耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統的製作方法

2024-02-20 06:10:15 2

耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統。其目的是提供一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，能基於城市汙水，利用太陽能、風能和地熱能，以減少汙染，加強汙水資源化利用，並梯級利用多種可再生能源，提高系統運行的效率。一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，包括：城市汙水分布式能源系統、風光互補發電系統、太陽能集熱系統和地源熱泵系統。本實用新型採用了多系統耦合的方式來利用生物質能、太陽能、風能和地熱能進行冷熱電三聯供，並能按需求端變化實現兩種耦合模式；不但將城市汙水處理廠的汙水變廢為寶，還實現了廠區內太陽能、風能和地熱能等多能集成利用。
【專利說明】耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及能源綜合利用【技術領域】，具體來說，是涉及一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統。

【背景技術】
[0002]現有技術方案中缺乏在城市汙水處理廠平臺上利用多種可再生能源系統的設計。城市居民生活、牲畜養殖場和食品加工業等都能產生大量富含有機質的城市汙水。一般情況下，城市汙水作為廢棄物被直接排放或者在汙水處理廠進行有氧發酵處理之後進行排放，大量有機質沒有進行資源化的利用。對城市汙水進行厭氧發酵能夠產生沼氣，沼氣可作為燃料加以利用。
[0003]風電、光伏、光熱、生物質能、地熱能等在城市區域單獨利用時，由於容量小、隨機性強、穩定可靠性差、併網難、效率低等先天不足，同時加之各自分散利用，無法發揮有效地替代作用；如果將多種可再生能源利用系統耦合，能有效避免以上缺陷，且實現各自優勢的集成，提供清潔尚效可持續的能源。
[0004]常規的分布式三聯供系統主要是以天然氣作為燃料，消耗大量的化石能源，還排放大量溫室效應氣體和二氧化硫等汙染物，沼氣可以作為天然氣的替代燃料。
[0005]汙水處理廠和牲畜養殖場一般佔地面積較大，可資利用空間較多，有多種可再生能源集成利用的資源條件，例如在汙水處理池上方或者養殖大棚上可搭建太陽能利用設備等；在地下可鋪設地下換熱設備；另外，汙水處理廠等一般處於城市邊緣，由城市熱島效應產生的循環風能資源較為豐富。
[0006]風光互補發電耦合燃氣輪機發電，能夠提高電能的質量，解決單獨發電併網難等問題；微風發電設備技術已經比較成熟，如S1NFON1A技術公司已研製出垂直軸型風力發電機，不論風向，風速達到lm/s就可以工作(見《農村電工》2011.11) ?
[0007]太陽能是一種豐富、清潔的可再生能源，太陽能集熱系統驅動吸收式製冷是利用太陽能的一種新型技術，與常規的吸收式製冷系統相比，能夠實現太陽能熱量的充分利用，提高吸收式製冷的效率。
[0008]當達到某一深度土壤溫度基本保持常數(8-10°C )，以土壤作為熱源或者冷源，相應通過地源熱泵和地下換熱器能將儲藏在土壤的中能量加以利用，具有高效率和節能的突出優勢。
[0009]以上的這些背景，為集成太陽能、風能、地熱能和城市汙水進行熱電冷三聯供利用創造了有利的條件。


【發明內容】

[0010]本實用新型的目的是提供一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，能基於城市汙水，利用太陽能、風能和地熱能，以減少汙染，加強汙水資源化利用，並梯級利用多種可再生能源，提高系統運行的效率。
[0011]為實現上述目的，本實用新型採用如下的技術方案。
[0012]一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，包括:城市汙水分布式能源系統、風光互補發電系統、太陽能集熱系統和地源熱泵系統。其中:
[0013]城市汙水分布式能源系統:依次連接的汙水預處理裝置、厭氧發酵裝置、燃氣輪機、發電機、變壓器、電網，通過電網連接至電力需求端，所述燃氣輪機依次連接餘熱鍋爐、第一水泵、工質熱交換器、發生器、第一冷凝器，所述第一冷凝器分別連接至第一地下換熱器和第一蒸發器，所述第一冷凝器和第一地下換熱器之間設有第二水泵，所述第一冷凝器和第一蒸發器之間設有第二節流閥，所述第一地下換熱器和第一蒸發器均連接至吸收器，所述吸收器連接至所述第一冷凝器形成循環迴路，所述吸收器連接溶液熱交換器，所述溶液熱交換器)通過溶液泵連接至發生器，所述溶液熱交換器和發生器之間設有第一節流閥，所述餘熱鍋爐連接至煙氣處理裝置後將煙氣排出，所述第一蒸發器連接至冷需求端。
[0014]風光互補發電系統:光伏組件和風力發電機連接至風光互補控制器，所述風光互補控制器依次連接蓄電池組和逆變器，所述逆變器連接至電網。
[0015]太陽能集熱系統:太陽能集熱器通過第三水泵連接至熱水換熱器，所述熱水換熱器通過第四水泵連接至所述餘熱鍋爐，所述工質熱交換器通過管道連接至所述熱水換熱器，連接所述工質熱交換器和熱水換熱器之間的管道上設有閥門。
[0016]地源熱泵系統:第二地下換熱器依次連接第二蒸發器、第二冷凝器、蓄熱水箱，所述蓄熱水箱連接至熱需求端；所述第二蒸發器和第二冷凝器之間設有壓縮機和第三節流閥，所述第二冷凝器和蓄熱水箱之間設有第五水泵。
[0017]進一步地，所述耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統還包括:第一三通閥、第二三通閥、第三三通閥和第四三通閥，所述第一三通閥設於所述餘熱鍋爐和工質熱交換器之間，所述第二三通閥設於所述工質熱交換器和熱水換熱器之間，所述第三三通閥和第四三通閥均設於第二冷凝器和蓄熱水箱之間，所述第三三通閥與第二三通閥連接，所述第四三通閥與第一三通閥連接。通過調節四個三通閥，實現不同的熱水循環切換，產生兩種系統耦合模式。所述系統形成至少兩條水循環迴路:一條水循環迴路為循環水從第二換熱器依次通過第三三通閥、第二三通閥、熱水換熱器、餘熱鍋爐、第一三通閥、第四三通閥、蓄熱水箱連接至供熱端；另一條水循環迴路為循環水從工質熱交換器依次通過第二三通閥、熱水換熱器、餘熱鍋爐、第一三通閥回到工質熱交換器。當為用戶同時供冷和供熱時，系統所製備的熱水用於驅動吸收式製冷循環，來自所述工質熱交換器的循環水依次通過第二三通閥、熱水換熱器、餘熱鍋爐、第一三通閥回到工質熱交換器驅動吸收式製冷循環；當為用戶只供熱不供冷時，系統所製備的熱水用於提供用戶的熱需求，來自所述第二換熱器的循環水依次通過第三三通閥、第二三通閥、熱水換熱器、餘熱鍋爐、第一三通閥、第四三通閥、蓄熱水箱連接至供熱端。
[0018]優選地，所述餘熱鍋爐和煙氣處置裝置之間設有換熱裝置，所述換熱裝置連接至煙氣處理裝置後將煙氣排出，所述換熱裝置連接入所述地源熱泵系統。餘熱鍋爐中出來的煙氣中的熱量通過換熱裝置被吸收後進入地源熱泵系統，使熱量得到充分利用。
[0019]其中，所述換熱裝置包括第一煙氣換熱器，所述第一煙氣換熱器連接入所述第二冷凝器和蓄熱水箱之間。
[0020]進一步地，所述第一煙氣換熱器後端還連接設有第二煙氣換熱器，所述第二煙氣換熱器連接至煙氣處理裝置後將煙氣排出，所述第二煙氣換熱器連接入所述第二冷凝器和蓄熱水箱之間。
[0021]本實用新型耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統對城市汙水中豐富的有機質進行資源化利用，通過厭氧發酵裝置產生沼氣作為分布式能源系統燃料；首先利用沼氣在燃氣輪機做工帶動發電機進行發電，其次是利用高溫煙氣熱量驅動吸收式製冷循環，並把吸收式製冷中冷卻水循環接入第一地下換熱器加強換熱效率；採用了多系統耦合的方式來利用生物質能、太陽能、風能和地熱能，實現了多種可再生能源利用系統的耦合進行冷熱電三聯供；不但將城市汙水處理廠的汙水變廢為寶，還實現了廠區內太陽能、風能和地熱能等多能集成利用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統的原理圖；
[0023]圖2是本實用新型耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統實行供熱、供電和供冷時的運行示意圖；
[0024]圖3是本實用新型耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統實行供熱和供電時的運行示意圖。

【具體實施方式】
[0025]本實用新型提出的一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，結合附圖和實施例詳細說明如下。
[0026]如圖1所示，耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統原理圖，所述的技術方案包括:
[0027]一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，包括城市汙水分布式能源系統、風光互補發電系統、太陽能集熱系統和地源熱泵系統。
[0028]其中，城市汙水分布式能源系統包括:依次連接的汙水預處理裝置1、厭氧發酵裝置2、燃氣輪機3、發電機4、變壓器5、電網6，通過電網6連接至電力需求端；其中燃氣輪機3依次連接餘熱鍋爐7、第一水泵8、工質熱交換器9、發生器10、第一冷凝器19，其中第一冷凝器19分別連接至第一地下換熱器15和第一蒸發器17，第一冷凝器19和第一地下換熱器15之間設有第二水泵16，第一冷凝器19和第一蒸發器17之間設有第二節流閥18，第一地下換熱器15和第一蒸發器17均連接至吸收器14，吸收器14連接至第一冷凝器19形成循環迴路；其中吸收器14連接溶液熱交換器13，溶液熱交換器13通過溶液泵12連接至發生器10，溶液熱交換器13和發生器10之間設有第一節流閥11 ;其中餘熱鍋爐7依次連接第一煙氣換熱器20、第二煙氣換熱器21、煙氣處理裝置22 ;第一蒸發器17連接至冷需求端。
[0029]風光互補發電系統包括:光伏組件23和風力發電機24連接至風光互補控制器25，風光互補控制器25依次連接蓄電池組26和逆變器27，逆變器27連接至電網6。
[0030]太陽能集熱系統包括:太陽能集熱器28通過第三水泵29連接至熱水換熱器30，熱水換熱器30通過第四水泵32連接至餘熱鍋爐7，工質熱交換器9通過管道連接至熱水換熱器30，連接工質熱交換器9和熱水換熱器30之間的管道上設有閥門31。
[0031]地源熱泵系統包括:第二地下換熱器33依次連接第二蒸發器34、第二冷凝器37、蓄熱水箱39，蓄熱水箱39連接至熱需求端；其中第二蒸發器34和第二冷凝器37之間設有壓縮機35和第三節流閥36，第二冷凝器37和蓄熱水箱39之間設有第五水泵38。第一煙氣換熱器20、第二煙氣換熱器21連接入地源熱泵系統，設於第二冷凝器37和蓄熱水箱39之間。
[0032]進一步地，耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統還包括第一三通閥40、第二三通閥41、第三三通閥42、第四三通閥43，第一三通閥40設於餘熱鍋爐7和工質熱交換器9之間，第二三通閥41設於工質熱交換器9和熱水換熱器30之間，第三三通閥42和第四三通閥43均設於第二冷凝器37和蓄熱水箱39之間。其中第三三通閥42與第二三通閥41連接，第四三通閥43與第一三通閥40連接。通過調節四個三通閥，實現不同的熱水循環切換，產生兩種系統耦合模式。
[0033]富含有機質的城市汙水經過厭氧發酵產生沼氣，沼氣在燃氣輪機3中做完功之後，轉化為高溫煙氣進入餘熱鍋爐7加熱鍋爐給水；從餘熱鍋爐中出來的中溫煙氣最後經過兩個熱交換器，對熱水進行兩次加熱，最後經過尾氣處理排向大氣。
[0034]光伏組件23和風力發電機24分別發電，然後電流在風光互補控制器25的整流作用下，進入蓄電池組26，最後在逆變器27中轉化為交流電併入電網對外供電；流經太陽能集熱器28的循環水吸收太陽能熱量，在循環水泵的作用下，在第一蓄熱水箱30中預熱鍋爐給水；從餘熱鍋爐7中出來的高溫循環水有兩種循環途徑，通過三通閥進行切換，第一種是進入工質熱交換器9加熱驅動工質，驅動工質在發生器10加熱製冷工質驅動製冷循環對外供冷；第二種是進入第二蓄熱水箱39為用戶提供熱水。地源熱泵系統通過第二地下換熱器33將土壤層中的低品位熱量加以利用對循環水進行第二級加熱。
[0035]如圖2所示，從餘熱鍋爐7出來的循環水選擇所述第一種循環途徑，實行供熱、供電和供冷時集成太陽能、風能和地熱能的城市汙水分布式耦合系統。
[0036]在供電端，由城市汙水厭氧發酵產生的沼氣進入燃氣輪機3中做功，帶動發動機4發電，與此同時，光伏組件23和風力發電機24所發電力最後經過逆變器27變為交流電，兩部分電力通過母線進入電網6供給用戶。
[0037]在供冷端，太陽能集熱器28所接收的太陽能熱量儲存在第一蓄熱水箱30中。餘熱鍋爐7給水流經第一蓄熱水箱30時得到一次加熱，然後在餘熱鍋爐7中得到高溫煙氣二次加熱，最後通過第四水泵32進入工質熱交換器9中放熱，製冷工質吸收熱水所放熱量，然後在發生器10中釋放驅動吸收式製冷循環；另外，在吸收式製冷的冷卻水循環中，將冷卻水接入到第一地下換熱器15中對低溫土壤層放熱，使得製冷工質與冷卻水在吸收器14和第一冷凝器19中熱交換時，換熱效率提高。
[0038]在供熱端，綜合利用地熱能、煙氣熱能，從熱用戶端循環回來的熱水首先吸收從餘熱鍋爐7中出來的煙氣釋放的熱量，得到第一次加熱；循環水進入地源熱泵系統的第二冷凝器37吸收熱泵工質釋放的熱量進行第二次加熱；熱水在第五水泵38的作用下，進入第二熱交換器21再次吸收煙氣所放熱量進行第三次加熱；循環熱水經過三次加熱之後進入蓄熱水箱39，為熱需求端提供熱水。
[0039]煙氣與循環水進行多級換熱，實現了高效利用，最後在煙氣處理裝置22中處理後排入大氣。
[0040]如圖3所示，從餘熱鍋爐7出來的循環水選擇所述第二種循環途徑，實行供熱和供電時集成太陽能、風能和地熱能的城市汙水分布式耦合系統。
[0041]在供電端，類似於圖2中的運行情況，城市汙水分布式能源系統所發電力與風光互補系統所發電力併入同一條母線後，通過變壓器5升壓後接入外接電網。
[0042]在供熱端，利用三通閥形在圖3中形成了與圖2不同的耦合方式，除圖2中的三級加熱循環之外，太陽能集熱系統和餘熱鍋爐也耦合到熱水供應部分對循環水進行加熱。從熱用戶端循環回來的熱水首先在第一換熱器20中吸收中溫段煙氣所放熱量；熱水在第五水泵38的作用下進入地源熱泵系統中的第二冷凝器37吸收熱泵工質所放的熱量，此時溫度可以提升至50-60°C ;接著，熱水進入第二換熱器21吸收低溫段煙氣所放熱量，溫度得到進一步提升；再進入太陽能集熱系統中的熱水換熱器30，進行第四次加熱；熱水在第四水泵32的作用下進入餘熱鍋爐7中吸收高溫段煙氣所放熱量，進行第五次加熱。從熱用戶端回來的循環水進行五次逐級加熱使得地熱能、太陽能和生物質能得到充分的利用，最後流入到蓄熱水箱39為熱需求用戶供熱。
[0043]以上實施案例僅用於說明本實用新型，而並非對本實用新型的限制，有關【技術領域】的工作人員，在不脫離本發明的精神以及專利權要求書所描述的範圍內，還可以設計出多種具體的技術耦合方案，因此，所有等同的技術方法也屬於本實用新型的範疇，本實用新型的專利保護範圍應由權利要求限定。
【權利要求】
1.一種耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於，包括: 城市汙水分布式能源系統:依次連接的汙水預處理裝置(1)、厭氧發酵裝置(2)、燃氣輪機(3)、發電機(4)、變壓器(5)、電網(6)，通過電網(6)連接至電力需求端，所述燃氣輪機(3)依次連接餘熱鍋爐(7)、第一水泵(8)、工質熱交換器(9)、發生器(10)、第一冷凝器(19)，所述第一冷凝器(19)分別連接至第一地下換熱器(15)和第一蒸發器(17)，所述第一冷凝器(19)和第一地下換熱器(15)之間設有第二水泵(16)，所述第一冷凝器(19)和第一蒸發器(17)之間設有第二節流閥(18)，所述第一地下換熱器(15)和第一蒸發器(17)均連接至吸收器(14)，所述吸收器(14)連接至所述第一冷凝器(19)形成循環迴路，所述吸收器(14)連接溶液熱交換器(13)，所述溶液熱交換器(13)通過溶液泵(12)連接至發生器(10)，所述溶液熱交換器(13)和發生器(10)之間設有第一節流閥(11)，所述餘熱鍋爐(7)連接至煙氣處理裝置(22)後將煙氣排出，所述第一蒸發器(17)連接至冷需求端； 風光互補發電系統:光伏組件(23)和風力發電機(24)連接至風光互補控制器(25)，所述風光互補控制器(25)依次連接蓄電池組(26)和逆變器(27)，所述逆變器(27)連接至電網(6)； 太陽能集熱系統:太陽能集熱器(28)通過第三水泵(29)連接至熱水換熱器(30)，所述熱水換熱器(30 )通過第四水泵(32 )連接至所述餘熱鍋爐(7 )，所述工質熱交換器(9 )通過管道連接至所述熱水換熱器(30 )，連接所述工質熱交換器(9 )和熱水換熱器(30 )之間的管道上設有閥門(31)； 地源熱泵系統:第二地下換熱器(33)依次連接第二蒸發器(34)、第二冷凝器(37)、蓄熱水箱(39)，所述蓄熱水箱(39)連接至熱需求端；所述第二蒸發器(34)和第二冷凝器(37)之間設有壓縮機(35)和第三節流閥(36)，所述第二冷凝器(37)和蓄熱水箱(39)之間設有第五水泵(38)。
2.如權利要求1所述的耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於，還包括:第一三通閥(40 )、第二三通閥(41)、第三三通閥(42 )和第四三通閥(43 )，所述第一三通閥(40)設於所述餘熱鍋爐(7)和工質熱交換器(9)之間，所述第二三通閥(41)設於所述工質熱交換器(9)和熱水換熱器(30)之間，所述第三三通閥(42)和第四三通閥(43)均設於第二冷凝器(37)和蓄熱水箱(39)之間，所述第三三通閥(42)與第二三通閥(41)連接，所述第四三通閥(43 )與第一三通閥(40 )連接。
3.如權利要求2所述的耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於:所述系統形成至少兩條水循環迴路:一條水循環迴路為循環水從第二換熱器(21)依次通過第三三通閥(42)、第二三通閥(41)、熱水換熱器(30)、餘熱鍋爐(7)、第一三通閥(40)、第四三通閥(43)、蓄熱水箱(39)連接至供熱端；另一條水循環迴路為循環水從工質熱交換器(9 )依次通過第二三通閥(41 )、熱水換熱器(30 )、餘熱鍋爐(7 )、第一三通閥(40 )回到工質熱交換器(9)。
4.如權利要求1所述的耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於:所述餘熱鍋爐(7)和煙氣處置裝置(22)之間設有換熱裝置，所述換熱裝置連接至煙氣處理裝置(22 )後將煙氣排出，所述換熱裝置連接入所述地源熱泵系統。
5.如權利要求4所述的耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於:所述換熱裝置包括第一煙氣換熱器(20)，所述第一煙氣換熱器(20)連接入所述第二冷凝器(37)和蓄熱水箱(39)之間。
6.如權利要求5所述的耦合多種可再生能源的城市汙水冷熱電聯供系統，其特徵在於:所述第一煙氣換熱器(20)後端還連接設有第二煙氣換熱器(21)，所述第二煙氣換熱器(21)連接至煙氣處理裝置(22)後將煙氣排出，所述第二煙氣換熱器(21)連接入所述第二冷凝器(37)和蓄熱水箱(39)之間。
【文檔編號】F25B27/00GK204254930SQ201420647442
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】余思敏, 王蘭體, 邵振華 申請人:余思敏