一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统

摘要

一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，包括：燃气轮机发电机组、余热利用装置、太阳能集热系统等，其中，天然气顺次经过两级天然气加热器后进入燃烧室；空气经过压气机后进入燃烧室，空气与天然气在燃烧室内燃烧后进入燃气透平；燃气透平排气进入余热利用装置，余热利用装置的排气进入大气；太阳能集热系统产生的热水作为第一级天然气加热器的热源，余热利用装置产生的热水作为第二级天然气加热器的热源；天然气优先在第一级加热器中加热至额定温度，不足部分在第二级加热器中加热；热水用户的热水需求优先由余热利用装置满足，不足部分由太阳能集热系统提供；蒸汽用户的蒸汽需求由余热利用装置产生并满足。

权利要求

1.一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，其特征在于，包括燃气轮机发电机组、余热利用装置(4)、太阳能集热系统(5)、储热水箱(6)、热水用户(7)、蒸汽用户(8)以及天然气加热器；其中，燃气轮机发电机组上设置有天然气入口、空气入口以及排气口，天然气加热器上设置有天然气出入口，天然气加热器的出口连接至燃气轮机发电机组的天然气入口，燃气轮机发电机组的排气口连接至余热利用装置(4)的排气入口，余热利用装置(4)上设置有排气排空出口；

太阳能集热系统(5)与储热水箱(6)之间组成热水循环系统，储热水箱(6)与天然气加热器之间、储热水箱(6)与热水用户(7)之间均组成热水循环系统；热水用户(7)与余热利用装置(4)之间组成热水循环系统，余热利用装置(4)与天然气加热器之间组成热水循环系统，且余热利用装置(4)上设置有蒸汽出口，该蒸汽出口连接至蒸汽用户(8)；

燃气轮机发电机组包括依次连接的压气机(1)、燃烧室(2)、燃气透平(3)和发电机(11)，其中，压气机(1)上设置有空气入口，燃烧室(2)上设置有天然气入口，燃气透平(3)上设置有排气口，且燃气透平(3)用于驱动发电机(11)发电；

天然气加热器包括依次连接的第一级天 然气加热器(9)和第二级天然气加热器(10)，储热水箱(6)与第一级天 然气加热器(9)之间组成热水循环系统，余热利用装置(4)与第二级天然气加热器(10)之间组成热水循环系统；

工作时，天然气经过天然气加热器后进入燃烧室(2)；空气经过压气机(1)后进入燃烧室(2)，空气与天然气在燃烧室(2)内燃烧后进入燃气透平(3)；燃气透平(3)排气进入余热利用装置(4)，余热利用装置(4)的排气进入大气；太阳能集热系统(5)产生热水进入储热水箱(6)，热水在储热水箱(6) 与天然气加热器之间、储热水箱(6)与热水用户(7)之间、热水用户(7)与余热利用装置(4)之间、余热利用装置(4)与天然气加热器之间循环，且余热利用装置(4)为蒸汽用户(8)提供水蒸汽。

2.根据权利要求1所述的一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，其特征在于，余热利用装置(4)为余热锅炉或余热锅炉和汽轮机发电机组的组合。

3.根据权利要求1所述的一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，其特征在于，太阳能集热系统(5)采用真空管或平板型太阳能集热系统。

4.根据权利要求1所述的一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，其特征在于，储热水箱(6)与天然气加热器之间组成的热水循环系统管道上设置有第一阀门(101)，储热水箱(6)与热水用户(7)之间组成的热水循环系统管道上设置有第二阀门(102)和第三阀门(103)，热水用户(7)与余热利用装置(4)之间组成的热水循环系统管道上设置有第四阀门(104)和第五阀门(105)，余热利用装置(4)与天然气加热器之间组成的热水循环系统管道上设置有第六阀门(106)。

说明书

一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统

技术领域：

[0001] 本发明属于能源利用技术领域，具体涉及一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统。背景技术：

[0002] 分布式能源系统是相对于传统集中式供能方式而言的供能系统，分布式能源系统直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，是具有多种功能，可满足多重目标的能量转换利用系统。与传统集中式供能方式相比，分布式能源接近用户侧，不需要建设大电网、大热网，避免了能源的远距离输送，可节省建设投资，并减少了线路损失和运行费用。分布式能源可以有分布式光伏、分布式风能、天然气分布式能源系统(也称天然气冷热电三联供系统)等多种形式。天然气分布式能源系统由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、吸收式热泵和制冷机等设备组成，其兼备发电、供热、制冷等多种能源供应功能，可以有效实现能源的梯级利用，达到超过70％的能源综合利用率。相比其他分布式能源系统，天然气分布式能源系统具有能量输出稳定且多样的优势，尤其适合于具有多种能源需求(电力、热水、冷水、蒸汽等)的工业园区和建筑群。

[0003] 燃气轮机是天然气分布式能源系统的关键设备，通常为满足燃气轮机对天然气燃料品质的要求，会在天然气外部管网和燃气轮机之间设置调压站和前置预处理模块。调压站主要对进厂的天然气进行粗过滤和调压，前置预处理模块主要包括天然气精过滤和加热单元。天然气温度是燃料品质的关键参数，影响天然气分布式能源系统的安全和高效运行，主要有两方面原因：一是由于焦耳-汤普森效应，天然气会在调压站降压过程中降温，容易产生凝析水或使碳氢化合物液化，会对输送设备造成损伤或使管道外表面结冰，因此燃气轮机厂商均会要求机组的燃料入口温度在一定范围内，而不同机型的具体要求有所不同，例如GE PG6581B机组要求燃料入口温度至少超过天然气露点28℃，但最高温度不超过125℃，GE PG9171E要求燃料入口温度至少超过天然气露点28℃，但最高温度不超过70℃；二是燃气轮机的热效率和燃烧室的动态特性受天然气温度影响很大，因此天然气在进入燃烧室之前必须精确控制温度，例如GE采用DLN2.0+燃烧系统的9F机型(典型如9F.03，9F.05等)，其要求在机组并网之前采用电加热器进行天然气加热，当机组并网后投入天然气性能加热器，最终使天然气温度达到额定运行参数185℃。

[0004] 现有天然气加热技术主要采用电加热、水浴加热、汽轮机抽汽加热、余热锅炉出口热水加热等方式。这几种加热方式均为高能低用，最终均会消耗高品位的化石能源，降低了天然气分布式能源系统或联合循环发电系统的能源利用率。

[0005] 太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，其开发利用被世界各国公认为能源战略的重要组成部分。太阳能热利用是太阳能利用的主要方式之一。按照工质的温度，太阳能热利用可分为低温、中温、高温三种类型。由于太阳辐射具有分散性强，能流密度低的特点，适合输出得到中低温热源，因此中、低温热利用是目前太阳能低成本、规模化应用最重要的领域。太阳能集热技术是太阳能中、低温热利用技术的一种，主要包括真空管集热和平板集热两种方式，其技术成熟且节能效果显著，现已广泛应用于我国居民热水供应领域。但由于太阳能存在自身连续性差的特点，难以保证可靠的热源输出，若用于区域供热，蓄热系统将十分庞大，且由于所输出的热源品位较低，难以获得低成本的高效利用。发明内容：

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统。该系统以能的梯级利用为原则，通过太阳能集热器产生中低温热水，加热燃气轮机所需的天然气，使低品位热能进入高温布雷顿循环，提高了中低温太阳能的应用能级，并与余热利用装置一起满足用户侧终端热负荷需求，达到可再生能源与天然气分布式能源的优势互补，获得稳定的太阳能热利用，降低了化石能源的消耗，提高了分布式能源系统的经济性。

[0007] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现的：

[0008] 一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，包括燃气轮机发电机组、余热利用装置、太阳能集热系统、储热水箱、热水用户、蒸汽用户以及天然气加热器；其中，[0009] 燃气轮机发电机组上设置有天然气入口、空气入口以及排气口，天然气加热器上设置有天然气出入口，天然气加热器的出口连接至燃气轮机发电机组的天然气入口，燃气轮机发电机组的排气口连接至余热利用装置的排气入口，余热利用装置上设置有排气排空出口；

[0010] 太阳能集热系统与储热水箱之间组成热水循环系统，储热水箱与天然气加热器之间、储热水箱与热水用户之间均组成热水循环系统；热水用户与余热利用装置之间组成热水循环系统，余热利用装置与天然气加热器之间组成热水循环系统，且余热利用装置上设置有蒸汽出口，该蒸汽出口连接至蒸汽用户。

[0011] 本发明进一步的改进在于，燃气轮机发电机组包括依次连接的压气机、燃烧室、燃气透平和发电机，其中，压气机上设置有空气入口，燃烧室上设置有天然气入口，燃气透平上设置有排气口，且燃气透平用于驱动发电机发电。

[0012] 本发明进一步的改进在于，天然气加热器包括依次连接的第一级然气加热器和第二级天然气加热器，储热水箱与第一级然气加热器之间组成热水循环系统，余热利用装置与第二级天然气加热器之间组成热水循环系统。

[0013] 本发明进一步的改进在于，余热利用装置为余热锅炉或余热锅炉和汽轮机发电机组的组合。

[0014] 本发明进一步的改进在于，太阳能集热系统采用真空管或平板型太阳能集热系统。

[0015] 本发明进一步的改进在于，储热水箱与天然气加热器之间组成的热水循环系统管道上设置有第一阀门，储热水箱与热水用户之间均组成的热水循环系统管道上设置有第二阀门和第三阀门，热水用户与余热利用装置之间组成的热水循环系统管道上设置有第四阀门和第五阀门，余热利用装置与天然气加热器之间组成的热水循环系统管道上设置有第六阀门。

[0016] 本发明进一步的改进在于，工作时，天然气经过天然气加热器后进入燃烧室；空气经过压气机后进入燃烧室，空气与天然气在燃烧室内燃烧后进入燃气透平；燃气透平排气进入余热利用装置，余热利用装置的排气进入大气；太阳能集热系统产生热水进入储热水箱，热水在储热水箱与天然气加热器之间、储热水箱与热水用户之间、热水用户与余热利用装置之间、余热利用装置与天然气加热器之间循环，且余热利用装置为蒸汽用户提供水蒸汽。

[0017] 相对于现有技术。本发明的有益效果是：

[0018] 本发明采用太阳能、天然气相耦合的分布式供能方式，利用天然气分布式能源输出稳定的特点，使太阳能获得稳定利用，解决了单独太阳能供能系统持续性差，蓄热系统庞大的缺点。

[0019] 本发明相比单独的天然气分布式能源系统，在获得相同的电、热(冷)输出的情况下，以可再生能源供热(冷)，替代部分化石能源消耗，达到节能减排的有益效果。

[0020] 本发明采用太阳能加热天然气，可以减少天然气加热单元化石能源的消耗，如采用GE PG6581B燃气轮机和双压非再热蒸汽系统的区域型分布式能源系统，原天然气加热单元采用低压省煤器出口热水为热媒将天然气从25℃加热到125℃，当加热单元改由太阳能为热源时，系统发电效率可提高约0.1个百分点，按年利用小时数5000计算，年可节约天然气约7万方。

[0021] 本发明将太阳能集热系统获得的低品位热能优先输入燃气轮机的高温布雷顿循环发电，提高了中、低温太阳能的应用能级，实现了低温热能的跨级利用，提高了分布式能源系统的发电效率，如采用GE PG6581B燃气轮机和双压非再热蒸汽系统的区域型分布式能源系统，可利用太阳能将天然气从25℃加热到125℃，相比天然气温度为25℃的工况，天然气加热后系统发电效率可以提高0.2个百分点。

[0022] 综上所述，本发明采用太阳能与天然气相耦合的供能方式，利用天然气分布式能源输出稳定的特点，使太阳能获得稳定利用，解决了单独太阳能供能系统持续性差、蓄热系统庞大的缺点；相比单独的天然气分布式能源系统，在获得相同的电、热(冷)输出的情况下，以可再生能源供热(冷)，替代了部分化石能源消耗；以能的梯级利用为原则，使中、低温太阳能获得跨级利用，通过太阳能加热天然气，降低了天然气加热单元的能耗，提高了分布式能源系统的发电效率；本发明实现了可再生能源与化石能源的优势互补，具有节能与环保的双重效益。附图说明：

[0023] 图1是本发明一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统的结构框图。

[0024] 图中：1、压气机；2、燃烧室；3、燃气透平；4、余热利用装置；5、太阳能集热系统；6、储热水箱；7、热水用户；8、蒸汽用户；9、第一级天然气加热器；10、第二级天然气加热器；11、发电机；101～106、第一阀门至第六阀门。具体实施方式：

[0025] 下面将结合附图及实施例对本发明作详细的介绍：

[0026] 如图1所示，本发明所述一种耦合太阳能的天然气分布式能源系统，包括：燃气轮机发电机组、余热利用装置4、太阳能集热系统5、储热水箱6、热水用户7、蒸汽用户8、第一级天然气加热器9、第二级天然气加热器10以及阀门101-106，燃气轮机发电机组包括顺次连接的压气机1、燃烧室2、燃气透平3和发电机11；其中，天然气经过第一级天然气加热器9和第二级天然气加热器10后进入燃烧室2；空气经过压气机1后进入燃烧室2，空气与天然气在燃烧室2内燃烧后进入燃气透平3；燃气透平3排气进入余热利用装置4，余热利用装置4的排气进入大气；太阳能集热系统5产生热水进入储热水箱6，储热水箱6与第一级天然气加热器9相连。所述热水用户7至少通过第四阀门104和第五阀门105与余热利用装置4相连；所述热水用户7至少通过第二阀门102和第三阀门103与储热水箱6相连；所述蒸汽用户8与余热利用装置4相连；所述第二级天然气加热器10至少通过第六阀门106与余热利用装置4相连。

[0027] 所述余热利用装置4可以单独为余热锅炉或余热锅炉和汽轮机发电机组的组合。

[0028] 所述第一级天然气加热器9以太阳能集热器产生的热水为热源，所述第二级天然气加热器10以余热利用装置所产生的热水为热源。天然气优先在所述第一级天然气加热器9中加热至额定温度，所述太阳能集热系统5产生的热水不足时，通过调节第六阀门106使天然气在第二级天然气加热器10内加热至额定温度。

[0029] 所述太阳能集热系统5采用真空管或平板型太阳能集热方式。

[0030] 太阳能具有再生性好但持续性差的特点，天然气具有再生性差但持续性好的特点，本发明实现了可再生能源与化石能源的优势互补，提高了中、低温太阳能的应用能级，使太阳能得到稳定和高效利用，降低了天然气加热单元能耗，提高了天然气分布式能源系统的热效率，具有节能与环保的双重效益。

[0031] 本发明的工作过程如下：

[0032] 如图1所示，空气经过压气机1后形成高压空气进入燃烧室2，与天然气燃烧后产生高温高压烟气进入燃气透平3做功，燃气透平3带动发电机11发电。随后，烟气进入余热利用装置4进行余热利用，经降温后排入大气。

[0033] 水在余热利用装置4内吸收烟气余热，产生热水通过第四阀门104和第六阀门106分别供给热水用户7和第二级天然气加热器10，并且产生蒸汽供给蒸汽用户8；热水分别在热水用户7和第二级天然气加热器10内经换热冷却后，返回至余热利用装置4。

[0034] 水在太阳能集热系统5内吸收太阳热能，形成中低温热水进入储热水箱6，储热水箱6内热水达到一定温度后分为两路，一路通过第一阀门101向第一级天然气加热器9提供热源水，另一路通过第二阀门102向热水用户7提供热源水；热水在第一级天然气加热器9和热水用户7内经换热冷却后，返回至储热水箱6。

[0035] 天然气经过调压站和精过滤器后进入第一级天然气加热器9，在天然气加热器9内吸收太阳能集热系统5所产生中低温热水的热能，经加热后进入第二级天然气加热器10，在天然气加热器10内吸收余热利用装置4所产生的热水热能，被加热至额定温度后进入燃烧室2。

[0036] 天然气加热的用热需求由两路热源保证，一路来自余热利用装置4，另一路来自储热水箱6，通过第一阀门101和第六阀门106的开度分别调节两路热源流量；运行原则为优先开启第一阀门101，以利用储热水箱6内的热源水，不足部分通过开启第六阀门106来满足。

[0037] 热水用户7的用热需求由两路热源保证，一路来自余热利用装置4，另一路来自储热水箱6，通过第四阀门104和第二阀门102的开度分别调节两路热源流量；运行原则为优先开启第四阀门104，以利用余热利用装置4产生的热水，不足部分通过开启第二阀门102来满足。