[发明专利]热电联产系统及操作方法

说明书

热电联产(CHP)系统。CHP系统包括具有空气入口和排气的燃烧室。燃烧室被配置为接收热二次气体用于燃烧。耦接到微粒分离器的热交换器接收混合燃烧气体并将热量传递到二次气体。CHP系统还包括涡轮机，该涡轮机被配置为接收并压缩二次气体并将压缩的二次气体引导到热交换器，该涡轮机还被配置为接收加热的压缩的二次气体并使其膨胀以由此产生功，膨胀的加热的二次气体还用于燃烧并调节进入热交换器的燃烧气体的温度。发电机连接到涡轮机的驱动轴并且被配置为用其中产生的功来发电。

技术领域

本文描述的主题涉及热电联产系统，尤其涉及利用废弃有机资源并且将其转换为热能的热力系统，该热能用于驱动耦接到热力系统的燃气轮机以产生用于低温热应用和高温热应用两者的电力和高水平的可用废热。

背景技术

热电联产(CHP)系统已经以多种形式利用了100多年。最常见的是化石燃料燃烧系统，其使用例如蒸汽涡轮机、燃气轮机以及内燃机来产生电力。来自这些系统的排热可以用于广泛的应用，例如加热、冷却，并且在废热温度足够高的一些情况下可以用于驱动第二循环。传统CHP系统的大部分重点已经是连接到区域供热网的大型化石燃料燃烧系统。在过去的30年中，重点转移到较小的分布式CHP系统，其中，最终用户可以更好地利用所生成的热量或电力。这些系统也是化石燃料燃烧系统，其通常使用小型燃气轮机或往复式发动机来产生电力以及来自循环的可用废热。尽管废热的质量相对较低，这限制了用于热量的应用，但是也使用了使用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)的其他系统。

最近，使用可再生有机废物流作为燃料的重点一直占主导地位，并且正在推动该技术的发展。大型生物质和城市固体废物电力系统已经操作了数十年。由于多种原因，在小型CHP系统(例如，小于1MW的电)中利用各种有机源的能力一直具有挑战性。已经有许多小型有机到电力转换技术被不同程度地成功地利用。在传统的电力系统中，将有机物气化为合成气已经是将固体燃料转换为碳氢化合物气体用于燃烧的一种方法。不幸地，这些系统可能成本高昂，尤其是当扩展到较小规模的应用时。另外，有机原料在应用中可能存在特别的挑战。例如，取决于气化方法和转换效率，一些有机物中的可用的潜在能量遭受损失，其对电力和热量的成本具有经济影响。对于许多气化系统，混合有机残留物的气化是特别有问题的。

应用于小型CHP应用的另一种方法是通过适当的燃烧器使用有机物的直接燃烧，并且通过热交换器使用热量来驱动外燃机。传统的外燃系统包括斯特林循环、蒸汽朗肯、有机朗肯以及超临界CO2循环。在所有这些系统中，排热的温度影响循环效率。排热温度越高，电力效率越低。除了蒸汽循环外，其他热力学循环即使产生90℃的热水时通常也会失去效率。然而，用蒸汽循环，缺点是在小型应用中与高压蒸汽回路相关联的复杂性和成本。

最近已经采用的另一种方法是使用开放式布雷顿循环燃气轮机并通过热交换器间接引入热量。已经测试了几个系统，其中，小型涡轮机已经耦接到有机燃烧系统。在这些系统中，环境空气在涡轮机的压缩机中被压缩，并且然后被引导到回热器以预热压缩机空气。然后，压缩的和预热的空气被引导到热交换器，以通过有机燃烧系统加热。然后，高度加热的空气在涡轮机中膨胀以产生功来转动发电机并发电。继续该循环，热涡轮机气体用于如前面提到的回热器中的预热。然后，涡轮机排气热气体可以被排出或被引导到另一热交换器，其中，燃烧空气与排出的燃烧气体一起被加热并被引导到燃烧过程。在现有技术的所有配置中，涡轮机利用回热器来预热压缩的环境空气。此外，大多数现有系统采用燃烧空气预热器以从燃烧气体以及涡轮机排气中残留的热中回收热量。尽管这些方法提高了热电转换效率，但是它需要多个热交换器和复杂的管道用于回路中的气体的路由，这可能降低整个系统效率。

回热器的作用是在热热交换器之前提高压缩机空气的温度。从膨胀涡轮机中提取热量以预热压缩机空气。压缩机空气通过热热交换器进一步加热，其中，从燃烧气体中提取热量。利用该回热器减小了热热交换器的尺寸。然而，它也减少了从燃烧气体中提取的热能的量。为了实现高热电效率，期望从排气燃烧气体中回收尽可能多的热量。由于燃烧排气气体不能直接反馈到燃烧系统，因此需要燃烧空气预热器以从排气气体中回收热量。通过使用涡轮机排气空气作为燃烧空气可以减少这些损失，但是这仍然需要空气预热器。