[發明專利]熱電聯產系統及操作方法

有效

• 申請號: 201880024770.6
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN110770421B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 里卡爾多·康德
• 申請（專利權）人: 安內克薩能源公司
• 主分類號: F01N5/02
• 分類號: F01N5/02;F02B7/06;F02B39/08;F02B41/02;F02B63/04;F02B69/02;H02K7/18
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 劉彬

熱電聯產(CHP)系統。CHP系統包括具有空氣入口和排氣的燃燒室。燃燒室被配置為接收熱二次氣體用于燃燒。耦接到微粒分離器的熱交換器接收混合燃燒氣體并將熱量傳遞到二次氣體。CHP系統還包括渦輪機，該渦輪機被配置為接收并壓縮二次氣體并將壓縮的二次氣體引導到熱交換器，該渦輪機還被配置為接收加熱的壓縮的二次氣體并使其膨脹以由此產生功，膨脹的加熱的二次氣體還用于燃燒并調節進入熱交換器的燃燒氣體的溫度。發電機連接到渦輪機的驅動軸并且被配置為用其中產生的功來發電。

技術領域

本文描述的主題涉及熱電聯產系統，尤其涉及利用廢棄有機資源并且將其轉換為熱能的熱力系統，該熱能用于驅動耦接到熱力系統的燃氣輪機以產生用于低溫熱應用和高溫熱應用兩者的電力和高水平的可用廢熱。

背景技術

熱電聯產(CHP)系統已經以多種形式利用了100多年。最常見的是化石燃料燃燒系統，其使用例如蒸汽渦輪機、燃氣輪機以及內燃機來產生電力。來自這些系統的排熱可以用于廣泛的應用，例如加熱、冷卻，并且在廢熱溫度足夠高的一些情況下可以用于驅動第二循環。傳統CHP系統的大部分重點已經是連接到區域供熱網的大型化石燃料燃燒系統。在過去的30年中，重點轉移到較小的分布式CHP系統，其中，最終用戶可以更好地利用所生成的熱量或電力。這些系統也是化石燃料燃燒系統，其通常使用小型燃氣輪機或往復式發動機來產生電力以及來自循環的可用廢熱。盡管廢熱的質量相對較低，這限制了用于熱量的應用，但是也使用了使用有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle)的其他系統。

最近，使用可再生有機廢物流作為燃料的重點一直占主導地位，并且正在推動該技術的發展。大型生物質和城市固體廢物電力系統已經操作了數十年。由于多種原因，在小型CHP系統(例如，小于1MW的電)中利用各種有機源的能力一直具有挑戰性。已經有許多小型有機到電力轉換技術被不同程度地成功地利用。在傳統的電力系統中，將有機物氣化為合成氣已經是將固體燃料轉換為碳氫化合物氣體用于燃燒的一種方法。不幸地，這些系統可能成本高昂，尤其是當擴展到較小規模的應用時。另外，有機原料在應用中可能存在特別的挑戰。例如，取決于氣化方法和轉換效率，一些有機物中的可用的潛在能量遭受損失，其對電力和熱量的成本具有經濟影響。對于許多氣化系統，混合有機殘留物的氣化是特別有問題的。

應用于小型CHP應用的另一種方法是通過適當的燃燒器使用有機物的直接燃燒，并且通過熱交換器使用熱量來驅動外燃機。傳統的外燃系統包括斯特林循環、蒸汽朗肯、有機朗肯以及超臨界CO2循環。在所有這些系統中，排熱的溫度影響循環效率。排熱溫度越高，電力效率越低。除了蒸汽循環外，其他熱力學循環即使產生90℃的熱水時通常也會失去效率。然而，用蒸汽循環，缺點是在小型應用中與高壓蒸汽回路相關聯的復雜性和成本。

最近已經采用的另一種方法是使用開放式布雷頓循環燃氣輪機并通過熱交換器間接引入熱量。已經測試了幾個系統，其中，小型渦輪機已經耦接到有機燃燒系統。在這些系統中，環境空氣在渦輪機的壓縮機中被壓縮，并且然后被引導到回熱器以預熱壓縮機空氣。然后，壓縮的和預熱的空氣被引導到熱交換器，以通過有機燃燒系統加熱。然后，高度加熱的空氣在渦輪機中膨脹以產生功來轉動發電機并發電。繼續該循環，熱渦輪機氣體用于如前面提到的回熱器中的預熱。然后，渦輪機排氣熱氣體可以被排出或被引導到另一熱交換器，其中，燃燒空氣與排出的燃燒氣體一起被加熱并被引導到燃燒過程。在現有技術的所有配置中，渦輪機利用回熱器來預熱壓縮的環境空氣。此外，大多數現有系統采用燃燒空氣預熱器以從燃燒氣體以及渦輪機排氣中殘留的熱中回收熱量。盡管這些方法提高了熱電轉換效率，但是它需要多個熱交換器和復雜的管道用于回路中的氣體的路由，這可能降低整個系統效率。

回熱器的作用是在熱熱交換器之前提高壓縮機空氣的溫度。從膨脹渦輪機中提取熱量以預熱壓縮機空氣。壓縮機空氣通過熱熱交換器進一步加熱，其中，從燃燒氣體中提取熱量。利用該回熱器減小了熱熱交換器的尺寸。然而，它也減少了從燃燒氣體中提取的熱能的量。為了實現高熱電效率，期望從排氣燃燒氣體中回收盡可能多的熱量。由于燃燒排氣氣體不能直接反饋到燃燒系統，因此需要燃燒空氣預熱器以從排氣氣體中回收熱量。通過使用渦輪機排氣空氣作為燃燒空氣可以減少這些損失，但是這仍然需要空氣預熱器。