申请日2014.11.03
公开(公告)日2015.04.08
IPC分类号F25B29/00; F25B27/00; F25B41/00; H02S10/12; F02C6/00; F02C6/18; F24J2/00
摘要
本实用新型涉及一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统。其目的是提供一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，能基于城市污水，利用太阳能、风能和地热能，以减少污染，加强污水资源化利用，并梯级利用多种可再生能源，提高系统运行的效率。一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，包括：城市污水分布式能源系统、风光互补发电系统、太阳能集热系统和地源热泵系统。本实用新型采用了多系统耦合的方式来利用生物质能、太阳能、风能和地热能进行冷热电三联供，并能按需求端变化实现两种耦合模式;不但将城市污水处理厂的污水变废为宝，还实现了厂区内太阳能、风能和地热能等多能集成利用。
权利要求书
1.一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于，包括：
城市污水分布式能源系统：依次连接的污水预处理装置(1)、厌氧发酵装置(2)、燃气轮机(3)、发电机(4)、变压器(5)、电网(6)，通过电网(6)连接至电力需求端，所述燃气轮机(3)依次连接余热锅炉(7)、第一水泵(8)、工质热交换器(9)、发生器(10)、第一冷凝器(19)，所述第一冷凝器(19)分别连接至第一地下换热器(15)和第一蒸发器(17)，所述第一冷凝器(19)和第一地下换热器(15)之间设有第二水泵(16)，所述第一冷凝器(19)和第一蒸发器(17)之间设有第二节流阀(18)，所述第一地下换热器(15)和第一蒸发器(17)均连接至吸收器(14)，所述吸收器(14)连接至所述第一冷凝器(19)形成循环回路，所述吸收器(14)连接溶液热交换器(13)，所述溶液热交换器(13)通过溶液泵(12)连接至发生器(10)，所述溶液热交换器(13)和发生器(10)之间设有第一节流阀(11)，所述余热锅炉(7)连接至烟气处理装置(22)后将烟气排出，所述第一蒸发器(17)连接至冷需求端;
风光互补发电系统：光伏组件(23)和风力发电机(24)连接至风光互补控制器(25)，所述风光互补控制器(25)依次连接蓄电池组(26)和逆变器(27)，所述逆变器(27)连接至电网(6);
太阳能集热系统：太阳能集热器(28)通过第三水泵(29)连接至热水换热器(30)，所述热水换热器(30)通过第四水泵(32)连接至所述余热锅炉(7)，所述工质热交换器(9)通过管道连接至所述热水换热器(30)，连接所述工质热交换器(9)和热水换热器(30)之间的管道上设有阀门(31);
地源热泵系统：第二地下换热器(33)依次连接第二蒸发器(34)、第二冷凝器(37)、蓄热水箱(39)，所述蓄热水箱(39)连接至热需求端;所述第二蒸发器(34)和第二冷凝器(37)之间设有压缩机(35)和第三节流阀(36)，所述第二冷凝器(37)和蓄热水箱(39)之间设有第五水泵(38)。
2.如权利要求1所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于，还包括：第一三通阀(40)、第二三通阀(41)、第三三通阀(42)和第四三通阀(43)，所述第一三通阀(40)设于所述余热锅炉(7)和工质热交换器(9)之间，所述第二三通阀(41)设于所述工质热交换器(9)和热水换热器(30)之间，所述第三三通阀(42)和第四三通阀(43)均设于第二冷凝器(37)和蓄热水箱(39)之间，所述第三三通阀(42)与第二三通阀(41)连接，所述第四三通阀(43)与第一三通阀(40)连接。
3.如权利要求2所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述系统形成至少两条水循环回路：一条水循环回路为循环水从第二换热器(21)依次通过第三三通阀(42)、第二三通阀(41)、热水换热器(30)、余热锅炉(7)、第一三通阀(40)、第四三通阀(43)、蓄热水箱(39)连接至供热端;另一条水循环回路为循环水从工质热交换器(9)依次通过第二三通阀(41 )、热水换热器(30)、余热锅炉(7)、第一三通阀(40)回到工质热交换器(9)。
4.如权利要求1所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述余热锅炉(7)和烟气处置装置(22)之间设有换热装置，所述换热装置连接至烟气处理装置(22)后将烟气排出，所述换热装置连接入所述地源热泵系统。
5.如权利要求 4所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述换热装置包括第一烟气换热器(20)，所述第一烟气换热器(20)连接入所述第二冷凝器(37)和蓄热水箱(39)之间。
6.如权利要求5所述的耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，其特征在于：所述第一烟气换热器(20)后端还连接设有第二烟气换热器(21)，所述第二烟气换热器(21)连接至烟气处理装置(22)后将烟气排出，所述第二烟气换热器(21)连接入所述第二冷凝器(37)和蓄热水箱(39)之间。
说明书
耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统
技术领域
本实用新型涉及能源综合利用技术领域，具体来说，是涉及一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统。
背景技术
现有技术方案中缺乏在城市污水处理厂平台上利用多种可再生能源系统的设计。城市居民生活、牲畜养殖场和食品加工业等都能产生大量富含有机质的城市污水。一般情况下，城市污水作为废弃物被直接排放或者在污水处理厂进行有氧发酵处理之后进行排放，大量有机质没有进行资源化的利用。对城市污水进行厌氧发酵能够产生沼气，沼气可作为燃料加以利用。
风电、光伏、光热、生物质能、地热能等在城市区域单独利用时，由于容量小、随机性强、稳定可靠性差、并网难、效率低等先天不足，同时加之各自分散利用，无法发挥有效地替代作用;如果将多种可再生能源利用系统耦合，能有效避免以上缺陷，且实现各自优势的集成，提供清洁高效可持续的能源。
常规的分布式三联供系统主要是以天然气作为燃料，消耗大量的化石能源，还排放大量温室效应气体和二氧化硫等污染物，沼气可以作为天然气的替代燃料。
污水处理厂和牲畜养殖场一般占地面积较大，可资利用空间较多，有多种可再生能源集成利用的资源条件，例如在污水处理池上方或者养殖大棚上可搭建太阳能利用设备等;在地下可铺设地下换热设备;另外，污水处理厂等一般处于城市边缘，由城市热岛效应产生的循环风能资源较为丰富。
风光互补发电耦合燃气轮机发电，能够提高电能的质量，解决单独发电并网难等问题;微风发电设备技术已经比较成熟，如S1NFON1A技术公司已研制出垂直轴型风力发电机，不论风向，风速达到1m/s就可以工作(见《农村电工》2011.11)。
太阳能是一种丰富、清洁的可再生能源，太阳能集热系统驱动吸收式制冷是利用太阳能的一种新型技术，与常规的吸收式制冷系统相比，能够实现太阳能热量的充分利用，提高吸收式制冷的效率。
当达到某一深度土壤温度基本保持常数(8-10℃)，以土壤作为热源或者冷源，相应通过地源热泵和地下换热器能将储藏在土壤的中能量加以利用，具有高效率和节能的突出优势。
以上的这些背景，为集成太阳能、风能、地热能和城市污水进行热电冷三联供利用创造 了有利的条件。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，能基于城市污水，利用太阳能、风能和地热能，以减少污染，加强污水资源化利用，并梯级利用多种可再生能源，提高系统运行的效率。
为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案。
一种耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统，包括：城市污水分布式能源系统、风光互补发电系统、太阳能集热系统和地源热泵系统。其中：
城市污水分布式能源系统：依次连接的污水预处理装置、厌氧发酵装置、燃气轮机、发电机、变压器、电网，通过电网连接至电力需求端，所述燃气轮机依次连接余热锅炉、第一水泵、工质热交换器、发生器、第一冷凝器，所述第一冷凝器分别连接至第一地下换热器和第一蒸发器，所述第一冷凝器和第一地下换热器之间设有第二水泵，所述第一冷凝器和第一蒸发器之间设有第二节流阀，所述第一地下换热器和第一蒸发器均连接至吸收器，所述吸收器连接至所述第一冷凝器形成循环回路，所述吸收器连接溶液热交换器，所述溶液热交换器)通过溶液泵连接至发生器，所述溶液热交换器和发生器之间设有第一节流阀，所述余热锅炉连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述第一蒸发器连接至冷需求端。
风光互补发电系统：光伏组件和风力发电机连接至风光互补控制器，所述风光互补控制器依次连接蓄电池组和逆变器，所述逆变器连接至电网。
太阳能集热系统：太阳能集热器通过第三水泵连接至热水换热器，所述热水换热器通过第四水泵连接至所述余热锅炉，所述工质热交换器通过管道连接至所述热水换热器，连接所述工质热交换器和热水换热器之间的管道上设有阀门。
地源热泵系统：第二地下换热器依次连接第二蒸发器、第二冷凝器、蓄热水箱，所述蓄热水箱连接至热需求端;所述第二蒸发器和第二冷凝器之间设有压缩机和第三节流阀，所述第二冷凝器和蓄热水箱之间设有第五水泵。
进一步地，所述耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统还包括：第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀，所述第一三通阀设于所述余热锅炉和工质热交换器之间，所述第二三通阀设于所述工质热交换器和热水换热器之间，所述第三三通阀和第四三通阀均设于第二冷凝器和蓄热水箱之间，所述第三三通阀与第二三通阀连接，所述第四三通阀与第一三通阀连接。通过调节四个三通阀，实现不同的热水循环切换，产生两种系统耦合模式。所述系统形成至少两条水循环回路：一条水循环回路为循环水从第二换热器依次通过 第三三通阀、第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀、第四三通阀、蓄热水箱连接至供热端;另一条水循环回路为循环水从工质热交换器依次通过第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀回到工质热交换器。当为用户同时供冷和供热时，系统所制备的热水用于驱动吸收式制冷循环，来自所述工质热交换器的循环水依次通过第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀回到工质热交换器驱动吸收式制冷循环;当为用户只供热不供冷时，系统所制备的热水用于提供用户的热需求，来自所述第二换热器的循环水依次通过第三三通阀、第二三通阀、热水换热器、余热锅炉、第一三通阀、第四三通阀、蓄热水箱连接至供热端。
优选地，所述余热锅炉和烟气处置装置之间设有换热装置，所述换热装置连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述换热装置连接入所述地源热泵系统。余热锅炉中出来的烟气中的热量通过换热装置被吸收后进入地源热泵系统，使热量得到充分利用。
其中，所述换热装置包括第一烟气换热器，所述第一烟气换热器连接入所述第二冷凝器和蓄热水箱之间。
进一步地，所述第一烟气换热器后端还连接设有第二烟气换热器，所述第二烟气换热器连接至烟气处理装置后将烟气排出，所述第二烟气换热器连接入所述第二冷凝器和蓄热水箱之间。
本实用新型耦合多种可再生能源的城市污水冷热电联供系统对城市污水中丰富的有机质进行资源化利用，通过厌氧发酵装置产生沼气作为分布式能源系统燃料;首先利用沼气在燃气轮机做工带动发电机进行发电，其次是利用高温烟气热量驱动吸收式制冷循环，并把吸收式制冷中冷却水循环接入第一地下换热器加强换热效率;采用了多系统耦合的方式来利用生物质能、太阳能、风能和地热能，实现了多种可再生能源利用系统的耦合进行冷热电三联供;不但将城市污水处理厂的污水变废为宝，还实现了厂区内太阳能、风能和地热能等多能集成利用。