推广。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
6.一种燃气能源梯级利用供暖系统，其特征在于：它包括水环热泵单元、燃气内燃发电机组单元和燃气锅炉单元，水环热泵单元包括热泵冷凝器、热泵膨胀阀、热泵压缩机和热泵蒸发器，燃气内燃发电机组单元包括燃气内燃机、内燃机烟气换热器和发电机，燃气锅炉单元包括锅炉烟气换热器和燃气锅炉，其中：
7.与一级热网连接的热网回水口与热泵冷凝器的回水入口连接，热泵冷凝器的回水出口分两路，一路依次经由燃气内燃机、锅炉烟气换热器、燃气锅炉与热网供暖口连接，另一路依次经由内燃机烟气换热器与热网供暖口连接，锅炉烟气换热器的回水入口同样与热网回水口连接；
8.与燃气管道连接的燃气入口分两路，一路依次经由燃气内燃机、内燃机烟气换热器与直接接触喷淋式换热器的烟气入口连接，另一路依次经由燃气锅炉、锅炉烟气换热器
同样与直接接触喷淋式换热器的烟气入口连接，直接接触喷淋式换热器的烟气出口经由排烟风机与烟囱的入口连接，直接接触喷淋式换热器的排放口与排污降温池的入口连接，排污降温池的出口依次经由低温热源水循环泵、热泵蒸发器与直接接触喷淋式换热器的喷淋液入口连接，热泵蒸发器与直接接触喷淋式换热器之间的管道通过碱液入口与碱液供给设备连接，在直接接触喷淋式换热器的喷淋液入口位置安装有ph监测仪；
9.在水环热泵单元内，热泵压缩机、热泵冷凝器、热泵膨胀阀与热泵蒸发器之间依次连接形成一闭环。
10.本实用新型的优点是：
11.本实用新型实现了对燃气能源的充分梯级利用，其中对烟气的显热，特别是潜热，做到了深度提取与利用，烟气余热得到了充分地回收利用，且具有消除排放烟气烟羽(烟气消白)、一定程度上脱除烟气内nox的效果，大大减少了污染排放量，还具有降低供暖电力费用，提升电力安全保障的作用，实施成本低，适于推广。
附图说明
12.图1是本实用新型燃气能源梯级利用供暖系统的组成示意图。
具体实施方式
13.如图1所示，本实用新型燃气能源梯级利用供暖系统包括水环热泵单元10、燃气内燃发电机组单元20和燃气锅炉单元30，水环热泵单元10包括热泵冷凝器11、热泵膨胀阀12、热泵压缩机13和热泵蒸发器14，燃气内燃发电机组单元20包括燃气内燃机21、内燃机烟气换热器22和发电机23，燃气锅炉单元30包括锅炉烟气换热器31和燃气锅炉32，其中：
14.与一级热网(图中未示出)连接的热网回水口81与热泵冷凝器11的回水入口连接，热泵冷凝器11的回水出口分两路，一路依次经由燃气内燃机21、锅炉烟气换热器31、燃气锅炉32与热网供暖口83连接，另一路依次经由内燃机烟气换热器22与热网供暖口83连接，锅炉烟气换热器31的回水入口同样与热网回水口81连接，即，一级热网的回水经由热网回水口81后分成两路送入；
15.与燃气管道(图中未示出)连接的燃气入口82分两路，一路依次经由燃气内燃机21、内燃机烟气换热器22与直接接触喷淋式换热器50的烟气入口连接，另一路依次经由燃气锅炉32、锅炉烟气换热器31同样与直接接触喷淋式换热器50的烟气入口连接，直接接触喷淋式换热器50的烟气出口经由排烟风机60与烟囱70的入口连接，直接接触喷淋式换热器50的排放口与排污降温池40的入口连接，排污降温池40的出口依次经由低温热源水循环泵90、热泵蒸发器14与直接接触喷淋式换热器50的喷淋液入口连接，热泵蒸发器14与直接接触喷淋式换热器50之间的管道通过碱液入口与碱液供给设备(图中未示出)连接，在直接接触喷淋式换热器50的喷淋液入口位置安装有ph监测仪55；
16.在水环热泵单元10内，热泵压缩机13、热泵冷凝器11、热泵膨胀阀12与热泵蒸发器14之间依次连接形成一闭环。
17.在实际设计中，燃气内燃机21的出力轴连接有发电机23，发电机23为低温热源水循环泵90、热泵压缩机13供电，其中：实际应用时，发电机23所发电力送入锅炉房总配电母线，发电机23上设有逆功率保护装置来确保发电机自发自用，不向电网送电，发电机23除向
低温热源水循环泵90、热泵压缩机13提供电力外，还应满足锅炉房内热网主循环泵、锅炉燃烧风机的用电需求。此种做法适合在峰平电价较高时段运行，可实现锅炉房自备电源功能，提高了电网故障时锅炉房的用电保障性，同时在气电比适宜区域通过自发电也大大节省了锅炉房的用电费用，并且此种做法在不增加锅炉房配电容量的前提下实现了用电负荷的增加，有效解决了传统燃气锅炉房配电容量紧张的问题。
18.如图1，直接接触喷淋式换热器50包括喷淋室51，其中：喷淋室51内的上部安装有朝下喷洒碱性冷水的喷淋装置52，喷淋装置52与直接接触喷淋式换热器50的烟气入口连接；喷淋室51内的下部安装有朝上输出烟气的烟气管道53，烟气管道53与直接接触喷淋式换热器50的烟气入口连接；在喷淋室51内与直接接触喷淋式换热器50的烟气出口相对应的位置安装有气液分离装置54；直接接触喷淋式换热器50的排放口设置在喷淋室51的底部。
19.进一步来说，气液分离装置54可设计为折板分离器，折板分离器包括多个平行的平板。当然，气液分离装置54还可采用其它结构的装置，不受局限。
20.如图1，排污降温池40安装有用于液位过高时起到自动溢流作用的溢流管41，溢流管41的入口处于排污降温池40内的设定高度位置，竖直朝下延伸设置的溢流管41与市政排水管道(图中未示出)连接。
21.在实际实施时，制冷剂在热泵压缩机13、热泵冷凝器11、热泵膨胀阀12与热泵蒸发器14形成的闭环内循环流动。
22.进一步来说，热泵压缩机13可设计为电驱动方式运行，以在供暖初期、末期热负荷较小和发动机(燃气内燃机21)故障及夜间谷电价格极为低廉的地区可考虑在夜间用谷电驱动热泵压缩机13运行。
23.在本实用新型中，直接接触喷淋式换热器50、排污降温池40的结构如上描述，除直接接触喷淋式换热器50、排污降温池40之外的其它设备、器件均为本领域的已有设备、器件，故不在这里详述。
24.如图1，本实用新型的工作过程为：
25.在水环热泵单元10内，制冷剂依次通过热泵压缩机13压缩液化、向热泵冷凝器11的回水放热、热泵膨胀阀12节流、从热泵蒸发器14的低温水吸热气化后返回热泵压缩机13，如此重复循环流动。
26.同时，燃气管道内的燃气从燃气入口82送入，一路进入燃气内燃机21，在燃气内燃机21内与空气混合来做功与燃烧，然后送入内燃机烟气换热器22进行换热，另一路进入燃气锅炉32，在燃气锅炉32内与空气混合来做功与燃烧，然后送入锅炉烟气换热器31进行换热。从内燃机烟气换热器22、锅炉烟气换热器31换热输出的烟气汇合后从烟气入口进入直接接触喷淋式换热器50，经由烟气管道53朝上输出。然后，烟气与喷淋装置52向下喷洒的碱性冷水接触进行换热冷却，带有水份的低温烟气经由气液分离装置54分离出水份后从烟气出口送出，并经由排烟风机60后从烟囱70排出。而掉落至喷淋室51底部的烟气凝结水和吸热后的低温循环水则一同通过排放口自流进入排污降温池40，并在排污降温池40内降温后在低温热源水循环泵90的作用下，送入热泵蒸发器14中向制冷剂释放热量后，与碱液入口84送入的碱液混合形成碱性冷水而继续从喷淋液入口送入喷淋室51，完成一个完整循环。在实际实施时，借由ph监测仪55对送入喷淋室51的碱性冷水的ph值进行测量，来适时通过碱液入口84补充碱液。在排污降温池40中，当液位升高到设定高度时，溢出的液体直接从溢
流管41排出至市政排水管道，从而实现液位过高时的自动溢流效果。在此过程中，直接接触喷淋式换热器50一方面起到了逆流换热作用，另一方面，烟气中的酸性nox与碱液进行充分接触反应，从而减少了排放烟气中nox含量，实现了烟气消白、烟气脱硝的功能，尤其适用于对传统燃气锅炉房系统的脱硝改造。同时，以大型锅炉房的排污降温池40为低温热源，通过电驱动水环热泵单元10来抽取排污降温池40，获得的低温碱性冷水送入直接接触喷淋式换热器50中喷洒，从而可实现深度回收烟气中的汽化潜热，也实现了对烟气的冷凝除湿。
27.同时，一级热网经由热网回水口81送出的回水的一部分经由热泵冷凝器11升温后分别送入燃气内燃机21、内燃机烟气换热器22进行吸热升温，从燃气内燃机21送出的升温回水继续送入锅炉烟气换热器31，从内燃机烟气换热器22送出的升温回水直接经由热网供暖口83送出，而回水的其余部分则直接送入锅炉烟气换热器31。被送入锅炉烟气换热器31的所有回水经由锅炉烟气换热器31、燃气锅炉32吸热后从热网供暖口83送出。由上可见，从热网回水口81送出的回水被分为了两部分，这两部分的水量分配以发动机(燃气内燃机21)运行时的缸套水温度为控制变量来合理设计。在此过程中，内燃机烟气换热器22利用了燃气内燃机21的排烟余热，出水温度较高，所以直接对外供暖。燃气内燃机21利用了燃气内燃机21的缸套水余热，升温后需串联入锅炉烟气换热器31、燃气锅炉32后再对外供暖。
28.上述做法实现了烟气余热的深度提取并利用于加热回水供暖，且基于燃气内燃机21的发电实现了燃气先发电再供暖，实现了对燃气能源的充分梯级利用。
29.本实用新型的优点是：
30.本实用新型实现了对燃气能源的充分梯级利用，其中对烟气的显热，特别是潜热，做到了深度提取与利用，烟气余热得到了充分地回收利用，且具有消除排放烟气烟羽(烟气消白)、一定程度上脱除烟气内nox的效果，大大减少了污染排放量，还具有降低供暖电力费用，提升电力安全保障的作用，实施成本低，适于推广。
31.以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。