阅读说明：本技术 一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统 (Heat-electricity-clean water co-production system based on solar energy utilization ) 是由 席奂 王美维 朱闯 陈晓弢 于 2020-08-06 设计创作，主要内容包括：一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统,将太阳能集热器采集的太阳辐射能分为三部分,一部分进入储能系统；一部分作为超临界布雷顿循环-热电联产子系统的能量来源；一部分作为超临界水氧化系统的能量来源,同时解决了用户的用电、用热和用水问题。本系统中的热负荷、电负荷及污水负荷相互耦合,互相影响,通过初始能量分配、子系统热力参数调整等方式,可实现整个系统电负荷、热负荷和污水负荷的协同控制,同时根据能量梯级原理对整个系统的低品位热量进行再利用,提高了系统能量利用率,并用CO<Sub>2</Sub>储气罐对CO<Sub>2</Sub>进行回收再利用,实现CO<Sub>2</Sub>零排放。且系统不是单一不可变的,由于子系统形式的多样性,可根据不同条件选择不同的子系统搭配方案。(A heat-electricity-clean water co-production system based on solar energy utilization divides solar radiation energy collected by a solar heat collector into three parts, and one part enters an energy storage system; one part is used as an energy source of the supercritical Brayton cycle-cogeneration subsystem; one part of the energy is used as an energy source of a supercritical water oxidation system, and the problems of electricity utilization, heat utilization and water utilization of users are solved at the same time. The heat load, the electric load and the sewage load in the system are mutually coupled and mutually influenced, the cooperative control of the electric load, the heat load and the sewage load of the whole system can be realized through the modes of initial energy distribution, subsystem thermal parameter adjustment and the like, and the low-grade heat of the whole system is recycled according to the energy step principle, so that the energy utilization rate of the system is improved, and CO is used 2 Gas storage tank pair CO 2 Recycling and reusing to realize CO 2 And (4) zero emission. And the system is not single and invariable, and different subsystem collocation schemes can be selected according to different conditions due to the diversity of subsystem forms.)

一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，涉及超临界水氧化、有机朗肯循环领域，特别涉及一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统。

背景技术

当前主要是火电厂的热电联产技术来满足用户的用电以及用热需求，但是火电厂燃烧煤碳加重了环境的负担，研究清洁能源来满足用户的需求是当下的热点，太阳能热电联产技术的应用在解决用户需求的同时，对环境也没有造成影响，但是当前对太阳能热电联产系统中集热装置所吸收的太阳辐射能的利用还没有很完善，一些低品位能量没有再利用，造成了不必要的能源浪费。

工业污水的处理一直受到社会的关注，随着工业污水排量的急剧增加，传统的污水处理技术在效率上和技术上都很难达到污水处理的要求，超临界水氧化技术可以将工业污水中的多种有机物深度氧化，使这些有机物转化成清洁的水、CO₂以及相关元素稳定的无机盐等。超临界谁氧化技术处理污水具有高效、清洁的特点。并且传统的污水处理技术并没有合理的利用废水中有机物所含有的大量化学能，在超临界水氧化过程中这些化学能在氧化过程中将释放大量的热能，合理的利用这些热能可以增加能源的利用率。

能量的利用是非常重要的，一些看似影响较小的能量如果能够在管理技术的提高下被有效的利用起来，企业和社会都受益匪浅。目前太阳能主要是用来发电，将太阳能最终转换为电能提供给用户，由于没有对能量进行梯级利用，造成了大量的能源浪费。同时，当前在对工业污水的处理过程中，一是传统污水治理技术不具有清洁性和高效性等优点，二是在利用超临界水氧化的高效技术时未能很好的利用污水中大量的有机化学能。无论是热电联产，还是污水治理，一些低品位热量都没得到合理的利用，导致不必要的能源浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统，将太阳能热电联产中的能量以及超临界水氧化中的能量进行统筹管理，系统的热负荷、电负荷及污水负荷相互耦合，互相影响，通过初始能量分配、子系统热力参数调整等方式来实现整个系统电负荷、热负荷和污水负荷的协同控制。并且利用能量梯级利用原理，对一些低品位的热能进行再利用，CO₂也进行回收再利用，实现CO₂零排放。同时解决能源问题和污水治理问题，满足用户用电、用水、用热问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统，包括太阳能集热装置29，太阳能集热装置29的出口分为三条流路：

第一条连接蓄热装置24，蓄热装置24的出口连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环；

第二条连接超临界水反应器13的热源测入口，超临界水反应器13的热源测出口连接3#回热器20的热源侧入口，3#回热器20的热源侧出口连接2#回热器19的热源侧入口，2#回热器19的热源侧出口连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环；

第三条连接蒸发器25的热源测入口，蒸发器25的热源测出口连接2#工质泵22，2#工质泵22连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环。

所述蒸发器25的冷源测出口连接3#膨胀机3的入口，3#膨胀机3的出口连接4#回热器26的热源侧入口，4#回热器26的热源侧出口连接5#回热器27的热源侧入口，5#回热器27的热源侧出口分为两条支路，一条连接1#压缩机4的入口，1#压缩机4的出口连接4#回热器26的冷源侧入口，另一条支路连接6#回热器28的热源侧入口，6#回热器28的热源侧出口连接2#压缩机5的入口，2#压缩机5的出口连接5#回热器27的冷源侧入口，5#回热器27的冷源侧出口连接4#回热器26的冷源侧入口，4#回热器26的冷源侧出口连接蒸发器25的冷源测入口完成一个循环，由此构成超临界布雷顿循环-热电联产子系统。

所述2#压缩机5可为多级压缩-级间冷却结构。

所述1#压缩机4为低压压缩机，2#压缩机5为高压压缩机，所述超临界布雷顿循环-热电联产子系统的工质为超临界CO₂，NH₃或者液氮。

所述超临界水反应器13的工质入口端连接1#回热器12的工质出口，1#回热器12的工质入口分为两条支路：第一条通过多级压缩-级间冷却结构二连接氧化气体入口，第二条通过增压泵11连接污水缓冲罐10，超临界水反应器13的排渣口连接储渣槽32，超临界水反应器13的冷源测出口连接2#膨胀机2的入口，2#膨胀机2的出口连接2#冷凝器21的入口，2#冷凝器21的排热供给热用户，其出口连接气液分离装置16，气液分离装置16的气体出口连接气体分离装置15，在气体分离装置15中完成CO₂的分离，气液分离装置16的液体出口为洁净水出口，由此构成SCWO子系统。

所述多级压缩-级间冷却结构二包括3#压缩机6，3#压缩机6的出口连接1#回热器12的工质入口，3#压缩机6的入口连接4#冷凝器31，4#冷凝器31的入口连接4#压缩机7的出口，4#压缩机7的入口连接氧化气体入口，所述增压泵11连接5#压缩机8的气体出口，5#压缩机8的入口连接氧化气体入口；所述1#回热器12的介质出口与3#回热器20的冷源侧入口连接，1#回热器12的介质入口与3#回热器20的冷源侧出口连接，1#回热器12和3#回热器20一个吸收热量一个放出热量，完成一个循环。

所述2#回热器19的冷源侧入口接1#工质泵17的出口，2#回热器19的冷源侧出口接1#膨胀机1的入口，1#膨胀机1的出口接1#冷凝器18的入口，1#冷凝器18的排热供给热用户，其出口接1#工质泵17的入口完成一个循环，由此形成ORC子系统，ORC子系统的工质为R123、R245fa或者R134a，或者为两种以上纯有机物混合而成的混合工质。

所述ORC子系统中，在1#膨胀机1和1#冷凝器18之间、1#工质泵17和2#回热器19之间添加一个共用的回热器有歧义和第一个专利相同，回热器为两个入口端两个进口端，总共添加一个即可，一个冷源一个热源，回热器中分别通入1#膨胀机1的排汽和1#工质泵17加压后的液态工质，液态工质被1#膨胀机1的排汽加热后进入2#回热器19，1#膨胀机1的排汽被液态工质冷却后进入1#冷凝器18。

本发明各膨胀机和压缩机均与发电设备9同轴相连。

与现有技术相比，本发明利用能量梯级利用原理，对整个系统包括太阳能利用中、超临界水氧化系统的反应物中以及超临界布雷顿循环中的低品位能量进行再回收利用、并且对CO₂进行回收利用，达到节能环保的效果。并且ORC系统和超临界布雷顿循环热电联产都存在不同的形式，并不是单一的，可以根据不同的需求选择不同的搭配方案，例如带回热器的ORC系统与采用单机压缩的超临界雷顿循环热电联产系统的搭配方案，或者不带回热器的ORC系统与采用多级压缩的超临界布雷顿循环热电联产系统的搭配方案等。

附图说明

图1为本发明结构示意图

其中1为1#膨胀机，2为2#膨胀机，3为3#膨胀机，4为1#压缩机，5为2#压缩机，6为3#压缩机，7为4#压缩机，8为5#压缩机，9为发电设备，10为污水缓冲罐，11为增压泵，12为1#回热器，13为超临界水反应器，14为CO₂储存罐，15为气体分离装置，16为气液分离装置，17为1#工质泵，18为1#冷凝器，19为2#回热器，20为3#回热器，21为2#冷凝器，22为2#工质泵，23为3#工质泵，24为蓄热装置，25为蒸发器，26为4#回热器，27为5#回热器，28为3#冷凝器，29为太阳能集热装置，30为定日镜，31为4#冷凝器，32为储渣槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种基于太阳能利用的热-电-清洁水联产系统，包括太阳能集热装置29，太阳能集热装置29的出口分为三条流路：

第一条连接蓄热装置24，蓄热装置24的出口连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环。

第二条连接超临界水反应器13的热源测入口，超临界水反应器13的热源测出口连接3#回热器20的热源侧入口，3#回热器20的热源侧出口连接2#回热器19的热源侧入口，2#回热器19的热源侧出口连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环。

第三条连接蒸发器25的热源测入口，蒸发器25的热源测出口连接2#工质泵22，2#工质泵22连接3#工质泵23，3#工质泵23连接太阳能集热装置29完成一个循环。

本发明联产系统需采用多级膨胀机，以三级膨胀机来说明，分别表述为膨胀一1，2#膨胀机2和3#膨胀机3。

其中，蒸发器25的冷源测出口连接3#膨胀机3的入口，3#膨胀机3的出口连接4#回热器26的热源侧入口，4#回热器26的热源侧出口连接5#回热器27的热源侧入口，5#回热器27的热源侧出口分为两条支路，一条连接1#压缩机4的入口，1#压缩机4的出口连接4#回热器26的冷源侧入口，另一条支路连接6#回热器28的热源侧入口，6#回热器28的热源侧出口连接2#压缩机5的入口，2#压缩机5的出口连接5#回热器27的冷源侧入口，5#回热器27的冷源侧出口连接4#回热器26的冷源侧入口，4#回热器26的冷源侧出口连接蒸发器25的冷源测入口完成一个循环，由此构成超临界布雷顿循环-热电联产子系统。

本发明中，2#压缩机5可为多级压缩-级间冷却结构，本实施例采用单级压缩。

超临界水反应器13的工质入口端连接1#回热器12的工质出口，1#回热器12的工质入口分为两条支路：第一条通过多级压缩-级间冷却结构二连接氧化气体入口，第二条通过增压泵11连接污水缓冲罐10，超临界水反应器13的排渣口连接储渣槽32，超临界水反应器13的冷源测出口连接2#膨胀机2的入口，2#膨胀机2的出口连接2#冷凝器21的入口，2#冷凝器21的排热供给热用户，其出口连接气液分离装置16，气液分离装置16的气体出口连接气体分离装置15，在气体分离装置15中完成CO₂的分离，气液分离装置16的液体出口为洁净水出口，由此构成SCWO子系统。

具体地，本实施例中多级压缩-级间冷却结构二采用两级压缩，包括3#压缩机6和4#压缩机7，3#压缩机6的出口连接1#回热器12的工质入口，3#压缩机6的入口连接4#冷凝器31，4#冷凝器31的入口连接4#压缩机7的出口，4#压缩机7的入口连接氧化气体入口，增压泵11连接5#压缩机8的气体出口，5#压缩机8的入口连接氧化气体入口；1#回热器12的介质出口与3#回热器20的冷源侧入口连接，1#回热器12的介质入口与3#回热器20的冷源侧出口连接，1#回热器12和3#回热器20一个吸收热量一个放出热量，完成一个循环。

2#回热器19的冷源侧入口接1#工质泵17的出口，2#回热器19的冷源侧出口接1#膨胀机1的入口，1#膨胀机1的出口接1#冷凝器18的入口，1#冷凝器18的排热供给热用户，其出口接1#工质泵17的入口完成一个循环，由此形成ORC子系统。

ORC子系统中，在1#膨胀机1和1#冷凝器18之间、1#工质泵17和2#回热器19之间添加一个共用的回热器有歧义和第一个专利相同，回热器为两个入口端两个进口端，总共添加一个即可，一个冷源一个热源，回热器中分别通入1#膨胀机1的排汽和1#工质泵17加压后的液态工质，液态工质被1#膨胀机1的排汽加热后进入2#回热器19，1#膨胀机1的排汽被液态工质冷却后进入1#冷凝器18。

本发明中，太阳能集热装置29吸收定日镜30反射的太阳光将太阳能转换为热能，并以导热油为能量运输载体，导热油可以更换为其它符合工况要求的工质，本发明以导热油进行说明。

本发明中，1#膨胀机1、2#膨胀机2、3#膨胀机3、1#压缩机4、2#压缩机5、3#压缩机6、4#压缩机7、5#压缩机8和发电设备9同轴相连，用多级膨胀机的输出功带动各压缩机运转，多余的输出功输入到发电设备9中用来发电。对污水进行增压处理的增压泵11由5#压缩机8来驱动。

在超临界布雷顿循环-CHP子系统中，工质可以采用超临界CO₂、NH₃或者液氮等符合工况要求的工质，本发明以CO₂进行说明。

在有机朗肯循环中，可以采用R123、R245fa或者R134a等符合工况要求的工质，或者两种以及多种纯有机物混合而成的符合工况要求混合工质，本发明统一用工质代表说明。

本发明各个管道上以及管道之间设有双向阀和三通阀，且均可为电磁式，并且可带有射频控制装置；各工质泵、各增压泵可带有变频设施和射频控制装置。

在此基础上，本发明能量利用机理如下：

导热油释放热量给超临界水氧化反应器1后先后经过3#回热器20和2#回热器19，将热量提供给ORC子系统和SCWO系统中的反应物，完成对低品位能量的利用。

从5#回热器27出来的CO₂分为两个部分，一部分流入3#冷凝器28中，将热量提供给用户，再经过2#压缩机5的压缩，然后流入5#回热器27吸热，再流入4#回热器26吸热，另一部分流入1#压缩机1中压缩后流入4#回热器26与前面CO₂混合，通过控制两部分能量分配，解决用户用热问题，完成对低品位能量的利用。

超临界水氧化反应器出来的工质先后通过通过2#膨胀机2和2#冷凝器21，将能量转换为电能和热能提供给用户，完成对低品位能量的利用；

在气体分离装置15后面设有CO₂缓冲罐14，可以对超临界水氧化系统中反应生成的CO₂进行回收，可以应用到本发明中超临界布雷顿-热电联产系统中作为工质，对CO₂再利用，实现CO₂零排放。

ORC子系统中，可以在1#膨胀机1和1#冷凝器18之间、1#工质泵17和2#回热器19之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入1#膨胀机1的排汽和1#工质泵17加压后的液态工质，液态工质被1#膨胀机1的排汽加热后进入2#回热器19，1#膨胀机1的排汽被液态工质冷却后进入1#冷凝器18，减少了系统的能量损失。

超临界布雷顿循环系统中，2#压缩机5可以采用多级压缩，级间冷却的方法，以二级压缩机为说明，从5#回热器27流出的一部分工质在经过3#冷凝器28的预冷却后，经过两级压缩机(低压压缩机-冷凝器中间冷却-高压压缩机)压缩后流入5#回热器27吸热，再流入4#回热器26吸热，其它工质流动没有变化，与前面说明相同。当不需要供热时，采用分流，多级压缩的方法可以有效提高循环效率。

下面结合附图进一步说明本发明的工作原理和使用步骤：

如图1所示，太阳能集热装置29吸收定日镜30反射的太阳光，以导热油为运输载体将太阳能转换成热能，打开双向阀门将导热油输入到系统中，三向阀可以控制一部分导热油进入到蓄热装置24中，将富足的太阳能储存起来，或者在其他子系统负荷小的时候将太阳能储存起来，保证阴雨天气、夜晚和季节的变化，系统可以满足电负荷和热负荷的要求，当有需求时，3#工质泵23将蓄热装置24中的导热油带入到太阳能集热装置29中，再分配到系统中；控制三向阀将部分导热油运输到超临界水反应器13中作为SCWO系统的能量来源，导热油在超临界水反应器13中热量被利用一部分，流出后能量降低经过3#回热器20放热，放出的热量由1#回热器12吸收提供给SCWO系统的反应物，导热油流出3#回热器20后经过2#回热器19再放热，热量提供给ORC子系统作为其能量来源，最后流经3#工质泵23再回到太阳能集热装置29中，开始下一个循环，3#工质泵23带动该循环导热油的流动并且控制流量来控制SCWO系统的能量供给；控制三向阀将部分导热油运输到超临界CO₂蒸发器25中，放出热量，这部分能量提供给超临界布雷顿循环-CHP子系统的能量来源，然后依次流经2#工质泵22和3#工质泵23，最后回到太阳能集热装置29中，开始下一个循环，2#工质泵22可以控制流经超临界CO₂蒸发器25的流量，以控制临界布雷顿循环的能量供给。

SCWO系统中，空气进入系统后分为两部分，一部分空气推动5#压缩机8，5#压缩机8驱动增压泵11，给从污水缓冲罐10中流出的污水加压，达到超临界水氧化反应的压力条件，为了节省压缩机的功耗，另一部分空气先进入4#压缩机7压缩，4#压缩机7流出的空气首先经过4#冷凝器31冷却，再经过3#压缩机6压缩，然后与增压泵11流出的污水混合进入1#回热器12，吸收热量，对3#回热器20放出的热量再利用，使得反应物达到高温高压、符合超临界水氧化的反应条件，进入超临界水反应器13中发生反应。反应生成的固体无机盐和其他重金属固相排放到储渣槽32中处理，反应生成的高温高压气体通过管道进入2#膨胀机2中做功，然后经过2#冷凝器21放热，水蒸气冷凝成液态水，放出的热量可以解决用户的用热问题，从2#冷凝器21出来的气体和水再气液分离装置16中分离，此时的水再经过超临界水氧化技术的处理后，可以解决用户的用水问题，液体则再经过气体分离装置15分离，将生成物中的CO₂排放到CO₂储存罐14中再利用，可作为其他子系统的工质，或其它用途，其它分离出来的气体为N₂等无害气体，排放到大气中。

ORC子系统中，工质由1#工质泵17压缩和带动，流经2#回热器19对超临界水反应器13流出的导热油的低品位热再利用，吸收热量后进入1#膨胀机1膨胀做功，1#膨胀机1的输出功用来驱动系统中压缩机和发电设备的发电，然后进入1#冷凝器18放热，放出的热量可以解决用户的用热问题，工质从1#冷凝器18流出后回到1#工质泵17开始下一个循环。同时，作为一种优选的实施例，可以在1#膨胀机1和1#冷凝器18之间、1#工质泵17和2#回热器19之间添加一个共用的回热器，回热器中分别通入1#膨胀机1的排汽和1#工质泵17加压后的液态工质，液态工质被1#膨胀机1的排汽加热后进入2#回热器19，1#膨胀机1的排汽被液态工质冷却后进入1#冷凝器18。

在超临界布雷顿循环-热电联产子系统中，CO₂工质为例，较高压力的CO₂在蒸发器25中吸收导热油的热量达到超临界状态，进入3#膨胀机3中做功，3#膨胀机3的输出功用来驱动系统中压缩机和发电设备的发电，然后依次进入4#回热器26和5#回热器27放热，从5#回热器27出来的工质分为两个流道，一部分流经1#压缩机4压缩压力升高，一部分先通过一个3#冷凝器28冷却放热，将热量提供给用户，再流经2#压缩机5压缩压力升高，再流入5#回热器27吸收前面所放出的热量，完成后两股工质再混合进入4#回热器26吸收前面所放出的热量，此时CO₂又回到高压状态，回到蒸发器25中开始下一个循环。本发明可以根据用户热量的需求量来调整流入3#冷凝器28的流量。同时为应对用户没有热需求的情况，为提高循环效率，2#压缩机5可以采用多级压缩，级间冷却的方法，以二级压缩机为说明，从5#回热器27流出的一部分工质在经过3#冷凝器28的预冷却后，经过两级压缩机(低压压缩机-冷凝器中间冷却-高压压缩机)压缩后流入5#回热器27吸热，再流入4#回热器26吸热，其它工质流动没有变化，与前面说明相同。

本发明中，某些参数的变化可以波及整个系统，例如污水流量的变化，将直接影响超临界反应器13的功率，使得通过蒸发器25进入超临界布雷顿循环-热电联产子系统的能量发生变化，影响膨胀机3输出功率变化的同时，也会使的膨胀机2的输出功率产生变化，这充分表明了系统的可变性，由于各个子系统电负荷、热负荷和污水负荷相互影响，本发明可以根据不同的需求情况来调整初始能量的分配、调整子系统热力参数来实现整个系统电负荷、热负荷和污水负荷的协同控制，并且由于各个子系统符合工况的工质的多样性、ORC系统形式和超临界布雷顿循环热电联产系统形式的多样性，使得整个系统的选择更加全面，可以应对不同的需求情况。

综上，本发明将太阳能转换的热能一部分存储起来作为备用，一部分用于超临界布雷顿循环-CHP的能量来源，一部分用于超临界水氧化系统的能量来源。将太阳能利用与污水治理相结合，将超临界布雷顿循环-CHP子系统、SCWO子系统以及ORC-CHP子系统耦合起来，统一管理，通过调节参数来协调控制各个子系统的功率输出，各个子系统相互影响，利用超临界水氧化技术高效清洁的治理污水，合理分配太阳能，同时解决用户的用电、用热和用水问题。