CN105546616A - 一种综合利用城市周边热能的集中供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及城市区域性热源集中供热系统，特别是一种综合利用城市周边热能的集中供热系统。包括热源厂、以热源厂一次管网供水作为热源的为热用户二次管网供热的高温热源供热站，以热源厂一次管网回水作为热源的为另外热用户二次管网供热的低温热源供热站和热源厂一次管网回水末端的补热站。低温热源供热站是以具有内置板式换热器的电驱动冷热联供热泵机组作为提温设备，以热源厂一次管网回水为热源，为另外热用户二次管网供热，补热站对一次管网最终回水进行加热，以满足热源厂对回水温度的要求。该系统既能提高目前传统集中供热系统的热网输送能力、增加供热面积，又可充分回收利用城市周边废弃的热能，起到改善环境的积极效果。

Description

一种综合利用城市周边热能的集中供热系统
技术领域
本发明涉及城市区域性热源集中供热系统，特别是一种综合利用城市周边热能的集中供热系统。
背景概述
近年来，我国北方地区雾霾现象的发生越来越频繁、越来越严重，特别是采暖期以燃煤锅炉为主要热源的城市，其燃煤排放的烟气，在城市近地面区域生成大量的细颗粒物，导致季节性雾霾现象时有发生。此外，城市周边秋季农作物收割后，产生的大量秸秆，因无处消化，大部分被直接焚烧，因而导致的大范围烟气污染，也是形成季节性雾霾的重要因素。
相关研究表明，控制冬季供暖煤炭消耗总量和调整供暖能源结构，是治理北方地区城市秋冬季雾霾的关键所在，但需要解决以下几个问题：
第一，现阶段北方城市雾霾治理的主要方式是将污染源(燃煤供热锅炉)向城外转移。虽然此方式对于降低城市内部大气污染的浓度、污染发生的几率，以及烟气污染物集中治理都非常有利，但在经济上和规划上，需要解决长距离管网建设成本高和路径难的问题，技术上需要解决现有一次管网输送能力低的问题。
第二，供暖期间区域性低温热能浪费严重。冬季，城市周边工业区产生的低温热能很难被直接利用，大量工艺产生的废热被直接排放到大气中，造成了区域性热污染和极大的热能浪费。而要把这种低温热能通过合理转化、输送到城市内部，亦受到长距离管网建设成本和现有管网输送能力的限制。
第三，春秋季节城市周边秸秆无序焚烧产生的热能没有被有效利用。以长春市为例：2014年秸秆产量约为1718.88万吨，其中约515.66万吨秸秆被直接焚烧，其产生的热能相当于145.62万吨标煤，可供5547万㎡建筑采暖(约占长春市燃煤集中供热面积的46％)，造成了极大的热能浪费。
发明内容
本发明目的在于提出一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，该系统既能提高目前传统集中供热系统的热网输送能力、增加供热面积，又可实现充分回收利用城市周边废弃的热能，并起到改善环境的积极效果。
本发明一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，包括热源厂、以热源厂一次管网供水作为热源的为热用户二次管网供热的高温热源供热站，还包括以热源厂一次管网回水作为热源的为另外热用户二次管网供热的低温热源供热站和热源厂一次管网回水末端的补热站；
所述低温热源供热站是以具有内置板式换热器的电驱动冷热联供热泵机组作为提温设备，即，冷热联供热泵机组的冷凝侧为另外热用户二次管网供热，蒸发侧供水来自热源厂一次管网回水、蒸发侧出水做为余热回收的低温工质再流回到热源厂一次管网回水；所述补热站是对一次管网最终回水进行加热，以满足热源厂对回水温度的要求。
在热源厂一次管网回水干管上还设有工业余热回收站，即将城市周边其它工业余热作为热源通过热交换设备对热源厂一次管网回水进行加热。
本发明供热系统的工作原理是：
首先将热源厂一次管网内的高温供水，作为高温热源，进入沿一次网供水管线布置的高温热源供热站，通过水-水换热器加热二次管网内的循环水，为热用户供热；经过换热后的一次网供水，均流入一次网回水干管，变成温度相对较低的一次网回水。
其次，在一次网回水干管沿线设置的低温热源供热站，通过站内电驱动的冷热联供热泵机组吸取一次管网回水中的热量，加热二次网循环水，为热用户供热。
再次，经再降温后的一次网回水进入余热回收站，通过站内换热器，回收周边城市工业产生的余热、废热，使一次网回水的温度得以提高。
最后，一次管网回水进入到补热站中,由补热站中的混合燃料锅炉，集中焚烧秸秆等生物质燃料，将一次网回水温度进一步提高到热源厂要求的温度后，回到热源厂。
该回水经热源厂换热设备加热后，再次做为一次网供水，被送出热源厂，完成系统的一次水力循环。
所述的高温热源供热站，主要设备为水—水换热器。其作用是将热源厂一次管网内的高温供水，作为高温热源，进入沿一次网供水管线布置的高温热源供热站，通过水-水换热器加热二次管网内的循环水，为热用户供热；经过换热后的一次网供水，均流入一次网回水管，变成温度相对较低的一次网回水。
所述的低温热源供热站是用一次管网的回水作为热源，通过冷热联供热泵机组吸取一次管网回水中的热量，加热二次网循环水，为热用户供热，同时将温度进一步降低的一次网回水，做为冷源，向下游的所述余热回收站输送。
所述的余热回收站，是由收集一次管网沿线的其它工业产生的余热、废热作为热源通过水—水换热器，将一次网回水干管下游的低温回水加热，使一次管网回水的温度得以提高。
所述的补热站，是对一次管网的最终回水通过混合燃料锅炉进一步加热，使回水温度达到热源厂要求的温度后，回到热源厂。该回水经热源厂换热站加热后，再次做为一次网供水，被送出热源厂，完成“一种综合利用城市周边热能的集中供热系统”中的一次水力循环。
本发明具有以下优越性：
1、目前国内大部分已建成的热电厂，其凝汽器排汽余热及冷却塔循环水所携带的热量，均已被充分回收，热电厂在不扩大热源的情况下，其输出功率已达现有状况下的极限。因此，申请号为200810101065.X的专利中提出的“一种大温差集中供热系统”，在目前已建成的城市集中供热系统改造中，其应用场合受到了一定的限制。
本发明在同等条件下，通过电驱动的冷热联供热泵机组吸取一次管网回水中的热量，加热二次网循环水，为新增热用户供热。而温度降低后的一次管网回水，通过采用工业余热回收、利用生物质燃料锅炉补热等“另外热源”来提高。因此，本发明不受热电厂输出功率的影响，从而可以在老城区小锅炉供热系统改造中，充分利用现有已形成的热电联产集中供热系统中的一次网回水，来实现对其供热的目的。
2、国内大温差供热改造大多采用热水吸收式热泵，驱动热源为一次网高温水，而现有城市集中供热一次管网供水温度多在95℃左右，在不改变二次管网供回水温度的条件下，热水吸收式热泵很难将一次网回水温度降得很低，从而导致一次网大温差受到一定的限制。若要提高热水吸收式热泵的制热能力，同时，保证二次网供回水温度，一次网供水温度必须在110℃以上；但为了防止一次管网内工质汽化，一次管网的运行压力也必须同时提高；管网失水和散热损失也会加大。这对于大多一次管网已老化严重的城市，其改造难度和改造范围相当大，实现起来十分困难。
本发明采用的是电驱动的冷热联供热泵机组，以一次管网回水为热源。在既有城市集中供热改造中，按照目前一次管网供水温度95℃的基本条件设计，可最大实现85℃的大温差供热；温度被冷热联供热泵机组降低后的一次网回水，通过吸收工业余热、补热锅炉补热等手段，温度得以回升到热源厂要求的温度，避免了对热源厂输出参数的影响，同时系统改造简单、成本低。
3、本发明在热源厂的制热设备出现故障时，补热站的混合燃料锅炉可作为热源厂的调峰锅炉投入运行，维持热源厂的热能输出和一次网供热的稳定性。
4、本发明解决了城市周边工业废热和秸秆等生物质燃料在集中供热中大量应用的难题，减少了工业废热对区域性的热污染和热能浪费，以及因城市周边大量的秸秆因无处消化，被无序焚烧所导致的大范围烟气雾霾和热能浪费现象。
5、本发明解决了将大批污染源(燃煤供热锅炉)向城市外围转移在技术性上的难题，并通过对城市周边热能的梯度利用和综合利用，减少了冬季城市内部燃煤的消耗，控制燃煤烟气排放所导致的季节性雾霾现象，因此，本发明对改善我国北方地区冬季大气环境有积极的促进作用。
附图说明
图1是本发明综合利用城市周边热能的集中供热系统示意图；
图2是实施例1的集中供热网线改造系统运行示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，包括热源厂、以热源厂一次管网供水作为热源的为热用户二次管网供热的高温热源供热站，其特征在于：还包括以热源厂一次管网回水作为热源的为另外热用户二次管网供热的低温热源供热站和热源厂一次管网回水末端的补热站；
所述低温热源供热站是以具有内置板式换热器的电驱动冷热联供热泵机组作为提温设备，即，冷热联供热泵机组的冷凝侧为另外热用户二次管网供热，蒸发侧通过冷热联供热泵机组内置的板式换热器，采用间接换热方式，从热源厂一次管网回水中取热；板式换热器二次侧供出水与冷热联供热泵机组蒸发器进出水是闭式循环；板式换热器一次侧供水来自热源厂一次管网回水、板式换热器一次侧出水做为余热回收的低温工质再流回到热源厂一次管网回水；所述补热站是对一次管网最终回水进行加热，以满足热源厂对回水温度的要求。
在热源厂一次管网回水干管上还设有工业余热回收站，即将城市周边其它工业余热作为热源通过热交换设备对热源厂一次管网回水进行加热。
所述高温热源供热站是以水—水换热器作为热交换设备实现二次管网供热。
所述补热站是以生物质为主要燃料的混合燃料锅炉为主要加热设备。
所述的工业余热回收站是将通过管网收集的城市周边工业余热采用水—水热交换器对热源厂一次管网回水进行加热。
实施例1
长春市某热电厂热电联产集中供热网线改造系统如图2所示。
在一次网供回水上布置有若干个高温热源供热站和若干个低温热源供热站。为了方便表述，高温热源供热站只表示一个，低温热源供热站只表示两个。
低温热源供热站从一次网回水中取热，一次网回水温度是逐级下降的，为了方便表述，进入低温热源供热站的一次网回水温度变化，只表示50℃/30℃/和30℃/10℃两种工况。
如图2所示，热源厂首站，汽—水换热器(1)供水温度95℃做为一次管网供水，进入高温热源供热站内的水-水换热器(2)加热二次管网内的循环水，为热用户供热。一次网供水换热后温度降至50℃进入一次管网回水。水—水换热器(2)一次侧进出水温度为95℃/50℃，二次侧进出水温度为60℃/45℃。
一次管网回水温度降至50℃后进入低温热源供热站(1)内换热器一次侧，通过换热器换热将一次管网回水温度降至30℃后送回到原一次管网回水中。换热器二次侧供水被加热至35℃进入热泵蒸发器，蒸发器吸热后出水温度降至20℃回到换热器二次侧进水重新被加热，完成一次闭式循环。热泵冷凝器加热二次管网供给热用户，冷凝器出水温度60℃，回水45℃。
一次管网回水温度降至30℃后进入低温热源供热站(2)内换热器一次侧，通过换热器换热将一次管网回水温度降至10℃后送回到原一次管网回水中。换热器二次侧供水被加热至25℃进入热泵蒸发器，蒸发器吸热后出水温度降至7℃回到换热器二次侧进水重新被加热，完成一次闭式循环。热泵冷凝器加热二次管网供给热用户，冷凝器出水温度60℃，回水45℃。
一次网回水降至10℃后进入余热回收站，通过站内水—水换热器(4)，将一次网回水加热至15℃。水—水换热器(4)一次侧进出水温度为35℃/15℃，二次侧进出水温度为10℃/15℃。为工业冷却提供了15℃的冷却水，同时也吸收了工业产生的余热、废热，进而一次网回水的温度提高至15℃。
最后，由补热站中的混合燃料锅炉(5)，集中焚烧秸秆等生物质燃料，将一次网回水加热至50℃，回到热源厂。该回水经热源厂首站，汽—水换热器(1)加热后，再次做为一次网供水，被送出热源厂，完成系统的一次水力循环。
本集中供热网线改造系统运行数据如下：
高温热源供热站：
一次网供水温度：95℃，一次网回水温度：50℃，流量：8000m3/h；
二次网供水温度：60℃，二次网回水：45℃，流量：23965m3/h；
供热能力：418MW，供热面积：837万平方米。
低温热源供热站(A)：
一次网回水温度：50℃，一次网回水取热后温度：30℃，流量:8000m3/h；
二次网供水温度：60℃，二次网回水温度：45℃，流量:12212m3/h；
电驱动热泵蒸发器从一次网回水吸收热量能力为：186MW；
电驱动热泵冷凝器向二次网输送热量能力为：213MW，新增供热面积426万平方米。
低温热源供热站(B)：
一次网回水温度：30℃，一次网回水取热后温度：10℃，流量:8000m3/h；
二次网供水温度：60℃，二次网回水温度：45℃，流量:12212m3/h；
电驱动热泵蒸发器从一次网回水吸收热量能力为：186MW；
电驱动热泵冷凝器向二次网输送热量能力为：213MW，新增供热面积426万平方米。
余热回收站：
一次网回水温度：10℃，流量8000m3/h，进入余热回收站，吸收周边的工业余热、废热后，一次网回水温度被加热至15℃。
余热回收能力为46.4MW
补热站：
一次网回水温度：15℃、流量8000m3/h，进入补热站，经混合燃料补热锅炉提温，一次网回水温度被加热至50℃之后被送回热源厂。
混合燃料补热锅炉输出功率为325MW。
改造前后效果对比：
1、改造前供热能力：418MW，改造后供热能力:844MW；
改造前供热面积：837万平方米，改造后供热面积：1689万平方米；
2、回收城市周边工业余热的能力为：46.4MW；
3、消纳城市周边生物质燃料(秸秆)70.07万吨；
4、减少城市冬季燃煤供暖消耗39.32万吨；(长春市供热煤耗：46.15kg/m2)。
5、减少城市冬季燃煤烟气污染物排放：二氧化硫5392.4吨，氮氧化物1662.7吨，粉尘4131.95吨，二氧化碳588673.4吨。

Claims (5)

1.一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，包括热源厂、以热源厂一次管网供水作为热源的为热用户二次管网供热的高温热源供热站，其特征在于：还包括以热源厂一次管网回水作为热源的为另外热用户二次管网供热的低温热源供热站和热源厂一次管网回水末端的补热站；
所述低温热源供热站是以具有内置板式换热器的电驱动冷热联供热泵机组作为提温设备，即，冷热联供热泵机组的冷凝侧为另外热用户二次管网供热，蒸发侧供水来自热源厂一次管网回水、蒸发侧出水做为余热回收的低温工质再流回到热源厂一次管网回水；所述补热站是对一次管网最终回水进行加热，以满足热源厂对回水温度的要求。
2.根据权利要求1所述的一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，其特征在于，在热源厂一次管网回水干管上还设有工业余热回收站，即将城市周边其它工业余热作为热源通过热交换设备对热源厂一次管网回水进行加热。
3.根据权利要求1所述的一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，其特征在于，所述高温热源供热站是以水—水换热器作为热交换设备实现二次管网供热。
4.根据权利要求1所述的一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，其特征在于，所述补热站是以生物质为主要燃料的混合燃料锅炉为主要加热设备。
5.根据权利要求2所述的一种综合利用城市周边热能的集中供热系统，其特征在于，所述的工业余热回收站是将通过管网收集的城市周边工业余热采用水—水热交换器对热源厂一次管网回水进行加热。
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