通过并入水源高温热泵的汽电共生电厂废热源利用的方法及装置 |
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| 申请号 | CN201580062401.2 | 申请日 | 2015-09-14 | 公开(公告)号 | CN107003012A | 公开(公告)日 | 2017-08-01 |
| 申请人 | 马里博尔大学; | 发明人 | 达科·雇里卡尼克; 乔治·科勒普; 史坦·布尼尼克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 是关于一种低温废热利用的方法及装置。在汽电共生单元(CHP)的范围内，几乎没有低温热源，其不能直接用于热消耗器(HC)。因此，汽电共生电厂废热回收的方法及装置优选地包括至少一个冷凝式 热交换器 (HE2)，其收集废热用于 水 源高温 热 泵 (HP)应用，其中热水输出供给到 内燃机 (ICE)冷却系统，即冷却 套管 式热交换器，其中冷却剂允许的最高入口 温度 通过自动化控制系统(即具有电动控制 阀 (V1‑V3)的控制单元)达成及维持。重要的是要注意低温源在此由排气系统范围内的废气， 中间冷却器 或 涡轮 增压 器 范围内的注入空气，以及内燃机范围内的 润滑油 冷却系统(ICE)或热泵(HP)表示。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用产生热及电装置的方法，其通过采用废热源的水源高温热泵(HP)的原理以在热分配网络中加热至少一个热消耗器(HC)，所述方法包含: |
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| 说明书全文 | 通过并入水源高温热泵的汽电共生电厂废热源利用的方法及装置 技术领域背景技术[0002] 在现有技术中已经使用热泵通过使用废热回收来提高组合的热及电力系统的加热功率，该热泵在许多设计中已加以采用。根据US2006037349专利，使用废热来改善热泵式空调的加热性能，或者防止热泵式空调的室外热交换器损坏。EP2299098中公开另一种解决方案，其包括空气源式热泵以利用汽电共生单元的废热源，其中类似于前述的方案，与水源热泵潜力相比，所揭示方法的主要缺点是相当低的热性能系数。发明内容 [0003] 本发明是关于组合热及电力系统，其中使用至少一个并入水源高温热泵将低温热量从至少一个废热源提升到较高温度的热输出，其可以由至少一个用于空间或处理过程加热消耗器，优选地在区域加热的范围内加以使用。重要的是要注意到根据本发明的热泵用于加热及升高热分配网络的回流管线中传热介质的温度，其中当在正常操作条件下操作时，热分配网络的前向管线中热传递介质的设计(即操作)温度基本上高于60℃。可以理解，热分配网络的运作条件是在调试及预热处理过程之后提供，其中至少在至少短时间内成功地实现及维护热分配网络的基本设计温度(即建立)，因此至少一个内燃机被打开以及在连续运作中通过在燃烧处理过程中燃烧燃料来操作，以及至少一个热泵被打开以及操作作为液-气相变化热循环处理过程(即，热泵原理)及废热源利用。因而至少一个内燃机及至少一个热泵在分配网络的范围内用于各别地提供第一及第二热源，其中各别单元基本上操作于最小及最大额定值(即满载)工作电源之间范围内，最好在正常额定功率下连续运作时产生最高功率。 附图说明[0005] 图1显示出具有并入水源高温热泵(HP)的汽电共生电厂可选实施例的示意图，其具有用于热泵原理的操作的冷凝器及蒸发器单元，其中显示出以及标记以下项目：具有原动机的汽电共生单元(CHP)，优选地具有适配发电机(G)的内燃机(ICE)，包括管线网络(P1-P19)，阀(V1-V3)及泵(PU1-PU4))的热分配回路，其与具有热交换器(HE1-HE3)，舱口(H1-H4)，风扇(F1)，外部冷却系统(CT1)，大气环境温度(O)及控制温度传感器(T1-T13)的热消耗器交互连结。 具体实施方式[0006] 参考具有并入水源高温热泵(HP)的汽电共生单元(CHP)的可选实施例，该系统包括以气体燃料运作的内燃机(ICE)，优选地为水冷式气体发动机，气体例如为天然气，液化石油气，填埋气体，木材气或沼气。虽然内燃机(ICE)及发电机(G)用于发电及产生热量，在供电时显著的热量由燃烧处理过程及其他子组件(即润滑油，注入及排气，以下称为烟道气体)内的汽缸释出，其中热量由热消耗器(HC)使用，而不是通过外部冷却系统(CT1)消散到大气环境(O)。重要的是要注意热消耗器(HC)的主要热源优选地由内燃机(ICE)冷却系统(即具有入口及出口孔径的套管式热交换器)表示，在此称为流入及流出孔径)，当内燃机(ICE)及热泵(HP)被打开及供电时，优选地为最佳效率或满载状态，多个废热源出现在汽电共生单元(CHP)及加热热泵(HP)的范围内。 [0007] 废热有效回收对于提供良好的燃料能量的总利用率至关重要，因此首先及最重要废热源由排气系统中烟道气体表示，其为排气系统是内燃机(ICE)内燃烧处理过程的产物。其次，至少有两个额外的废热源以润滑油冷却系统，第一个由内燃机(ICE)润滑油冷却系统表示，第二个由热泵(HP)润滑油冷却系统(即加装压缩机润滑油冷却系统)表示。此外，存在少量的废热源，例如内燃机(ICE)的注入空气冷却系统，在某些情况下仍然对于良好的总废热源利用是重要的。 [0008] 根据如图1所示的可选实施例，内燃机(ICE)冷却系统流入及流出孔径可操作地联接到到热分配回路，该热分配回路包括一个管线网络(P1-P19)，其可操作地将在汽电共生电厂范围内具有热源的热消耗器(HC)与并入水源高温热泵(HP)相互连结。热分配回路还包括主要传热介质及包括控制单元(即控制电子装置)的自动调节构件，其用于主要传热介质流量调节的阀(V1-V3)及泵(PU1-PU4)，其中热源优选地通过闭合热分配回路中主要传热介质循环的原理传递到热消耗器(HC)。 [0009] 部分地如现有技术中已知的一样，烟道气体的废热由并入热交换器(HE1)所利用，其收集排气系统中烟道气体的高温废热，其中排气热交换器(HE1)能够收集废热，此由于排气系统中烟道气体与并入热交换器(HE1)中主要传热介质之间的温度显著差异所导致。此外，根据本发明的排气系统优选地包括至少一个额外的冷凝热交换器(HE2)，其被并入以收集至少残余的废气低温废热，随后由水源高温热泵(HP)以提高汽电共生单元(CHP)的加热功率。更准确地说，所说明实施例包括两个热交换器(HE1，HE2)并入到内燃机(ICE)排气系统中，其目的是收集燃烧处理过程的废热，其中重要的是注意到第一热交换器(HE1)可操作地联接到热分配回路的前向管线，其中通过热交换器(HE1)的主要传热介质的流动将烟道气体的温度降低到约120℃；此外，第二(即优选地冷凝)热交换器(HE2)与高温热泵(HP)蒸发器单元可操作地联接，优选地在具有次要传热介质的闭合管线系统中，因此在排气系统中烟道气体的温度额外地降低到接近大气环境温度(O)的温度，优选地低于25℃。虽然排气系统中烟道气体的温度迅速降低，如果需要情况下排气系统还可以包括抽风机(F1)以由排气系统去除烟道气体。 [0010] 适当情况下，如果第一热交换器(HE1)通过烟道气流操纵(即调节)装置部分或完全地旁路，可进一步提升所表示汽电共生单元(CHP)的加热功率，该装置包括由控制单元调节的电动阀，优选地为舱口(H1-H4)。可以理解，如果第一热交换器(HE1)完全地旁路，则高温热泵(HP)利用烟道气体废热源为最大化，因此高温烟道气流过冷凝热交换器(HE2)，其收集热泵(HP)原理操作所需要的废热。更重要的是，如果合适，热交换器(HE2)及热泵(HP)应包括多个热泵(HP)和/或热交换器(HE2)以多级方式或级联原理并联和/或串联连接，以达到排气系统的简化及成本效益的解决方案。如下所说明，类似于烟道气体废热利用所说明，内燃机注入或润滑油冷却系统的废热也可以通过至少一个额外的热交换器(HE3)来收集，该热交换器可操作地联接到到热泵(HP)蒸发器单元与排气系统中所说明热交换器(HE2)串联或并联连接，其中热泵(HP)压缩机的润滑油冷却系统优选地并入到水源高温热泵(HP)外壳。 [0011] 虽然有多种废热源利用的选择，但必须注意的是水源高温热泵(HP)利用可选实施方案使用至少一个低温废热源来蒸发并入热泵(HP)的工作介质，其中冷凝器单元出口优选地被馈送到热分配回路的回流管线，更确切地说是供给至内燃机(ICE)冷却系统的入口，其中所提出本发明方法的目的是在发动机冷却系统的入口处主要传热介质达到及保持最大的允许温度。根据图1所示的实施例，热分配回路包括冷却系统旁路连接，因此在内燃机(ICE)冷却系统的入口孔径处的主要传热介质的最大允许温度达到以及成功地保持在具有迟滞作用的限定设定点时，冷却系统至少部分地旁路，其中阀(V1)通过自动调节构件重新配置在一个位置，该位置至少部分地将主要传热介质流动从冷凝器单元出口重新导向到热分配的前向管线。此外，热分配回路还包括热泵(HP)冷凝器单元旁路连接，其中冷凝器单元根据热分配回路中热需求情况至少部分地旁路。 [0012] 此外，本发明是关于一种热泵(HP)整合处理过程的方法，一种利用水源高温热泵(HP)的汽电共生单元(CHP)的低等级温度废热利用方法，以及一种使用本发明装置的方法。 [0013] 以下步骤表示热泵(HP)整合的关键特征及汽电共生电厂(CHP)废热源利用的新方法： [0014] 1.具有冷凝器及蒸发器单元的水源高温热泵(HP)与用于液-气相变化热动力循环操作的工作介质及至少一个热交换器(HE2，HE3)的整合，其中： [0015] A)高温热泵(HP)冷凝器单元可操作地联接到热分配回路管线系统；及[0016] B)高温热泵(HP)蒸发器单元与包含次要传热介质的闭合管线系统中至少一个热交换器(HE2，HE3)可操作地联接。 [0017] 2.从至少一个废热源通过并入热交换器(HE2，HE3)收集热量，其中热源为： [0018] A)排气系统中烟道气体流；和/或 [0019] B)润滑油冷却系统；和/或 [0021] 3.将热量从至少一个热源传递到高温热泵(HP)蒸发器单元，优选地通过在闭合管线系统中次要传热介质的循环达成。 [0022] 4.将热量从次要传热介质传递到高温热泵(HP)的蒸发器单元中工作介质，其中来自至少一个废热源的低温热量通过工作介质液-气相变化热动力循环加以提升，因此在冷凝器单元中工作介质的温度显著高于蒸发器单元中工作介质的温度。 [0023] 5.将来自高温热泵(HP)中工作介质的热量传递到热分配回路中主要传热介质，其中冷凝器单元出口处主要传热介质的温度明显高于冷凝器单元入口处主要传热介质的温度，因此冷凝器单元的高温输出至： [0024] A)内燃机(ICE)冷却系统流入(即回流管线)，其中流入温度由自动调节构件(优选地由阀(V1-V3)及泵(PU1-PU4)构成)维持在60℃及90℃，优选地设定点为70℃；和/或[0025] B)与至少一个热消耗器(HC)结合热分配回路的前向管线。 [0026] 6.高温主要传热介质由下列所使用： [0027] A)内燃机(ICE)冷却系统，其目标在于保持入口温度为预先界定设定点所允许的最大值；和/或 [0028] B)热消耗器(HC)，在区域供热，工业或工艺处理过程的范围内。 [0029] 以下步骤表示使用根据本发明的装置的方法的关键特征： [0030] 1.燃料燃烧处理过程，其中使用至少一个内燃机(ICE)的发动机冷却系统提供用于加热所述热分配网络中至少一个传热介质的第一散热单元，其中当内燃机(ICE)打开以及通过在燃烧处理过程中燃烧燃料的操作时至少产生一个废热源。因此，使用具有并联或串联连接的发动机冷却系统的多个内燃机(ICE)单元以用于提供高级形式的第一散热单元。 [0031] 2.废热回收处理过程包括收集废热的方法，其中使用至少一个废热回收单元从至少一个废热源的一组废热源中收集至少一部分热量，废热源包括排气系统中烟道气体，注入空气冷却系统中空气或润滑油冷却系统中润滑油。因此，并联或串联连接的多个废热回收装置用于提供废热回收处理过程利用的先进装置。 [0032] 3.一种液-气相变化热动力循环操作方法，其中至少一种水源高温热泵(HP)应用于提供第二散热单元，用于加热所述热分配网络中至少一种传热介质，于至少一个热泵(HP)打开以及运作时。因此，使用并联或串联连接的多个热泵(HP)单元用于提供第二散热单元的先进型式。 [0033] 4.使用液-气相变化利用所收集热量，其中至少一部分所收集的热量用于液-气相变化循环利用，以及其中由至少一个热泵产生的至少一部分热量(在第二散热单元范围内的HP)用于加热第一散热单元的范围内至少一个内燃机(ICE)的发动机冷却系统。 [0034] 5.通过至少一个传热介质的循环在热分配网络的至少一个闭合回路中分配热量，其中在第一散热单元的范围内至少一个内燃机的发动机(ICE)冷却系统中热分配介质的最低温度显著高于至少一个热消耗器(HC)中热分配介质的最低温度。因此，在热分配网络至少一个回流管线中至少一个传热介质通过热泵(HP)原理的操作被再加热，其中至少当达到热分配网络的设计温度以及内燃机(ICE)及热泵(HP)在满负荷下运作之时，在至少一个内燃发动机(ICE)的发动机冷却系统中传热介质的温度基本上高于60℃。 [0035] 除了使用根据本发明装置的方法之外，需要作少量的解释及定义，其中燃烧处理过程基本上是连续处理过程，而内燃机(ICE)通常在其最小及最大额定运作功率间的范围内运作，优选地在正常额定功率下连续运作。类似地液-气相变化热动力循环操作处理过程基本上是连续的处理过程，其中热泵(HP)在其最小及最大额定工作功率之间的范围内操作，优选地在连续操作中正常额定功率下操作。如果合适，在复杂(即先进的)发电厂中燃料燃烧处理过程应由多个内燃机(ICE)单元提供，其中第一散热单元范围内的热量以串联和/或并联连接，其目的在于在各个发动机冷却系统之间传递热量，类似地液-气相变化热动力循环操作处理过程应由多个热泵(HP)单元使用，以提供先进的供热及发电厂的第二散热单元。 [0036] 虽然根据本发明方法及装置的关键特征之一是建立内燃机冷却剂温度的预定设定值，但是热能平衡调节是通过使用热泵(HP)的功率，和/或通过调整内燃机(ICE)的功率，和/或通过调整主要传热介质的质量流动通过内燃机的发动机冷却系统，和/或通过调整主要传热介质的质量流动通过热泵(HP)，和/或通过在至少一个废热源利用的闭合回路中调整次要传热介质的质量流动而达成。因此，在热分配回路中主要传热介质的质量流动通过改变热分配网络中流动速度而调整，和/或在闭合回路中次要传热介质的质量流动通过改变闭合回路中流动速度而调整，其中在热分配网络中传热介质的速度通过切换(即开/关调节)和/或通过调节质量流动的至少一个循环泵的功率而调整。此外，热分配回路中主要传热介质的质量流动交替地通过流量调节而调整，其中在热分配回路的回流管线中至少一部分主要传热介质流动被再导向到热分配回路的回流管线以提供热泵(HP)旁路连接，和/或其中来自热泵(HP)的至少一部分主要传热介质流被再导向到热分配回路之前向管线以提供发动机冷却系统旁路连接。类似地，用于废热源利用的闭合回路中次要传热介质的质量流动通过流量调节来调整，其中至少一部分次要传热介质流动在闭合回路中被再导向以提供至少一个废热回收单元的旁路连接。因此，主要传热介质的质量流动调节和/或热能平衡调节的次要传热介质的质量流动调节通过至少一个控制单元(即电子控制器)决定，加以控制及执行，其中自动调节构件的位置和/或状态(即开/关或开/关调节)相对于热分配网络中热需求加以调节。 [0037] 根据本发明的装置还包括至少一个控制单元，其中该控制器为自动装置用于热管理调节，或者决定处理过程，比较处理过程及执行处理过程的热管理控制器的基本功能至少被并入以及实施于内燃机(ICE)控制器或热泵(HP)控制器。在决定处理过程中，热分配网络的环境及热条件由热，压力或其他传感器群组决定，其中来自至少一个热分配网络或内燃机(ICE)传感器的至少一个输入使用于比较处理过程，其中分析至少一个输入参数值(即优选地是发动机冷却系统中主要传热介质的温度)，并将其与极限值进行比较，优选地被预先定义及储存在控制单元。因此，执行处理过程包括执行储存在控制单元中指令以产生适当输出信号的处理过程，其中由控制电子元件与自动化调节构件协作生成，实施及执行至少一个热能平衡调整的参数，以达到以及维持低限设定值，其中低限值界定于设定点等值的最大值及最小值之间，其目的在于提供热能平衡调整的迟滞作用。 [0038] 可以理解，控制单元(即电子模组)可以与各种输出装置连通，其中传热网络中传热介质的温度由一组自动调节构件决定，控制及调节，自动调节构件包括电动阀，泵及传感器，其中调节构件优选地通过至少一个控制单元操纵而加以调整。此外，在热分配网络中热分配处理过程由至少一个传热介质提供，优选地由多个热分配介质提供。因此，在传热网络中热量通过在至少一个闭合回路中主要传热介质的循环从第一散热单元传递到热消耗器(HC)，以及类似地来自废热回收单元的热量通过在至少一个闭合回路中次要传热介质的循环而传递到热泵(HP)，其中由至少一个热泵(HP)所提升的热量更进一步从热泵(HP)冷凝器单元通过主要传热介质传递到至少一个内燃机(ICE)的发动机冷却系统。 |
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