CN104197396A - 热电厂余热转季节利用方法及系统 - Google Patents
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Abstract
热电厂余热转季节利用方法及系统，属于能源利用领域，本发明为解决无论是将建筑物夏天的制冷产生的热量储存起来用于冬季供暖，还是在夏天将太阳能热水器采集的热量储存起来，用于冬季供暖，其供热规模均有限，无法满足我国北方地区城市众多居住建筑的供暖需求的问题。本发明方案，根据土壤蓄热原理，通过垂直U型管换热器，在非供暖期，将电厂在非采暖季通过冷却塔排放到大气中的热量，利用U型管换热器蓄存到土壤中；在供暖期间，运用热泵技术，通过U型管换热器将储存在土壤中的热量转换为可以直接利用的高位能源，加热城市供热系统的回水，用于城市供暖，实现电厂余热的转季利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种余热利用方法，属于能源利用领域。
背景技术
我国北方传统采暖地区气温较低，为保证此地区居民的正常生活和工作，各地建有大量热电厂。热电联产机组供热量占供暖需热量的比例逐年增大。由于我国城市建筑发展迅速，热电厂建设投资高、周期长，建设速度跟不上城市供热的需求，致使有些城市出现能源供需矛盾非常突出问题。
以发电效率较高的凝气式热电厂为例，来自锅炉的高压蒸汽进入汽轮机发电后的乏汽，多采用冷却水冷却，冷却余热温度较低(一般冬季20～35℃)，一般未能很好利用，大多通过冷却塔排放到的大气中，如图1所示，图中标识有汽轮机11、发电机12、凝汽器13、冷却水循环泵14、冷却塔15、供热首站16和热网循环泵17。据不完全统计，每年我国三北地区凝汽式发电厂产生约5.5×108GJ的余热量，因未被利用而直接排放到环境中。充分挖掘现有热电联产热源的能力，寻找利用热电厂循环水余热的方法，可以缓解目前城市建筑对供暖能耗需求的矛盾。
电厂循环水余热由于温度低，达不到直接供热的品位，需要设法适当提高温度。目前采用的方法有两种：(1)采用汽轮机组低真空运行的方法，提高凝汽式汽轮机的排气压力，将凝汽器水温提高到60～80℃，用来加热循环冷却水作为热网热水，如图2所示，图中标识有汽轮机21、发电机22、凝汽器23、凝结水泵24、循环水泵25、尖峰加热器26和补水泵27；(2)以电厂循环水作为低位热源，利用热泵技术提取其热量后向高温热网供热。热泵可以采用电动热泵，利用电力作为驱动热源，如图3所示，图中标识有汽轮机31、发电机32、凝汽器33、冷却水循环泵34、冷却塔35、供热首站36和热泵37；热泵可以采用吸收式，利用蒸汽或燃气作为驱动热源，如图4所示，图中标识有汽轮机41、发电机42、凝汽器43、冷却水循环泵44、冷却塔45、供热首站46和吸收式热泵47。
目前采用的汽轮机组低真空循环水供热技术及热泵回收余热技术，解决了冬季热电厂余热利用问题。但是在非采暖季，热电厂的余热尚需要通过冷却塔排放到的大气中，不但造成了能源的浪费，也造成环境热污染。
减少热电厂夏季排放到大气中的余热，寻找利用热电厂循环水余热转季利用的方法，可以提高能源利用率，减少城市能源消耗，减低由于城市冬季供暖造成的环境污染。
目前国内外能源跨季节应用技术研究，主要为了解决可再生能源的开采、转换、运输和利用过程中，在能量的供应和需求之间存在的数量上、时间上的差异问题。能源的跨季节应用研究国内外大多集中在太阳能利用方面。国际能源署IEA于1981年启动了跨季节蓄热太阳能集中供热系统研究，并先后在德国、瑞典、荷兰、丹麦等过建成跨季节蓄热太阳能供热系统。图5为国外采用的跨季节蓄热太阳能集中供热系统图，主要由太阳能集热器51、蓄热装置52、热交换站53、供热中心54及热力管网55组成。
能源跨季节应用技术研究的规模较小，多以单栋建筑为主。研究内容大体上有两种：
第一种研究单栋建筑物与土壤源热泵结合，在冬天，将地下的热量抽出送到室内的同时在土壤中蓄存冷量，以备夏天用；在夏天，热量从建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬天用。
地源热泵有较好的节能性，但在我国北方地区由于冬季供热需要热量较多，从地下的取热量较大，单纯利用土壤源热泵从土壤中取热，地下土壤处于热量收支不平衡的状态，长期运行会破坏地下的温度场，从而导致土壤温度逐年减低，热泵系统的COP(制热性能系数)下降，供热量不足。第二种研究主要是将太阳能集热器及土壤源热泵结合，为建筑物提供热量。在冬天，将土壤的热量通过热泵提出来，送到室内供暖；在夏天通过热泵埋管将太阳能热水器采集的热量排入地下，用以恢复冬季供暖降低的土壤温度。
由于受到建筑条件、太阳能集热器的面积等因素限制，因此无论是将建筑物夏天的制冷产生的热量储存起来用于冬季供暖，还是在夏天将太阳能热水器采集的热量储存起来，用于冬季供暖，其供热规模均有限，无法满足我国北方地区城市众多居住建筑的供暖需求。
发明内容
本发明目的是为了解决无论是将建筑物夏天的制冷产生的热量储存起来用于冬季供暖，还是在夏天将太阳能热水器采集的热量储存起来，用于冬季供暖，其供热规模均有限，无法满足我国北方地区城市众多居住建筑的供暖需求的问题，提供了一种热电厂余热转季节利用方法及系统。
本发明所述热电厂余热转季节利用方法，该方法包括非供暖期和供暖期两个阶段：
非供暖期：汽轮机排放的蒸汽通过凝汽器，并排入热电厂的凝结水系统；同时，将进入凝汽器的循环冷却水加热；经凝汽器加热后的循环冷却水分成两部分，其中一部分循环冷却水进入设置在土壤中的多组U型管换热器，将热量储存在土壤中，降温后的循环冷却水沿着管道流动，进入循环冷却水水池；
另一部分循环冷却水进入冷却塔进行冷却，冷却塔冷却后的水排入循环冷却水水池；循环冷却水水池中的循环冷却水通过管道被冷却水循环泵送入凝汽器进行换热，在凝汽器换热后的循环冷却水沿着管道流动，完成一个循环；
供暖期：关闭凝汽器输出的循环冷却水流入U型管换热器的管路，关闭U型管换热器流入循环冷却水水池的管路；
将通过U型管换热器升温后的循环液用移季利用循环泵送到移季利用热泵机组；降温后的循环液流入U型管换热器，从土壤中吸收热量升温后进入下一个循环；
热网的循环水被热网循环泵送至移季利用热泵机组，从移季利用热泵机组吸热升温后的循环水流入建筑物中的末端装置；经过末端装置降温后的热网水被热网循环泵送入移季利用热泵机组，进入下一个利用余热循环。
实现所述热电厂余热转季节利用方法的系统，包括循环冷却水水池、冷却塔、凝汽器和汽轮机，
该系统还包括多组U型管换热器、移季利用热泵机组和末端装置；末端装置设置在建筑物内；多组U型管换热器设置在土壤内；
汽轮机的蒸汽排放口通过管道与凝汽器的蒸汽入口相连通，凝汽器的冷凝水出口通过管道与热电厂的凝结水系统相连；冷却水循环泵A的出水口通过管道与凝汽器的循环冷却水入口相连通，凝汽器的循环冷却水出口通过管道与阀门f的入口相连通；阀门f的出口通过管道同时与阀门d的入口和阀门e的入口相连通；阀门e的出口与多组U型管换热器的蓄热入口相连通；阀门d的出口通过管道同时与阀门a的入口和阀门n的入口相连通；阀门a的出口通过管道与冷却塔的入口相连通；阀门n的出口通过管道同时与阀门b的入口和阀门c的出口相连通；阀门b的出口通过管道与循环冷却水水池的入口相连通，循环冷却水水池的出口通过管道与冷却水循环泵A的入水口相连通；
阀门c的入口通过管道与多组U型管换热器的蓄热出口相连通；多组U型管换热器的取热出口通过管道与阀门m的入口相连通，阀门m的出口通过管道与移季利用循环泵B的入水口相连通，移季利用循环泵B的出水口通过管道与移季利用热泵机组的取热入口相连通；移季利用热泵机组的取热出口通过管道、阀门k与多组U型管换热器的取热入口相连通；
末端装置的热网水出口通过管道与热网循环泵C的入水口相连通，热网循环泵C的出水口通过管道与移季利用热泵机组的换热入口相连通，移季利用热泵机组的换热出口通过阀门i和阀门r与末端装置的热网水入口相连通。
本发明的优点：本发明方法根据土壤蓄热原理，在非供暖期，将电厂在非采暖季排放的余热利用U型管换热器蓄存到地下土壤中；供暖期间，运用热泵技术，通过U型管换热器将储存在土壤中的热量提取出来，用于城市供热。
本发明将电厂夏季通过冷却塔排放到环境中的热量转移到冬季用于城市供热，热泵系统COP可达到3.3～3.8。解决了我国北方地区土壤源热泵利用中土壤热量收支不平衡、土壤温度逐年减低，供热量逐年不足的问题；解决了太阳能与热泵组合蓄热技术规模小，无法满足城市集中供热要求的问题。不但节约了城市供热能耗，减少循环冷却水损失，而且可以减少由于冷却塔排热造成的环境热污染。
以300MW机组为例，每年可以将冷却塔损失的500万吨水节约下来。一个位于哈尔滨地区，循环冷却水量为1200t/h的机组，采用本发明每年可以节约标煤14500吨。
附图说明
图1是背景技术中所述常规热电厂供热系统的结构示意图；
图2是背景技术中所述凝汽式汽轮机低真空运行系统的结构示意图；
图3是背景技术中所述电动热泵余热利用系统的结构示意图；
图4是背景技术中所述吸收式热泵余热利用系统的结构示意图；
图5是背景技术中所述跨季节蓄热太阳能集中供热系统的结构示意图；
图6是本发明所述热电厂余热转季节利用系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式所述热电厂余热转季节利用方法，该方法包括非供暖期和供暖期两个阶段：
非供暖期：汽轮机排放的蒸汽通过凝汽器，并排入热电厂的凝结水系统；同时，将进入凝汽器的循环冷却水加热；经凝汽器加热后的循环冷却水分成两部分，其中一部分循环冷却水进入设置在土壤中的多组U型管换热器，将热量储存在土壤中，降温后的循环冷却水沿着管道流动，进入循环冷却水水池；
另一部分循环冷却水进入冷却塔进行冷却，冷却塔冷却后的循环冷却水排入循环冷却水水池；循环冷却水水池中的循环冷却水通过管道被泵送入凝汽器进行换热，在凝汽器换热后的循环冷却水沿着管道流动，完成一个循环；
供暖期：关闭凝汽器输出的循环冷却水流入U型管换热器的管路，关闭U型管换热器流入循环冷却水水池的管路；
将通过U型管换热器升温后的循环液用移季利用循环泵B送到移季利用热泵机组；降温后的循环液流入U型管换热器，从土壤中吸收热量升温后进入下一个循环；
热网循环水被热网循环泵送至移季利用热泵机组，从移季利用热泵机组吸热升温后的热网循环水流入建筑物中的末端装置；经过末端装置降温后的热网循环水被热网循环泵送入移季利用热泵机组，进入下一个利用余热循环。
本发明方法根据土壤蓄热原理，通过垂直U型管换热器，在非供暖期，将电厂在非采暖季通过冷却塔排放到大气中的热量，利用U型管换热器蓄存到土壤中；在供暖期间，运用热泵技术，通过U型管换热器将储存在土壤中的热量转换为可以直接利用的高位能源，加热城市供热系统的回水，用于城市供暖，实现电厂余热的转季利用。
本发明提出的余热转季利用技术，回收了电厂在非采暖季排放的余热，提高了电厂的能源利用率，减少了对环境的污染，解决了我国北方地区土壤源热泵利用中土壤热量收支不平衡、土壤温度逐年减低、热泵系统逐年COP下降，供热量逐年不足的问题；解决了太阳能与热泵组合蓄热技术的规模无法满足集中供热要求问题。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，在供暖期还包括以下过程：从移季利用热泵机组吸热升温后的热网循环水经过尖峰加热器后进一步加热后，再流进入建筑物中的末端装置。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，在供暖期还包括以下过程：供暖期凝汽器排出的循环冷却水一部分经过冬季余热利用热泵机组降温后再回流至冷却塔；
热网循环水的一部分被热网循环泵送至移季利用热泵机组，还有另一部分被热网循环泵送至冬季余热利用热泵机组升温后，再与从移季利用热泵机组吸热升温后的热网循环水汇合，共同流入尖峰加热器后，再进入建筑物中的末端装置。
具体实施方式四：实现实施方式一所述热电厂余热转季节利用方法的系统，包括循环冷却水水池1、冷却塔2、凝汽器5和汽轮机6，
该系统还包括多组U型管换热器3、移季利用热泵机组7和末端装置8；末端装置8设置在建筑物9内；多组U型管换热器3设置在土壤内；
汽轮机6的蒸汽排放口通过管道与凝汽器5的蒸汽入口相连通；凝汽器5的冷凝水出口通过管道与热电厂的凝结水系统相连；冷却水循环泵A的出水口通过管道与凝汽器5的循环冷却水入口相连通，凝汽器5的循环冷却水出口通过管道与阀门f的入口相连通；阀门f的出口通过管道同时与阀门d的入口和阀门e的入口相连通；阀门e的出口与多组U型管换热器3的蓄热入口相连通；阀门d的出口通过管道同时与阀门a的入口和阀门n的入口相连通；阀门a的出口通过管道与冷却塔2的入口相连通；阀门n的出口通过管道同时与阀门b的入口和阀门c的出口相连通；阀门b的出口通过管道与循环冷却水水池1的入口相连通，循环冷却水水池1的出口通过管道与冷却水循环泵A的入水口相连通；
阀门c的入口通过管道与多组U型管换热器3的蓄热出口相连通；多组U型管换热器3的取热出口通过管道与阀门m的入口相连通，阀门m的出口通过管道与移季利用循环泵B的入水口相连通，移季利用循环泵B的出水口通过管道与移季利用热泵机组7的取热入口相连通；移季利用热泵机组7的取热出口通过管道、阀门k与多组U型管换热器3的取热入口相连通；
末端装置8的热网水出口通过管道与热网循环泵C的入水口相连通，热网循环泵C的出水口通过管道与移季利用热泵机组7的换热入口相连通，移季利用热泵机组7的换热出口通过阀门i和阀门r与末端装置8的热网水入口相连通。
在非供暖期，又称为蓄热阶段，此时阀门k、m、n关闭。
冷却水循环泵A将循环冷却水水池1中的循环冷却水通过管道送入凝汽器5进行换热，在凝汽器5换热后的循环冷却水沿着管道流动。循环冷却水通过阀门f和阀门e进入U型管换热器3将热量储存在土壤中，降温后的循环冷却水沿着管道流动，先后通过阀门c和阀门b，进入循环冷却水水池1。另一部分循环冷却水通过阀门d和阀门a,进入冷却塔2进行冷却，然后进入循环冷却水水池1中。
进入U型管换热器3的水量和冷却塔2的水量，通过调节阀门d、e来控制，以此改变电厂的余热向土壤中蓄存热量。
供暖期，又称为取热阶段。此时阀门c、e关闭。
移季利用循环泵B驱动移季利用系统中的循环液，将通过U型管换热器3升温后的循环液通过阀门m,送到移季利用热泵机组7；降温后的循环液通过阀门k，流入U型管换热器3，从土壤中吸收热量升温后进入下一个循环。
热网的循环水由热网循环泵C送入移季利用热泵机组7，从热泵机组7吸热升温后，通过阀门i、r送入建筑物9中的末端装置8。经过末端装置8降温后的热网循环水，由热网循环泵C送入移季利用热泵机组7，进入下一个循环。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，还包括尖峰加热器4，阀门i的出口同时与阀门r的入口和阀门p的入口相连通，阀门p的出口通过管道与尖峰加热器4的第一入水口相连通，尖峰加热器4的第一出水口通过管道与阀门q的入口相连接，阀门q的出口通过管道同时与阀门r的出口和末端装置8的热网水入口相连通；
汽轮机6的抽气出口通过管道与阀门s的入口相连通，阀门s的出口通过管道与尖峰加热器4的第二入水口相连通，尖峰加热器4的第二出水口排出的凝结水通过管道与热电厂的凝结水系统相连。
在非供暖期，阀门i、k、m、n、s关闭。
供暖期，阀门c、e、r关闭。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式四或五作进一步说明，还包括冬季余热利用热泵机组10，冬季余热利用热泵机组10的循环冷却水入口通过管道与阀门g的出水口相连通，阀门g的入水口通过管道同时与阀门f的入口和凝汽器5的循环冷却水出口相连通；冬季余热利用热泵机组10的循环冷却水出水口通过管道与阀门j的入口相连通，阀门j的出口通过管道同时与阀门f的出口、阀门d的入口和阀门e的入口相连通；冬季余热利用热泵机组10的热网循环水出口通过管道与阀门h的入口相连，阀门h的出口通过管道同时与阀门i的出口、阀门p和阀门r的入口相连通；冬季余热利用热泵机组10的热网循环水入口通过管道与热网循环泵C的出水口和移季利用热泵机组7的换热入口相连通。
在非供暖期，又称为蓄热阶段，此时阀门g、j、k、m、n、s关闭。
供暖期，阀门c、e、r关闭。
Claims (6)
1.热电厂余热转季节利用方法，其特征在于，该方法包括非供暖期和供暖期两个阶段：
非供暖期：汽轮机排放的蒸汽通过凝汽器排出冷凝水，并排入热电厂的凝结水系统；同时，将进入凝汽器的循环冷却水加热；经凝汽器加热后的循环冷却水分成两部分，其中一部分循环冷却水进入设置在土壤中的多组U型管换热器，将热量储存在土壤中，降温后的循环冷却水沿着管道流动，进入循环冷却水水池；
另一部分循环冷却水进入冷却塔进行冷却，冷却塔冷却后的水排入循环冷却水水池；循环冷却水水池中的循环冷却水通过管道被冷却水循环泵送入凝汽器进行换热，在凝汽器换热后的循环冷却水沿着管道流动，完成一个循环；
供暖期：关闭凝汽器输出的循环冷却水流入U型管换热器的管路，关闭U型管换热器流入循环冷却水水池的管路；
将通过U型管换热器升温后的循环液用移季利用循环泵送到移季利用热泵机组；降温后的循环液流入U型管换热器，从土壤中吸收热量升温后进入下一个循环；
热网的循环水被热网循环泵送至移季利用热泵机组，从移季利用热泵机组吸热升温后的循环水流入建筑物中的末端装置；经过末端装置降温后的热网水被热网循环泵送入移季利用热泵机组，进入下一个利用余热循环。
2.根据权利要求1所述热电厂余热转季节利用方法，其特征在于，在供暖期还包括以下过程：从移季利用热泵机组吸热升温后的热网循环水经过尖峰加热器后进一步加热后，再流入建筑物中的末端装置。
3.根据权利要求1或2所述热电厂余热转季节利用方法，其特征在于，在供暖期还包括以下过程：凝汽器排出的循环冷却水一部分经过冬季余热利用热泵机组降温后再回流至冷却塔；
热网的循环水的一部分被热网循环泵送至移季利用热泵机组，还有另一部分被热网循环泵送至冬季余热利用热泵机组升温后，再与从移季利用热泵机组吸热升温后的循环水汇合，共同流入尖峰加热器后，再进入建筑物中的末端装置。
4.实现权利要求1所述热电厂余热转季节利用方法的系统，包括循环冷却水水池(1)、冷却塔(2)、凝汽器(5)和汽轮机(6)，
其特征在于，该系统还包括多组U型管换热器(3)、移季利用热泵机组(7)和末端装置(8)；末端装置(8)设置在建筑物9内；多组U型管换热器(3)设置在土壤内；
汽轮机(6)的蒸汽排放口通过管道与凝汽器(5)的蒸汽入口相连通；凝汽器(5)的冷凝水出口通过管道与热电厂的凝结水系统相连；冷却水循环泵A的出水口通过管道与凝汽器(5)的循环冷却水入口相连通，凝汽器(5)的循环冷却水出口通过管道与阀门f的入口相连通；阀门f的出口通过管道同时与阀门d的入口和阀门e的入口相连通；阀门e的出口与多组U型管换热器(3)的蓄热入口相连通；阀门d的出口通过管道同时与阀门a的入口和阀门n的入口相连通；阀门a的出口通过管道与冷却塔(2)的入口相连通；阀门n的出口通过管道同时与阀门b的入口和阀门c的出口相连通；阀门b的出口通过管道与循环冷却水水池(1)的入口相连通，循环冷却水水池(1)的出口通过管道与冷却水循环泵A的入水口相连通；
阀门c的入口通过管道与多组U型管换热器(3)的蓄热出口相连通；多组U型管换热器(3)的取热出口通过管道与阀门m的入口相连通，阀门m的出口通过管道与移季利用循环泵B的入水口相连通，移季利用循环泵B的出水口通过管道与移季利用热泵机组(7)的取热入口相连通；移季利用热泵机组(7)的取热出口通过管道、阀门k与多组U型管换热器(3)的取热入口相连通；
末端装置(8)的热网水出口通过管道与热网循环泵C的入水口相连通，热网循环泵C的出水口通过管道与移季利用热泵机组(7)的换热入口相连通，移季利用热泵机组(7)的换热出口通过阀门i和阀门r与末端装置(8)的热网水入口相连通。
5.根据权利要求1所述热电厂余热转季节利用系统，其特征在于，还包括尖峰加热器(4)，阀门i的出口同时与阀门r的入口和阀门p的入口相连通，阀门p的出口通过管道与尖峰加热器(4)的第一入水口相连通，尖峰加热器(4)的第一出水口通过管道与阀门q的入口相连接，阀门q的出口通过管道同时与阀门r的出口和末端装置(8)的热网水入口相连通；
汽轮机(6)的抽气出口通过管道与阀门s的入口相连通，阀门s的出口通过管道与尖峰加热器(4)的第二入水口相连通，尖峰加热器(4)的第二出水口排出的凝结水通过管道与热电厂的凝结水系统相连。
6.根据权利要求4或5所述热电厂余热转季节利用系统，其特征在于，还包括冬季余热利用热泵机组(10)，冬季余热利用热泵机组(10)的循环冷却水入口通过管道与阀门g的出水口相连通，阀门g的入水口通过管道同时与阀门f的入口和凝汽器(5)的循环冷却水出口相连通；冬季余热利用热泵机组(10)的循环冷却水出口通过管道与阀门j的入口相连通，阀门j的出口通过管道同时与阀门f的出口、阀门d的入口和阀门e的入口相连通；冬季余热利用热泵机组(10)的热网循环水出口通过管道与阀门h的入口相连，阀门h的出口通过管道同时与阀门i的出口、阀门p和阀门r的入口相连通；冬季余热利用热泵机组(10)的热网循环水入口通过管道与热网循环泵C的出水口和移季利用热泵机组(7)的换热入口相连通。
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