利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统及其工作方法
技术领域
本发明属于中低温热源回收利用与动力工程技术领域，具体涉及一种利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统及其工作方法。
背景技术
随着人类对能源需求的不断增长，大规模地燃烧化石能源已对大气环境和生态环境造成了严重影响，人们越来越担心大量使用传统化石能源所带来的资源枯竭和环境污染问题。在这种情况下，开发利用可再生能源和回收利用工业余热越来越受到世界各国的重视。可再生能源和工业余热的开发利用对于节约化石能源和保护生态环境以及降低二氧化碳排放，起到至关重要的作用。可再生能源如地热能、太阳能等和工业余热在作为热源利用时，常被划分为中低温热源。目前对中低温热源的利用主要集中在发电、制冷和供热等方面。
1)发电
中低温热源发电主要是通过一些使用低沸点工作介质(如有机物、氨水等)的特殊热力循环进行发电，主要包括有机朗肯循环和Kalina循环。有机朗肯循环系统如图1所示，中低温热源在蒸发器中释放热量，有机工质在蒸发器中吸热蒸发至饱和态或过热态，然后进入有机透平中膨胀做功，驱动发电机发电，透平排气进入冷凝器冷却为液态，再经过增压泵升压后，返回蒸发器继续吸热，开始下一次循环。Kalina循环系统如图2所示，中低温热源在蒸发器中释放热量，氨水基本溶液在蒸发器中吸热至两相态，然后进入氨水分离器中分离成富氨蒸汽和贫氨溶液。富氨蒸汽进入氨水透平中膨胀做功，驱动发电机发电，贫氨溶液经过节流阀降压后，与透平排气重新混合成两相态氨水基本溶液。该氨水基本溶液进入冷凝器冷却为液态，然后经过增压泵升压后，返回蒸发器继续吸热，开始下一次循环。
2)制冷
中低温热源制冷主要是通过吸收式制冷循环产生冷量，工质可采用溴化锂水溶液或者氨水溶液。此处以氨水吸收式制冷循环为例，其系统如图3所示，中低温热源在发生器中释放热量，氨水溶液在发生器中吸热蒸发，产生的氨蒸气进入冷凝器冷却为液态，然后经过节流阀降压降温后，进入蒸发器吸热产生冷量，生成冷空气或者冷媒水供用户使用。发生器中剩余的稀氨溶液经过节流阀降压后，进入吸收器中吸收来自蒸发器的饱和氨气，同时放出热量被冷却水带走，重新生成的氨水溶液经过增压泵升压后，重新回到发生器中，开始下一次循环。
3)供热
中低温热源供热主要是通过吸收式热泵循环产生热能，工质可采用溴化锂水溶液或者氨水溶液。此处以氨水吸收式热泵循环为例，其系统如图4所示，氨水吸收式热泵循环需要温度一高一低两个热源，高温热源在发生器中放热，低温热源在蒸发器中放热。氨水溶液在发生器中吸热蒸发，产生的氨蒸气进入冷凝器中释放热量，然后经过节流阀降压后进入蒸发器中吸热至饱和气体。发生器中剩余的稀氨溶液经过节流阀降压后，进入吸收器中吸收来自蒸发器的饱和氨气，同时释放热量，重新生成的氨水溶液经过增压泵升压后，重新回到发生器中，开始下一次循环。用户所需热能的载流体(水或空气)依次经过吸收器和冷凝器吸热，然后送往用户使用。
但是上述对于中低温热源的利用形式较为单一，且利用率较低，无法满足当前生活中用户在不同季节下对冷、热、电等能量的不同需求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统及其工作方法，能够根据用户在不同季节下对能量的实际需求切换工作模式，满足了用户对不同种类能量的需求，实现了中低温热源的梯级利用且利用率高。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统，包括蒸汽发生器、氨水分离器、过热器、透平高压缸、透平低压缸、第一冷凝器、回热器、精馏塔、吸收器、第二冷凝器、第一蒸发器、第三冷凝器和第二蒸发器；
氨水分离器的蒸汽出口与透平高压缸连接，氨水分离器与透平高压缸之间的管路与过热器低温侧连接，透平高压缸与透平低压缸分别连接至第七三通点，第七三通点通过第二蒸发器连接至第二三通点，第二三通点与透平低压缸排汽口连接，透平高压缸与透平低压缸同轴连接有发电机；氨水分离器的液体出口连接至第三三通点，第三三通点分别与精馏塔热源入口和第五三通点连接，第三三通点与第五三通点之间的管路与回热器高温侧连接；精馏塔热源出口与第五三通点连接，第五三通点和第二三通点与第一三通点连接；第一三通点依次与第一冷凝器、回热器低温侧和蒸汽发生器低温侧连接，蒸汽发生器低温侧与氨水分离器的入口连接，回热器低温侧并联有回热器低温侧旁路；精馏塔的蒸汽出口连接至第四三通点，第四三通点分别与第二冷凝器和第三冷凝器连接；第二冷凝器与第一蒸发器连接，第三冷凝器与第二蒸发器连接，第一蒸发器和第二蒸发器均连接至第六三通点，第六三通点与吸收器的气相入口相连，精馏塔的稀氨溶液出口与吸收器的液相入口相连，吸收器的出口与精馏塔的浓氨溶液入口连接；中低温热源依次与过热器高温侧和蒸汽发生器高温侧连接；热用户回路流经吸收器和第三冷凝器后与热用户连接；冷用户回路流经第一蒸发器后与冷用户连接；
第三三通点与回热器高温侧之间设有第一阀门，第三三通点与精馏塔热源入口之间设有第二阀门，热用户回路上设有第三阀门，回热器高温侧与第五三通点之间设有第四阀门，精馏塔热源出口与第五三通点之间设有第五阀门，第四三通点与第二冷凝器之间设有第六阀门，第四三通点与第三冷凝器之间设有第七阀门，第一蒸发器与第六三通点之间设有第八阀门，第二蒸发器与第六三通点之间设有第九阀门，第七三通点与第二蒸发器之间设有第十阀门，第七三通点与透平低压缸之间设有第十一阀门，第二蒸发器与第二三通点之间设有第十二阀门，第二三通点与透平低压缸排汽口之间设有第十三阀门，回热器低温侧两端分别设有第十四阀门和第十五阀门，回热器低温侧旁路上设有第十六阀门。
优选地，第五三通点与第一三通点之间设有第一节流阀。
优选地，第一三通点与蒸汽发生器之间设有第一增压泵。
优选地，精馏塔稀氨溶液出口与吸收器的液相入口之间设有第二节流阀。
优选地，吸收器的出口与精馏塔的浓氨溶液入口之间设有第二增压泵。
优选地，第二冷凝器与第一蒸发器之间设有第三节流阀。
优选地，第三冷凝器与第二蒸发器之间设有第四节流阀。
本发明公开了上述利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的工作方法，包括：发电模式：打开第一阀门、第四阀门、第十一阀门、第十三阀门、第十四阀门和第十五阀门；关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十二阀门和第十六阀门；中低温热源依次经过热器和蒸汽发生器放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸收热量，生成两相态氨水混合物后进入氨水分离器中，分离出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液，饱和富氨蒸汽进入过热器中继续吸收热源热量至过热态，然后依次进入透平高压缸和低压缸中膨胀做功，驱动发电机产生电能；饱和贫氨溶液先经过回热器释放多余热量，再经降压后，与透平低压缸排汽重新混合成氨水基本溶液，氨水基本溶液在第一冷凝器中被冷却水冷凝为液态，升压后在回热器中回收饱和贫氨溶液的余热后，重新进入到蒸汽发生器中，完成一个循环；
冷电联供模式：打开第二阀门、第五阀门、第六阀门、第八阀门、第十一阀门、第十三阀门和第十六阀门；关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门、第七阀门、第九阀门、第十阀门、第十二阀门、第十四阀门和第十五阀门；中低温热源依次经过热器和蒸汽发生器放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸收热量，生成两相态氨水混合物，然后进入氨水分离器中，分离出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液；饱和富氨蒸汽进入过热器中继续吸收热量至过热态，然后依次进入透平高压缸和低压缸中膨胀做功，驱动发电机产生电能；饱和贫氨溶液进入精馏塔中作为热源为氨水吸收式制冷底循环提供热量，然后经过降压后与透平低压缸排汽重新混合成氨水基本溶液；氨水基本溶液在第一冷凝器中被冷凝为液态，然后经增压后，重新进入到蒸汽发生器中，完成Kalina发电顶循环；在氨水吸收式制冷底循环中，液态浓氨溶液在精馏塔中吸收热量产生氨蒸气和稀氨溶液；氨蒸气在第二冷凝器中被冷却水冷凝为液态，经降压生成低温两相态氨流体，然后进入第一蒸发器中吸热蒸发产生冷量供冷用户使用，最后生成氨蒸气进入吸收器；稀氨溶液经降压后也进入吸收器中，在吸收氨蒸气的同时被冷却为液态；吸收器中稀氨溶液和氨蒸气重新混合为初始浓氨溶液，经增压后，重新进入到精馏塔中，完成氨水吸收式制冷底循环；
热电联供模式：第二阀门、第三阀门、第五阀门、第七阀门、第九阀门、第十阀门、第十二阀门和第十六阀门；关闭第一阀门、第四阀门、第六阀门、第八阀门、第十一阀门、第十三阀门、第十四阀门和第十五阀门；中低温热源依次经过热器和蒸汽发生器放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器中吸收热量，生成两相态氨水混合物，然后进入氨水分离器中，分离出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液；饱和富氨蒸汽进入过热器中继续吸收热量至过热态，然后进入透平高压缸中膨胀做功，驱动发电机产生电能，透平高压缸排汽进入第二蒸发器中作为低温热源为氨水吸收式热泵底循环提供热量；饱和贫氨溶液进入精馏塔中作为高温热源为氨水吸收式热泵底循环提供热量，然后经过降压后，与放热后的透平高压缸排汽重新混合成氨水基本溶液，氨水基本溶液在第一冷凝器中被冷却水冷凝为液态，然后经过升压后，重新进入到蒸汽发生器中，完成Kalina发电顶循环；在氨水吸收式热泵底循环中，液态浓氨溶液在精馏塔中吸收热量产生氨蒸气和稀氨溶液；氨蒸气进入第三冷凝器中释放热量，然后经降压成为两相态氨流体，又进入第二蒸发器中吸收透平高压缸排汽的低温余热生成氨蒸气，最后进入到吸收器中；稀氨溶液经过降压后也进入吸收器中，在吸收氨蒸气的同时放出热量；冷介质在吸收器中吸收热量进行初步升温，然后进入第三冷凝器中吸收热量进行再次升温，最后供给热用户使用；而吸收器中稀氨溶液和氨蒸气重新混合为初始浓氨溶液，经过升压后，重新进入到精馏塔中，完成氨水吸收式热泵底循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统，采用氨水作为循环工质，将Kalina循环、氨水吸收式制冷循环和氨水吸收式热泵循环三者进行有机集成，形成一种用于中低温热源的新型氨水工质冷热电联供系统，可为用户提供电能、冷能和热能。以氨水混合物作为循环工质，氨水混合物属于非共沸混合物，在两相区具有温度滑移的特性，使得氨水与其它流体在换热过程中可以达到较好的温度匹配，有效减小换热过程的不可逆损失，提高整个系统的效率。而且氨水混合物还具有比焓降大、价格低廉等优点，减小了叶轮机械设备的设计尺寸，有效提高部件和系统的经济性。并且该系统具有发电、冷电和热电三种运行模式，比如我国所在地区可在春秋季节运行发电模式，在夏季运行冷电模式，在冬季运行热电模式。该系统满足了用户对不同种类能量的需求，实现了能源的梯级利用，提高了中低温热源的能源利用效率。
本发明公开了上述利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的工作方法，操作简便，具有发电、冷电和热电三种运行模式，只需通过部分管路阀门的开关组合即可实现，自动化程度高，可以根据用户的实际需求，灵活调整运行模式。
附图说明
图1为有机朗肯循环系统的示意图；
图2为Kalina循环系统的示意图；
图3为氨水吸收式制冷循环系统的示意图；
图4为氨水吸收式热泵循环系统的示意图；
图5为本发明的利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的整体结构示意图；
图6为本发明的利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的发电模式系统图；
图7为本发明的利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的冷电模式系统图；
图8为本发明的利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的热电模式系统图。
图中：1-蒸汽发生器，2-氨水分离器，3-过热器，4-透平高压缸，5-透平低压缸，6-发电机，7-第一节流阀，8-第一冷凝器，9-第一增压泵，10-回热器，11-精馏塔，12-第二节流阀，13-第二增压泵，14-吸收器，15-第二冷凝器，16-第三节流阀，17-第一蒸发器，18-第三冷凝器，19-第四节流阀，20-第二蒸发器；a～p-第一阀门～第十六阀门；A-第一三通点，B-第二三通点，C-第三三通点，D-第四三通点，E-第五三通点，F-第六三通点，G-第七三通点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图5为本发明的利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统，包括蒸汽发生器1、氨水分离器2、过热器3、透平高压缸4、透平低压缸5、第一冷凝器8、回热器10、精馏塔11、吸收器14、第二冷凝器15、第一蒸发器17、第三冷凝器18和第二蒸发器20；
氨水分离器2的蒸汽出口与透平高压缸4连接，氨水分离器2与透平高压缸4之间的管路与过热器3低温侧连接，透平高压缸4与透平低压缸5分别连接至第七三通点G，第七三通点G通过第二蒸发器20连接至第二三通点B，第二三通点B与透平低压缸5排汽口连接，透平高压缸4与透平低压缸5同轴连接有发电机6；氨水分离器2的液体出口连接至第三三通点C，第三三通点C分别与精馏塔11热源入口和第五三通点E连接，第三三通点C与第五三通点E之间的管路与回热器10高温侧连接；精馏塔11热源出口与第五三通点E连接，第五三通点E和第二三通点B与第一三通点A连接，第五三通点E与第一三通点A之间设有第一节流阀7；第一三通点A依次与第一冷凝器8、回热器10低温侧和蒸汽发生器1低温侧连接，第一三通点A与蒸汽发生器1之间设有第一增压泵9，蒸汽发生器1低温侧与氨水分离器2的入口连接，回热器10低温侧并联有回热器低温侧旁路；精馏塔11的蒸汽出口连接至第四三通点D，第四三通点D分别与第二冷凝器15和第三冷凝器18连接；第二冷凝器15与第一蒸发器17连接，第二冷凝器15与第一蒸发器17之间设有第三节流阀16，第三冷凝器18与第二蒸发器20连接，第三冷凝器18与第二蒸发器20之间设有第四节流阀19，第一蒸发器17和第二蒸发器20均连接至第六三通点F，第六三通点F与吸收器14的气相入口相连，精馏塔11的稀氨溶液出口与吸收器14的液相入口相连，精馏塔11的稀氨溶液出口与吸收器14的液相入口之间设有第二节流阀12，吸收器14的出口与精馏塔11的浓氨溶液入口连接，吸收器14的出口与精馏塔11的浓氨溶液入口之间设有第二增压泵13；中低温热源依次与过热器3高温侧和蒸汽发生器1高温侧连接；热用户回路流经吸收器14和第三冷凝器18后与热用户连接；冷用户回路流经第一蒸发器17后与冷用户连接；
第三三通点C与回热器10高温侧之间设有第一阀门a，第三三通点C与精馏塔11热源入口之间设有第二阀门b，热用户回路上设有第三阀门c，回热器10高温侧与第五三通点E之间设有第四阀门d，精馏塔11热源出口与第五三通点E之间设有第五阀门e，第四三通点D与第二冷凝器15之间设有第六阀门f，第四三通点D与第三冷凝器18之间设有第七阀门g，第一蒸发器17与第六三通点F之间设有第八阀门h，第二蒸发器20与第六三通点F之间设有第九阀门i，第七三通点G与第二蒸发器20之间设有第十阀门j，第七三通点G与透平低压缸5之间设有第十一阀门k，第二蒸发器20与第二三通点B之间设有第十二阀门l，第二三通点B与透平低压缸5排汽口之间设有第十三阀门m，回热器10低温侧两端分别设有第十四阀门n和第十五阀门o，回热器低温侧旁路上设有第十六阀门p。
上述利用中低温热源的氨水工质冷热电联供系统的原理及工作方法：
发电模式：打开第一阀门a、第四阀门d、第十一阀门k、第十三阀门m、第十四阀门n和第十五阀门o；关闭第二阀门b、第三阀门c、第五阀门e、第六阀门f、第七阀门g、第八阀门h、第九阀门i、第十阀门j、第十二阀门l和第十六阀门p；该模式的等效系统图如图6所示，中低温热源(如地热能、太阳能、工业余热等)依次经过热器3和蒸汽发生器1放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器1中吸收热量，生成两相态氨水混合物后进入氨水分离器2中，分离出饱和富氨蒸汽(上出口)和饱和贫氨溶液(下出口)，饱和富氨蒸汽进入过热器3中继续吸收热源热量至过热态，然后依次进入透平高压缸4和低压缸5中膨胀做功，驱动发电机6产生电能；饱和贫氨溶液先经过回热器10释放多余热量，再经过第一节流阀7降低压力后，与透平低压缸5排汽重新混合成氨水基本溶液，氨水基本溶液在第一冷凝器8中被冷却水冷凝为液态，经第一增压泵9升压后在回热器10中回收饱和贫氨溶液的余热后，重新进入到蒸汽发生器1中，完成一个循环；
冷电联供模式：打开第二阀门b、第五阀门e、第六阀门f、第八阀门h、第十一阀门k、第十三阀门m和第十六阀门p；关闭第一阀门a、第三阀门c、第四阀门d、第七阀门g、第九阀门i、第十阀门j、第十二阀门l、第十四阀门n和第十五阀门o；该模式的等效系统图如图7所示，可以看出，该模式下的系统主要由Kalina发电顶循环和氨水吸收式制冷底循环构成。中低温热源依次经过热器3和蒸汽发生器1放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器1中吸收热量，生成两相态氨水混合物，然后进入氨水分离器2中，分离出饱和富氨蒸汽(上出口)和饱和贫氨溶液(下出口)；饱和富氨蒸汽进入过热器3中继续吸收热量至过热态，然后依次进入透平高压缸4和低压缸5中膨胀做功，驱动发电机6产生电能；饱和贫氨溶液进入精馏塔11中作为热源为氨水吸收式制冷底循环提供热量，然后经过第一节流阀7降压后与透平低压缸5排汽重新混合成氨水基本溶液；氨水基本溶液在第一冷凝器8中被冷凝为液态，然后经过第一增压泵9升高压力后，重新进入到蒸汽发生器1中，完成Kalina发电顶循环；在氨水吸收式制冷底循环中，液态浓氨溶液在精馏塔11中吸收热量产生较高温度的氨蒸气(上出口)和较低温度的稀氨溶液(下出口)；氨蒸气在第二冷凝器15中被冷却水冷凝为液态，经第三节流阀16降压生成低温两相态氨流体，然后进入第一蒸发器17中吸热蒸发产生冷量供冷用户使用，最后生成氨蒸气进入吸收器14；稀氨溶液经第二节流阀12降压后也进入吸收器14中，在吸收氨蒸气的同时被冷却为液态；吸收器14中稀氨溶液和氨蒸气重新混合为初始浓氨溶液，经过第二增压泵13升压后，重新进入到精馏塔11中，完成氨水吸收式制冷底循环；
热电联供模式：第二阀门b、第三阀门c、第五阀门e、第七阀门g、第九阀门i、第十阀门j、第十二阀门l和第十六阀门p；关闭第一阀门a、第四阀门d、第六阀门f、第八阀门h、第十一阀门k、第十三阀门m、第十四阀门n和第十五阀门o；该模式的等效系统图如图8所示，可以看出，热电模式下的系统主要由Kalina发电顶循环和氨水吸收式热泵底循环构成。中低温热源依次经过热器3和蒸汽发生器1放热，氨水基本溶液在蒸汽发生器1中吸收热量，生成两相态氨水混合物，然后进入氨水分离器2中，分离出饱和富氨蒸汽(上出口)和饱和贫氨溶液(下出口)；饱和富氨蒸汽进入过热器3中继续吸收热量至过热态，然后进入透平高压缸4中膨胀做功，驱动发电机6产生电能，透平高压缸排汽进入第二蒸发器20中作为低温热源为氨水吸收式热泵底循环提供热量；饱和贫氨溶液进入精馏塔11中作为高温热源为氨水吸收式热泵底循环提供热量，然后经过第一节流阀7降压后，与放热后的透平高压缸4排汽重新混合成氨水基本溶液，氨水基本溶液在第一冷凝器8中被冷却水冷凝为液态，然后经过第一增压泵9升压后，重新进入到蒸汽发生器1中，完成Kalina发电顶循环；在氨水吸收式热泵底循环中，液态浓氨溶液在精馏塔11中吸收热量，产生较高温度的氨蒸气(上出口)和较低温度的稀氨溶液(下出口)；氨蒸气进入第三冷凝器18中释放热量，然后经第四节流阀19降压成为两相态氨流体，又进入第二蒸发器20中吸收透平高压缸4排汽的低温余热生成氨蒸气，最后进入到吸收器14中；稀氨溶液经过第二节流阀12降压后也进入吸收器14中，在吸收氨蒸气的同时放出热量；冷介质在吸收器14中吸收热量进行初步升温，然后进入第三冷凝器18中吸收热量进行再次升温，最后供给热用户使用；而吸收器14中稀氨溶液和氨蒸气重新混合为初始浓氨溶液，经过第二增压泵13升压后，重新进入到精馏塔11中，完成氨水吸收式热泵底循环。
在系统中，Kalina循环作为顶循环，氨水分离器2产生的饱和富氨蒸汽经过过热后，进入氨水工质透平膨胀做功，驱动发电机6产生电能，而氨水分离器2排出的饱和贫氨溶液作为底循环-氨水吸收式制冷/热泵循环的热源。氨水吸收式制冷循环和氨水吸收式热泵循环共用精馏塔11、吸收器14、增压泵和节流阀等设备，而非共用冷凝器、蒸发器和节流阀等设备，循环回路的完整性通过管路切换实现。另外，当系统处于热电模式时，Kalina循环的透平低压缸停止运行，高压缸排汽作为低温热源为氨水吸收式热泵循环供热。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
