基于燃气机热泵和燃气轮机发动机的热电冷三联供系统

摘要

一种热电冷三联供系统。基于燃气机热泵和燃气轮机发动机的热电冷三联供系统。包括燃气供应与排烟系统，余热回收与利用系统，蒸汽压缩制冷系统，蒸汽压缩制冷系统的压缩机由燃气发动机直接驱动，微型燃气轮机发电机发电。使空调系统完全由天然气驱动，无需外界供电。热泵的结霜在很大程度上有了改善，提高了供水的温度，增加热泵的供热水能力。

说明书

                          技术领域

本发明涉及一种热电冷三联供系统。

                          背景技术

夏季空调用电量一般约占总耗电量的30％左右，若专为空调用电配置发电设备，无论在经济方面还是能源利用方面都是不可取的。为此，热电冷三联供系统作为一项重要的节能技术，已引起越来越多的重视和关注，但现有的热电冷三联供系统大多是在热电联产的基础上发展起来的，且与热泵有关的系统绝大多数采用吸收式机组，而较少考虑压缩式机组。而与吸收式机组相比，压缩式机组的制冷效率更高。

风冷热泵机组自上世纪90年代以来在长江中下游、华南及西南等传统的非采暖区得到了广泛应用，以较低的能耗满足了这些地区冬季采暖的需求；而黄河流域和华北地区由于冬季气温较低且采暖期较长，传统的风冷热泵机组无法在这些地区长期稳定可靠地工作，使得风冷热泵机组不能在这些地区得到推广。

风冷热泵机组的一个突出的特点是热泵在温度较低的环境下工作时需要对室外蒸发器进行除霜。风冷热泵机组的结霜对系统性能的影响非常大。

现有的热电冷三联供系统中常用的电动热泵的能量调节主要采用启停法，能量峰谷波动较大。若需采用速度调节，则变频器的成本较高，维护保养也比较复杂。作为电动热泵，用变速进行能量控制初投资大而经济性差。用气缸数或滑阀调节时压缩机效率下降。而相应的用开关方式调节的电动空调方式，则会造成温度或高或低。

而常用的电动热泵还有一个缺点，即在严寒时启动的情况下，由于外界温度低，达到规定温度所需的时间长。因此在电动热泵从启动到供热的一段较长的时间里，需要供暖的房间非但得不到采暖，反而有冷风吹出，使室内人员感到很不舒适。

                          发明内容

为克服现有热电冷三联供系统存在的上述缺陷，提供一种以燃气为能源的热泵机组及利用燃气轮机作为发电设备的热电冷三联供系统，本发明提供以下技术方案。

基于燃气机热泵和燃气轮机发电机的热电冷三联供系统，其特征在于包括燃气供应与排烟系统，余热回收与利用系统，蒸汽压缩制冷系统，蒸汽压缩制冷系统的压缩机由燃气发动机直接驱动，微型燃气轮机发电机发电。

优选的方案为：该系统包括开启式螺杆压缩机、翅片换热器、壳管换热器、电子膨胀阀等部件组成的由燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵系统，由微型燃气轮机和发电机组成的燃气轮机发电系统及由燃气轮机烟气余热回收器、燃气发动机烟气余热回收器、翅片管换热器、水-制冷剂换热器等组成的余热回收与利用系统。

更优选的方案为：由燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵系统还包括有单向阀、油分离器、气液分离器、背压阀、四通换向阀、分液器、室外风机、储液器、经济器和连轴器。

另一个更优选的方案为：余热回收与利用系统还包括有循环水泵和蓄热水箱。

另一个更优选的方案为：由燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵系统，其发动机在转速50％以上时用变速控制，在转速在20％～50％以下时，采用改变滑阀位置的调节。

该系统特点如下：

1.热泵供热时，燃气发动机冷却水通过缸体热回收器间接回收发动机缸体的废热后，再通过和废气热回收器来吸收废气中的废热。温度较高的冷却水通过水-制冷剂换热器串联到翅片换热器管路。然后再回到缸体热回收器完成了冷却水循环。

由于在该系统中制冷剂在蒸发过程中一部分的热量由废热来提供，因此，室外侧翅片换热器的热负荷比常规的热泵系统小得多。在室外翅片管换热器换热面积与常规热泵相同的情况下，热泵供热时的蒸发温度可以得到提高，热泵的供热性能系数相应地也得到了提高。因此热泵的结霜现象在很大程度上有了改善。一般而言，燃气发动机热泵的燃料消耗量只有燃气锅炉的50％左右，因此是一种高度节能的设备。

燃气轮机废热利用的方式是循环热水经过壳管换热器加热以后，再经过燃气轮机烟气余热回收器加热，以提高供水的温度，增加热泵的供热能力。

2.系统部分负荷时性能良好。制冷、采暖和热水供应系统具有适应最大负荷的能力，在一定时间内也可部分负荷运转。燃气发动机热泵的发动机容易实现转速调节，且有良好的经济性，在转速50％以上时效率几乎不变，因此在这一转速以上用变速控制。在这以下至20％的负荷，则采用改变滑阀位置的调节。因此可获得较好的部分负荷特性。相比于电动热泵的启停法能量调节方式，燃气发动机热泵本身可采用发动机可变速的特点进行能量调节，采暖能量的供应比较平稳。燃气发动机热泵具有良好的负荷调节特性，本系统可以在不同的外界空气温度下，保持恒定的设定温度，提供高度舒适的环境。

3.能快速提供供暖用热量。由于本系统同时使用余热，发动机可在容许的温度范围内增大功率，因此其达到规定温度所需的时间比其它热泵所需的短，可以在较短时间内达到设定温度，其启动时间较短。

以燃气为能源的压缩式冷水机组及热泵机组，是指由燃气驱动燃气发动机，或由燃气在燃气锅炉中燃烧，产生蒸汽后驱动蒸汽发动机，再由燃气发动机或蒸汽发动机驱动制冷压缩机的冷水机组及热泵机组。这种机组与电动压缩机组相比较，发电设备的发电效率及输配电效率可以无需考虑，因而具有较高的性能系数，是一种既可利用燃气为能源，又具有高性能系数的制冷机组。与常规电动机组相比，以燃气机代替了电动机，用燃气代替了电力。

燃气轮机具有热效率高、污染少、耗水少甚至不耗水的优点。燃气轮机可以提供清洁、安静和高效的动力发电。尽管微型燃气轮机的设备费用较高，但由于维护费用低，使其最终的发电成本比柴油机低。利用微型燃气轮机发电机发电足以与柴油机一决高下，同时微型燃气轮机是一种更好的环保型发电装置。

                        附图说明

图1为本发明所公开的基于燃气机热泵和燃气轮机发电机的热电冷三联供系统的工作原理图。

图2为本发明所公开的基于燃气机热泵和燃气轮机发电机的热电冷三联供系统的供热lgp-h图。

                       具体实施方式

一种基于燃气机热泵和燃气轮机发电机的热电冷三联供系统，由螺杆压缩机1，单向阀2、16、18、23、24，油分离器3，气液分离器4，微型燃气轮机5，发电机6，背压阀7，燃气轮机烟气余热回收器8，四通换向阀9，翅片管换热器10，分液器11，蓄热水箱12，室外风机13，储液器14，水一制冷剂换热器15，电子膨胀阀17、19，经济器20，燃气发动机烟气余热回收器21，燃气发动机24，循环水泵25、29，壳管换热器26，油分离器27，连轴器28组成。

由燃气发动机24驱动的蒸气压缩式热泵系统由开启式螺杆压缩机1、翅片换热器10、壳管换热器26、电子膨胀阀17、19等部件组成。右边部分为燃气轮机发电系统，可向空调系统辅机和建筑物其它设备供电，从而实现燃气发动机24驱动的热电冷三联供。

供冷运行时，机组从低温介质吸热，使之冷却降温后送给冷用户，而将冷凝器排热及燃气发动机24废热排放给环境(在同时需要热水的场合，燃气发动机24废热也可回收到蓄热水箱12使用)；供暖运行时，机组通过低温介质(热源)从环境吸热，先后经过翅片换热器10、燃气发动机冷却水热回收器、燃气发动机烟气余热回收器21吸热后制热，而后送给热用户。无论是供冷运行还是供热运行，发电机6一般都同时运转，所发电量主要用于驱动空调系统辅机及建筑物其它设备，其余热可作为壳管换热器26的辅助热源来提高供热温度。使空调系统完全由天然气驱动，无需外界供电。

燃气发动机24的余热包括燃气机的缸套冷却水余热和排烟余热两部分。燃气发动机24正常工作时缸套水温为85～99℃，燃气发动机24排烟温度为500～560℃，余热回收时循环水可采用串联(如图1，循环水首先经过缸套水-水热交换器，再流经烟气-水热交换器)。回收的热量可用于生活热水或供暖，也可用做溴化锂制冷机的热源。