分布式能源站.pdf

本发明给出一种分布式能源站，它的结构包括：燃气动力装置、发电机、余热锅炉、蒸汽动力装置、压气机和凝汽器；压缩空气和天然气进入燃气动力装置，天然气燃烧膨胀做功，带动发电机对外发电；烟气进入余热锅炉放热，余热锅炉生产的高温高压蒸汽输送到蒸汽动力装置，蒸汽膨胀做功，带动压气机生产压缩空气，压缩空气送到燃气动力装置助燃；乏汽进入凝汽器，加热供热循环水管，向用户供热；乏汽在凝汽器中凝结成水，通过凝结水泵加压送回余热锅炉。燃气动力装置包括四部分：给水部件、燃气动力部件、水轮机和动力输出部件；给水部件向燃气动力部件供给动力用水，天然气进入燃气动力部件燃烧膨胀做功，促成动力用水喷射，推动水轮机旋转对外做功。

权利要求书
1.  一种分布式能源站，它的结构包括：燃气动力装置、发电机、余热锅炉、蒸汽动力装 置、压气机和凝汽器；压缩空气和天然气进入燃气动力装置，天然气燃烧膨胀做功，带动发 电机对外发电；烟气进入余热锅炉放热，余热锅炉生产的高温高压蒸汽输送到蒸汽动力装置， 蒸汽膨胀做功，带动压气机生产压缩空气，压缩空气送到燃气动力装置助燃；乏汽进入凝汽 器，加热供热循环水管，向用户供热；乏汽在凝汽器中凝结成水，通过凝结水泵加压送回余 热锅炉，其特征在于：
(1)所述燃气动力装置，它包括四部分：给水部件、燃气动力部件、水轮机和动力输出 部件；给水部件向燃气动力部件供给动力用水，天然气进入燃气动力部件燃烧膨胀做功，促 成动力用水喷射，推动水轮机旋转，再通过动力输出部件对外做功；
(2)所述蒸汽动力装置，它包括四部分：给水部件、蒸汽动力部件、水轮机和动力输出 部件，给水部件向蒸汽动力部件供给动力用水，高温高压蒸汽进入蒸汽动力部件膨胀做功， 促成动力用水喷射，推动水轮机旋转，再通过动力输出部件对外做功。

2.  按照权利要求1所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述给水部件，它的包括：水箱、给水管、给水阀和喷嘴；给水管从水箱中蓄水的底部 接出，给水阀按照设定时序控制开闭，当给水阀打开时，水箱中的蓄水通过给水管流到喷嘴； 给水部件中，除了水箱为公用外，其他部件可以有多套，即围绕着水轮机，可以有多个相同 的给水管、给水阀和喷嘴，同时工作。

3.  按照权利要求1所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述燃气动力部件，它的结构包括：天然气进气管、天然气阀、压缩空气进气管、空气 阀、点火器、排烟管；天然气通过进气管和天然气阀进入，压缩空气通过进气管和空气阀进 入，天然气和空气形成混合气体，点火器点火，混合气体燃烧爆炸，高温高压燃气推动给水 管内喷嘴前的一段水体，水体高速冲出喷嘴，进行喷射；做完功的废烟气，通过排烟管引出， 送往余热锅炉。

4.  按照权利要求1或2所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述水轮机，它的结构包括：叶轮、水斗、轮轴、蓄水池和排水管；从喷嘴冲出的水射 流，沿着叶轮轮周的切线方向，垂直喷向水斗，水斗带动叶轮轮轴旋转，轮轴通过轴头向外 输出动能；排水管将蓄水池中多余的积水排出，再通过水泵返回水箱。

5.  按照权利要求1所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述动力输出部件，它的结构包括：锥齿轮变速器、输入轴和输出轴；水轮机的输出连 接锥齿轮变速器的输入轴，经过锥齿轮变速器变速，再通过水平的输出轴输出功。

6.  按照权利要求1所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述蒸汽动力部件，它的结构包括：低压空气进气管、空气阀、高压蒸汽管、蒸汽阀、 排汽管；首先，少量低压空气通过进气管和空气阀，进入给水阀以下的给水管段中，形成一 段柱形的空气泡，紧接着，高压蒸汽通过蒸汽管和蒸汽阀陆续进入，同时膨胀，推动空气泡 和给水管内喷嘴前的一段水体，水体高速冲出喷嘴，进行喷射；乏汽送往凝汽器。

7.  按照权利要求2、3、4或6所述的一种分布式能源站，其特征在于：
所述喷嘴，它的结构包括：方形筒体、活动舌板、挡板、舌板轴、舌板弹簧、弹簧托板 和方圆变换管；喷嘴的外壳是方形筒体，筒体内有一个活动舌板，它可以绕舌板轴转动，有 舌板弹簧和弹簧托板支撑，活动舌板顺时针转动的下限是挡板；方圆变换管连接在截面为圆 形的进水管和截面为方形的方形筒体之间，而进水管和方形筒体的流道截面积相等。

说明书分布式能源站
技术领域
本发明涉及能源技术，特别是涉及到分布式能源站。
背景技术
所谓“分布式能源”是指分布在用户端的能源综合利用系统。
一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源；二次能源以分 布在用户端的热电冷联产为主，其他中央能源供应系统为辅，实现以直接满足用户多种需求 的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在环境保护上，将部分污染分 散化、资源化，争取实现适度排放的目标。
分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，可独立运行，也可并网运行，是以资源、 环境效益最大化确定方式和容量的系统，将用户多种能源需求，以及资源配置状况进行系统 整合优化，采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统，是相对于集中供能的分散式 供能方式。
国际分布式能源联盟WADE对分布式能源定义为：安装在用户端的高效冷／热电联供系统， 系统能够在消费地点(或附近)发电，高效利用发电产生的废能，生产热和电；现场端可再 生能源系统包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。
分布式能源具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，系统经济性好等特点。分 布式能源系统分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。通 过在需求现场，根据用户对能源的不同需求，实现温度对口供应能源，将输送环节的损耗降 至最低，从而实现能源利用效能的最大化。分布式能源是以资源、环境效益最大化，确定方 式和容量的系统，根据终端能源利用效率最优化确定规模。
分布式能源采用先进的能源转换技术，尽力减少污染物的排放，并使排放分散化，便于 周边植被的吸收。同时，分布式能源利用其排放量小，排放密度低的优势，可以将主要排放 物实现资源化再利用，例如：排放气体肥料化。
近年来，发达国家分布式能源发展迅猛。发达国家政府通过规划引领、技术支持、优惠政 策，以及建立合理的价格机制和统一的并网标准，有效地推动分布式能源的发展，分布式能 源系统在整个能源系统中占比不断提高，其中欧盟分布式能源占比约达10％。我国分布式能 源起步较晚，主要集中在北京、上海、广州等大城市，安装地点为医院、宾馆、写字楼和大 学城等，由于技术、标准、利益、法规等方面的问题，主要采用“不并网”或“并网不上网” 的方式运行。
分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发展方向，它具有能源利用效率高，环境负 面影响小，提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。分布式能源是最能体现节能、减排、 安全、灵活等多重优点的能源发展方式。″十二五″规划明确提出，大力促进分布式能源系统 的推广应用，国内优秀的分布式能源行业企业，愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对公 司发展环境和需求趋势变化的深入研究。
分布式能源技术是中国可持续发展的必须选择。中国人口众多，自身资源有限，按照目 前的能源利用方式，依靠自己的能源是绝对不可能支撑13亿人的“全面小康”。使用国际能 源不仅存在着能源安全的严重制约，而且也使世界的发展面临一系列新的问题和矛盾。中国 必须立足于现有能源资源，全力提高资源利用效率，扩大资源的综合利用范围，而分布式能 源无疑是解决问题的关键技术。
我国已经有多家分布式能源专业化服务公司，大部分已建项目运行良好，天然气分布式 能源在我国已具备大规模发展的条件。
发展分布式能源的重要意义有以下几方面：
(1)经济性
由于分布式能源可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，从而可 提高能源的利用效率(达70％，90％)。由于分布式电源的并网，减少或缓建了大型发电厂和高 压输电网，缓建了电网而节约投资。同时，使得输配电网的潮流减少，相应的降低了网损。
(2)环保性
因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害物的排放总量， 减轻环保的压力。大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少 了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树 本的砍伐，有利于环保。
(3)能源利用的多样性
分布式发电可利用多种能源，如清洁能源(天然气)、新能源(氢)和可再生能源(风能和太 阳能等)，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能源危机、提高能 源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。
(4)调峰作用
夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、 电三联供系统，不但可解决冬夏季的供冷与冬季的供热需要，同时也提供了一部分电力，由 此可对电网起到削峰填谷作用。此外，也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥 了天然气与电力的互补作用。
(5)安全性和可靠性
当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行， 由此可提高供电的安全性和可靠性。
(6)电力市场问题
分布式发电可以适应电力市场发展的需要，由多家集资办电，发挥电力建设市场、电力 供应市场的竞争机制。
(7)投资风险
分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免类似大型发电站建设周期带 来的投资风险。
(8)边远地区的供电问题
我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电。采用太阳能发电、 风力发电和生物质能发电的独立发电系统，不失为一种优选方法。
发明内容
本发明的目的是要给出一种分布式能源站。
一种分布式能源站，它的结构包括：燃气动力装置、发电机、余热锅炉、蒸汽动力装置、 压气机和凝汽器，压缩空气和天然气进入燃气动力装置，天然气燃烧膨胀做功，带动发电机 对外发电；烟气进入余热锅炉，余热锅炉生产的高温高压蒸汽输送到蒸汽动力装置，蒸汽膨 胀做功，带动压气机生产压缩空气，压缩空气送到燃气动力装置助燃；乏汽进入凝汽器，加 热供热循环水管，向用户供热；乏汽在凝汽器中凝结成水，通过凝结水泵加压送回余热锅炉， 其特征在于：
(1)所述燃气动力装置，它包括四部分：给水部件、燃气动力部件、水轮机和动力输出 部件，给水部件向燃气动力部件供给动力用水，天然气燃料进入燃气动力部件燃烧膨胀做功， 促成动力用水喷射，推动水轮机旋转，再通过动力输出部件对外做功；
(2)所述蒸汽动力装置，它包括四部分：给水部件、蒸汽动力部件、水轮机和动力输出 部件，给水部件向蒸汽动力部件供给动力用水，高温高压蒸汽进入蒸汽动力部件内膨胀做功， 促成动力用水喷射，推动水轮机旋转，再通过动力输出部件对外做功。
所述给水部件，它的包括：水箱、给水管、给水阀和喷嘴；给水管从水箱中蓄水的底部 接出，给水阀按照设定时序控制开闭，当给水阀打开时，水箱中的蓄水通过给水管流到喷嘴； 给水部件中，除了水箱为公用外，其他部件可以有多套，即围绕着水轮机，可以有多个相同 的给水管、给水阀和喷嘴，同时工作。
所述燃气动力部件，它的结构包括：天然气进气管、天然气阀、压缩空气进气管、空气 阀、点火器、排烟管；天然气通过进气管和天然气阀进入，压缩空气通过进气管和空气阀进 入，天然气和空气形成混合气体，点火器点火，混合气体燃烧爆炸，高温高压燃气推动给水 管内喷嘴前的一段水体，水体高速冲出喷嘴，进行喷射；做完功的废烟气，通过排烟管引出， 送往余热锅炉。
所述水轮机，它的结构包括：叶轮、水斗、轮轴、蓄水池和排水管；从喷嘴冲出的水射 流，沿着叶轮轮周的切线方向，垂直喷向水斗，水斗带动叶轮轮轴旋转，轮轴通过轴头向外 输出动能；排水管将蓄水池中多余的存水排出，再通过水泵返回水箱。
所述动力输出部件，它的结构包括：锥齿轮变速器、输入轴和输出轴；水轮机底部的轴 头连接锥齿轮变速器的输入轴，经过锥齿轮变速器变速，再通过水平的输出轴输出功。
所述蒸汽动力部件，它的结构包括：低压空气进气管、空气阀、高压蒸汽管、蒸汽阀、 排汽管；首先，少量低压空气通过进气管和空气阀，进入给水阀以下的给水管段中形成空气 泡，紧接着，高压蒸汽通过蒸汽管和蒸汽阀陆续进入，同时膨胀，推动空气泡和给水管内喷 嘴前的一段水体，水体高速冲出喷嘴，进行喷射；乏汽送往凝汽器。
所述喷嘴，它的结构包括：方形筒体、活动舌板、挡板、舌板轴、舌板弹簧、弹簧托板 和方圆变换管；喷嘴的外壳是方形筒体，筒体内有一个活动舌板，它可以绕舌板轴转动，有 舌板弹簧和弹簧托板支撑，活动舌板顺时针转动的下限是挡板，方圆变换管连接在截面为圆 形的进水管和截面为方形的方形筒体之间。
本发明的优点是：
1、用本发明的分布式能源站，大到可以为地区建热电厂，为企业建热电站，小到可以为 一家一户发电供热，可以建在任何需要热和电的地方。
2、本发明分布式能源站，设备少，发电装置体积小，重量轻，便于维护。
3、本发明的分布式能源站的水轮机是在常温下工作，不需要昂贵的耐高温合金材料；水 轮机转速低，震动较小；水轮机壳体内的水压低，壳体抗压强度要求低。
4、本发明的分布式能源站，能量转换机构简单，制造容易，投资小，操作简便，工作可 靠。
附图说明
图1是本发明分布式能源站实施例的燃气动力单元；
图2是本发明分布式能源站实施例的蒸汽动力单元；
图3是本发明分布式能源站实施例的燃气动力装置结构图；
图4是本发明分布式能源站实施例的蒸汽动力装置结构图；
图5是本发明分布式能源站实施例的动力装置的喷嘴结构图；
图6是本发明分布式能源站实施例的总体结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。
图1给出了本发明分布式能源站实施例的燃气动力单元，它包括三部分：燃气动力装置 100、发电机300和余热锅炉200。
压缩空气通过进气管110进入燃气动力装置100，天然气燃料通过燃料管120进入燃气 动力装置100。在燃气动力装置100中，天然气和空气以恰当的比例混合并燃烧，燃气膨胀 做功，产生的动力通过输出轴带动发电机300的轴旋转，发电机300发电对外输出。
在燃气动力装置100中，天然气和空气混合燃烧产生的烟气，通过烟道进入余热锅炉200， 它向余热锅炉200内的省煤器、蒸发器和过热器放热。供暖循环水从进水管210进入余热锅 炉200，供暖循环水流经余热锅炉的省煤器、蒸发器和过热器，受热蒸发，形成过热蒸汽， 过热蒸汽从出汽管220流出余热锅炉200。烟气在余热锅炉内放热后，流过烟道，通过烟囱 250向大气排放。
图2给出了本发明分布式能源站实施例的蒸汽动力单元，它包括三部分：蒸汽动力装置 400、压气机500和凝汽器600。
余热锅炉生产的过热蒸汽经过进汽管410进入蒸汽动力装置400，高温高压的过热蒸汽 在蒸汽动力装置400中膨胀做功，产生的动力通过输出轴430带动压气机500运转，压气机 500生产的压缩空气输出供给燃气动力装置。
过热蒸汽在蒸汽动力装置400中膨胀做功后，变成低温低压的乏汽，乏汽通过出汽管420 进入凝汽器600。
凝汽器600是一个间壁式汽水相变换热器，有供暖循环水从进水管620流入，被乏汽加 热后，从出水管610流出。乏汽向供暖循环水管放热，加热了供暖循环水后，乏汽凝结，乏 汽凝结水从凝汽器的排水管630流出。
图3给出了本发明分布式能源站实施例的燃气动力装置结构图，它包括四部分：给水部 件、燃气动力部件、水轮机、动力输出部件。
给水部件设在水轮机周边，它包括：水箱140、给水管142、给水阀144、喷嘴170。给 水管142从水箱140中蓄水的底部接出，给水阀144按照设定时序控制开闭，当给水阀144 打开时，水箱140中的蓄水通过给水管142流道喷嘴170。给水部件中，除了水箱140为公 用外，其他部件可以有多套，即围绕着水轮机，可以有多个相同的给水管142、给水阀144 和喷嘴170，同时工作。
燃气动力部件与给水部件一对一配合工作，两者套数相同，其中一套包括：天然气进气 管120、天然气阀125、压缩空气进气管110、空气阀115、点火器116、排烟管152。天然气 燃料按照一定比例，通过进气管120和天然气阀125进入；压缩空气也按照一定比例通过进 气管110和空气阀115进入。当天然气和空气的混合气体流经点火器116，并进入给水阀144 以下设定部分给水管段时，启动点火器116点火，天然气和空气的混合气体立刻燃烧爆炸， 高温高压燃气推动给水管142内喷嘴170前的一段水体，水体高速冲出喷嘴170，进行喷射。 做完功的废烟气，通过排烟管152引出，通过烟道，送往余热锅炉。
水轮机包括：叶轮130、水斗132、轮轴135、蓄水池150、排水管155。从喷嘴170冲 出的水射流，沿着叶轮130轮周的切线方向，垂直喷向水斗132，进行动能转换。水斗132 得到动能，带动叶轮130，连带轮轴135旋转，轮轴135通过底部的轴头，向外输出动能。 排水管155及时将蓄水池150中多余的积水排出，并通过水泵返回水箱140。
动力输出部件包括：锥齿轮变速器160、输入轴、输出轴165。水轮机的轮轴135，通过 底部的轴头连接锥齿轮变速器160的垂直的输入轴，锥齿轮变速器160在变速的同时，通过 水平的输出轴165输出功。锥齿轮变速器160的作用是：完成输入和输出的转数比，同时改 变输出作用力的方向，由垂直输入，改变到水平输出。
图4给出了本发明分布式能源站实施例的蒸汽动力装置结构图；它包括四部分：给水部 件、蒸汽动力部件、水轮机、动力输出部件。
给水部件设在水轮机周边，它包括：水箱440、给水管442、给水阀444、喷嘴470。给 水管442从水箱440中蓄水的底部接出，给水阀444按照设定时序控制开闭，当给水阀444 打开时，水箱440中的蓄水通过给水管442流到喷嘴470。给水部件中，除了水箱440为公 用外，其他部件可以有多套，即围绕着水轮机，可以有多个相同的给水管442、给水阀444 和喷嘴470，同时工作。
蒸汽动力部件与给水部件一对一配合工作，两者套数相同，其中一套包括：低压空气进 气管420、空气阀425、高压蒸汽管410、蒸汽阀415、排汽管452。首先，少量低压空气通 过进气管420和空气阀425，进入给水阀444以下给水管段中，在水管中形成一段柱形空气 泡，然后，高压蒸汽通过蒸汽管410和蒸汽阀415进入给水阀444以下给水管段中，在高压 蒸汽的陆续进入的同时，高压蒸汽膨胀做功，蒸汽流的前沿推动先前进入的空气泡，空气泡 的前沿，推动给水管442内喷嘴470前的一段水体，水体高速冲出喷嘴470，进行喷射。做 完功的废蒸汽，即乏汽，通过排汽管452引出，通过蒸汽通道，送往凝汽器。空气泡的作用 是传递蒸汽对水的推动功，同时避免蒸汽与水接触，防止二者热交换。进入给水管段的少量 低压空气，最后在凝汽器中从蒸汽中分离，被单独抽出排掉。
水轮机包括：叶轮430、水斗432、轮轴435、蓄水池450、排水管455。从喷嘴470冲 出的水射流，沿着叶轮430轮周的切线方向，垂直喷向水斗432，进行动能转换。水斗432 得到动能，带动叶轮430，连带轮轴435旋转，轮轴435通过底部的轴头，向外输出动能。 排水管455及时将蓄水池450中多余的积水排出，并通过水泵返回水箱440。
动力输出部件包括：锥齿轮变速器460、输入轴、输出轴465。水轮机的轮轴435，通过 底部的轴头连接锥齿轮变速器460的垂直的输入轴，锥齿轮变速器460在变速的同时，通过 水平的输出轴465输出功。锥齿轮变速器460的作用是：完成输入和输出的转数比，同时改 变输出作用力的方向，由垂直输入，改变到水平输出。
图5给出了本发明分布式能源站实施例的动力装置的喷嘴结构图。本发明分布式能源站 实施例的燃气动力装置和蒸汽动力装置中，在给水管进入水轮机的末端部分都有喷嘴，而且 结构和功能相同。本图图号为燃气动力装置的喷嘴图号，但以下具体性能说明同样适用蒸汽 动力装置的喷嘴。
本发明分布式能源站实施例的燃气动力装置的喷嘴170，它的结构包括：方形筒体171、 活动舌板172、挡板173、舌板轴174、舌板弹簧175、弹簧托板176、方圆变换管177。
喷嘴170的外壳是方形筒体171，筒体内有一个活动舌板172，它可以绕舌板轴174转动， 有舌板弹簧175和弹簧托板176支撑，活动舌板172顺时针转动的下限是挡板173。方圆变 换管177连接在截面为圆形的进水管142和截面为方形的方形筒体171之间。圆形的进水管 142和截面为方形的方形筒体171，二者流道截面积相等。
在膨胀的燃气推动下，做功水流进过进水管142、方圆变换管177，进入喷嘴的方形筒体 171内，推开活动舌板172，从喷嘴出口喷射出去。
活动舌板172、挡板173、舌板轴174、舌板弹簧175和弹簧托板176的组合的作用是： 当仅有常压的水流进，没有高压燃气推动时，舌板172在舌板弹簧175支撑下，封阻喷嘴出 口，阻止低压水不做功就流失；但当高压燃气推水前进时，舌板弹簧175无力继续支撑舌板 172阻止水流，高压水冲开舌板172，从喷嘴出口急速喷射，推动水轮机做功。
图6是本发明分布式能源站实施例的总体结构图。本发明分布式能源站实施例由燃气动 力单元和蒸汽动力单元组成，具体分为6部分：燃气动力装置100、发电机300、余热锅炉 200、蒸汽动力装置400、压气机500和凝汽器600。
首先，压缩空气和天然气按照设定比例，进入燃气动力装置100，随即点火，天然气燃 烧膨胀，推动水喷射，水对水轮机做功，水轮机通过输出轴带动发电机300发电。
做过功的燃气，即烟气，进入余热锅炉200，对供暖循环水进行加热，供暖循环水受热 蒸发、再过热，然后通过蒸汽管道输出。然后，烟气从余热锅炉200流出，通过烟道进入烟 囱250，排放到大气。
余热锅炉200生产的高温高压的过热蒸汽，通过蒸汽管道输送到蒸汽动力装置400。在 蒸汽动力装置400内，蒸汽膨胀做功，推动水喷射，水对水轮机做功，水轮机通过输出轴带 动压气机500，压气机500生产的压缩空气输送到燃气动力装置100，为天然气助燃。
在蒸汽动力装置400内，蒸汽膨胀推动水喷射后，变为乏汽进入凝汽器600。乏汽加热 凝汽器中的供热循环水管，供热循环水管向用户供热，具体形式可以是生活热水、建筑采暖， 或作为吸收式制冷机的热源，向用户供冷。乏汽在凝汽器中放热凝结成水后，通过凝结水泵 加压送回余热锅炉200。