CN108240708A - 一种光气电耦合智慧环保锅炉系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，包括燃气电锅炉、控制系统、蓄热装置和太阳能集热器，燃气电锅炉包括炉体和支撑棚；炉体内设置有燃烧室和燃烧器，体底部外侧设置有联箱，联箱内设置有联箱电极，太阳能集热器与燃气电锅炉之间设有连接管相连，其上设置有第一循环泵；联箱连接有进水泵；联箱还与蓄热装置连接且设置有第二循环泵；联箱出口、蓄热装置出口分别设有联箱温度计和蓄热装置温度计。控制系统分别与燃烧器、联箱电极、联箱温度计、蓄热装置温度计、第一循环泵、第二循环泵和进水泵之间形成I/O连接。本发明将太阳能集热器、燃气炉与电炉的一体式有机结合，使得太阳能、燃气和用电形成互补，使锅炉结构紧凑降低造价同时降低运行成本。

Description

一种光气电耦合智慧环保锅炉系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种光气电耦合智慧环保锅炉系统及其运行方法，属于能源技术领域。
背景技术
能源与环境一直是我国乃至全世界面临的重要课题。尤其在冬季采暖中，一方面面临着能源消耗总量大的问题，另一方面面临着取暖造成的污染问题，尤其是散煤取暖的污染问题。为了解决供暖效率和污染问题，不少城市采取了煤改气的措施。无疑，燃气锅炉具有高效、清洁的优点。但是，由于全球能源供应紧张，燃气锅炉不仅仅是运行成本居高不下，而且还面临气荒的问题。而电锅炉具有使用方便等优点。由此，燃气锅炉和电锅炉联合供热受到了青睐。但同时配备燃气锅炉和电锅炉无疑会提高系统复杂性并增加造价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，将太阳能换热、燃气炉和电炉有机一体化，解决燃煤供热热效率较低和污染物排放水平较高的问题，并充分利用太阳能并同时解决燃气不足时的燃气供暖问题；同时可以提供热水。
本发明通过以下技术方案实现：
一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，包括燃气电锅炉、控制系统、蓄热装置，所述燃气电锅炉包括炉体和设置在炉体上方的支撑棚；所述炉体内设置有燃烧室和设置在燃烧室入口端的燃烧器，以及与燃烧室相连的烟风通道；所述炉体底部外侧设置有联箱，所述联箱内设置有联箱电极，其特征在于：所述支撑棚顶覆盖有太阳能集热器，所述太阳能集热器与所述燃气电锅炉之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵使得所述太阳能集热器与所述燃气电锅炉之间形成水循环；所述联箱连接有进水泵；所述联箱还与所述蓄热装置连接，且所述联箱与所述蓄热装置之间设置有第二循环泵；所述联箱出口、蓄热装置出口分别设有联箱温度计和蓄热装置温度计；所述控制系统分别与所述燃烧器、联箱电极、联箱温度计、蓄热装置温度计、第一循环泵、第二循环泵和进水泵之间形成I/O连接。
上述技术方案中，所述燃气电锅炉的炉体、燃烧室和烟风通道均采用水冷结构，且所述水冷结构连通形成工质通道；所述工质通道与所述联箱连通，形成炉体水循环通道。
上述技术方案中，所述太阳能集热器与所述燃气电锅炉的炉体之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵使得所述太阳能集热器与所述炉体之间形成水循环。
上述技术方案中，所述太阳能集热器与所述燃气电锅炉的联箱之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵使得所述太阳能集热器与所述联箱之间形成水循环。
上述技术方案中，所述蓄热装置能够与供热用户相连，并在所述第二循环泵、所述蓄热装置、供热用户和所述联箱之间形成供热循环循环回路。
上述技术方案中，蓄热装置出口设有回水阀和回水管，所述回水管连接到所述进水泵与所述联箱之间的连接管。
一种光电气耦合智慧环保锅炉系统的运行方法，包括：
有光照时，所述控制系统调节所述第一循环泵开度使得所述燃气电锅炉中的水在所述燃气电锅炉与所述太阳能集热器之间循环加热，使得所述燃气电锅炉的炉体或联箱中的水温度升高；控制系统根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵、进水泵以及燃烧器和联箱电极进行操作控制；
无光照时，所述控制系统关闭所述第一循环泵停止所述燃气电锅炉中的水在所述燃气电锅炉与所述太阳能集热器之间循环，控制系统根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵、进水泵以及燃烧器和联箱电极进行操作控制；
当控制系统通过I/O连接采集到的联箱中的联箱温度计读数大于等于所述蓄热装置的蓄热装置温度计读数，启动联箱与蓄热装置之间的第二循环泵或调节所述第二循环泵开度，使得联箱中的水进入蓄热装置中，直到蓄热装置水位高于预设参数时，停止第二循环泵；当联箱中的水位降低到设定高度时，启动进水泵往联箱中补水，当控制系统通过I/O连接采集到的联箱中的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统启动所述燃烧器和/或联箱电极，并通过时间-价格差曲线进行燃烧器燃料供给调节和/或联箱电极功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围。
当所述光电气耦合智慧环保锅炉系统用于供热时，上述方法还包括：
有光照，所述控制系统调节所述第一循环泵开度使得所述燃气电锅炉中的水在所述燃气电锅炉与所述太阳能集热器之间循环加热，使得所述燃气电锅炉的炉体或联箱中的水温度升高；无光照时，所述控制系统关闭所述第一循环泵停止所述燃气电锅炉中的水在所述燃气电锅炉与所述太阳能集热器之间循环；
联箱与蓄热装置之间的第二循环泵保持启动状态，当控制系统通过I/O连接采集到的联箱中的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统启动所述燃烧器和/或联箱电极，并通过时间-价格差曲线进行燃烧器燃料供给调节和/或联箱电极功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围；
当联箱中的水位降低到设定高度时，启动进水泵往联箱中补水。
上述技术方案中，当太阳能集热器换热量低于系统负荷30%时，控制系统根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器和/或联箱电极的启动，并优化调节燃烧器燃气量和/或联箱电极功率；当太阳能集热器换热量高于系统负荷70%时，控制系统优选启动联箱电极加热，使联箱温度达到预设参数；当太阳能集热器换热量为系统负荷30%~70%时，控制系统根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器或联箱电极的启动，并优化调节燃烧器燃气量或联箱电极功率。若燃气不足时，控制系统只考虑太阳能集热器和/或联箱电极加热。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：燃气炉与电炉的一体式有机结合，使得燃气和用电形成互补，同时锅炉结构紧凑，大幅降低了工程造价；太阳能光热利用的进一步耦合，使得锅炉系统进一步节约运行成本。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种实施方式的光气电耦合智慧环保锅炉系统示意图。
图2为本发明所涉及的其中一种实施方式的光电气耦合智慧环保锅炉系统立面示意图。
图中：1-燃气电锅炉；11-炉体；12-支撑棚；13-烟风通道；14-燃烧室；15-联箱；16-燃烧器；17-联箱电极；18-进水泵；2-控制系统；3-蓄热装置；4-太阳能集热器；5-第一循环泵；6-第二循环泵；7-联箱电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本发明所述一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，主要用于城市供热或者提供工业用热水。
如图1和图2所示，一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，包括燃气电锅炉1、控制系统2、蓄热装置3。述燃气电锅炉1包括炉体11和设置在炉体11上方的支撑棚12，支撑棚12顶覆盖有太阳能集热器4。炉体11内设置有燃烧室14和设置在燃烧室14入口端的燃烧器16，以及与燃烧室14相连的烟风通道13。炉体11底部外侧设置有联箱15，联箱15内设置有联箱电极17。。燃气电锅炉1的炉体11、燃烧室14和烟风通道13均采用水冷结构，且所述水冷结构连通形成工质通道；工质通道与联箱15连通，形成炉体水循环通道。如图2所示，联箱15设置两组或两组以上，两组或两组以上联箱之间有管道连通；每组联箱15内均设置有联箱电极17。联箱电极17选用6~12kV电极。联箱15连接有进水泵18。联箱15还与蓄热装置3连接，且联箱15与蓄热装置3之间设置有第二循环泵6。联箱15出口、蓄热装置3出口分别设有联箱温度计和蓄热装置温度计，联箱15和蓄热装置3内还均设有水位计。
太阳能集热器4与燃气电锅炉1之间设有连接管相连，连接管上设置有第一循环泵5使得所述太阳能集热器4燃气电锅炉1之间形成水循环。太阳能集热器4与燃气电锅炉1的炉体11之间设有连接管相连，连接管上设置有第一循环泵5使得太阳能集热器4与炉体11之间形成水循环。或者，太阳能集热器4与燃气电锅炉1的联箱15之间设有连接管相连，连接管上设置有第一循环泵5使得太阳能集热器4与联箱15之间形成水循环。
控制系统2用于太阳能集热器、燃气和电供热的优化分配和运行控制，控制系统2分别与燃烧器16、联箱电极17、联箱温度计、蓄热装置温度计、第一循环泵5、第二循环泵6和进水泵18之间形成信号输入/输出（I/O）连接。控制系统既能够控制燃烧器16和电极17的启停，同时还能够控制通过燃烧器16给入的燃气量，也能够控制电极17的运行功率，即分别控制燃气加热和电加热的启停和负荷。控制系统2还能够控制第一循环泵5的启动/停止或开度，根据有无光照对系统运行状态进行停止。
根据定义，光照时间是指可照时数与曙暮光的综合，即光照时间=可照时数+曙暮光。在天文学上常把日出到日落太阳可能照射的时间长度称为可照时数，即昼长。日出前及日落后的一段时间内，虽然太阳直射光不能直接投射到地面上，但地面仍能得到高空大气的散射辐射，使昼夜的更替不是突然的，天文学上称为晨光和昏光，习惯上合称为曙暮光。一般民用曙暮光是指太阳在地平线以下0~6°的一段时间内。曙暮光持续时间长短因季节和纬度而异，全年以夏季最长，冬季最短，高纬地区长于低纬地区。例如：赤道上曙暮光持续时间变化于24~46min；纬度30°地区冬夏曙暮光变为52~56min；纬度50°地区冬夏曙暮光的变化为76~90min；纬度60°地区夏季曙暮光长达3.5h，冬季也有1.5h。为了便于操作，本发明所述有光照时间只指日出到日落的时间，即昼长。无光照时间指日落到日出的夜长以及雨雪天。
首先系统自动或人工根据有无光照状态，控制调整热量来源分配。在此基础上，控制系统2选用基于时间T和/或价格关联的PID控制系统（比例-积分-微分控制器），即PID控制系统对燃烧器和/或电极的启动，以及燃烧器供给燃气量和/或电极功率调控，以时间T和燃气/电价格的耦合关系，或者基于电价波峰波谷段的时间T作为判断条件。PID控制系统也能够直接关联燃气/电价格曲线作为控制判断条件。
当本发明所述的光电气耦合智慧环保锅炉系统用于提供热水时，热水为消耗物质，通常不回流循环使用，此时，进水泵18与第二循环泵6处于联动控制状态，第二循环泵6启动供热水时，进水泵也同时启动，其开度根据需要调节。进水泵18流量与第二循环泵6流量同步调节。当有光照时，第一循环泵5启动使得燃气电锅炉1中的水在燃气电锅炉1与太阳能集热器4之间循环加热。当太阳能集热器4换热量低于系统负荷30%时，控制系统2根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器16和/或联箱电极17的启动，并优化调节燃烧器燃气量和/或联箱电极功率。当太阳能集热器4换热量高于系统负荷70%时，控制系统2优选启动联箱电极17加热，使联箱温度达到预设参数。当太阳能集热器4换热量为系统负荷30%~70%时，控制系统2根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器16或联箱电极17的启动，并优化调节燃烧器燃气量或联箱电极功率。若燃气不足时，控制系统2只考虑太阳能集热器4和/或联箱电极17加热。
当本发明所述的光电气耦合智慧环保锅炉系统用于供热时，蓄热装置3能够与供热用户相连，并在第二循环泵6、蓄热装置3、供热用户和联箱15之间形成供热循环回路。此时，有光照时，控制系统2调节第一循环泵5开度使得燃气电锅炉1中的水在燃气电锅炉1与太阳能集热器4之间循环加热，使得燃气电锅炉1的炉体11或联箱15中的水温度升高；无光照时，控制系统2关闭第一循环泵5停止燃气电锅炉1中的水在燃气电锅炉1与太阳能集热器4之间循环。联箱15与蓄热装置3之间的第二循环泵6保持启动状态，当控制系统2通过I/O连接采集到的联箱中15的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统2启动所述燃烧器16和/或联箱电极17，并通过时间-价格差曲线进行燃烧器16燃料供给调节和/或联箱电极17功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围。当联箱15中的水位降低到设定高度时，启动进水泵18往联箱15中补水。当太阳能集热器4换热量低于系统负荷30%时，控制系统2根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器16和/或联箱电极17的启动，并优化调节燃烧器燃气量和/或联箱电极功率。当太阳能集热器4换热量高于系统负荷70%时，控制系统2优选启动联箱电极17加热，使联箱温度达到预设参数。当太阳能集热器4换热量为系统负荷30%~70%时，控制系统2根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器16或联箱电极17的启动，并优化调节燃烧器燃气量或联箱电极功率。若燃气不足时，控制系统2只考虑太阳能集热器4和/或联箱电极17加热。
综上所述，一种光电气耦合智慧环保锅炉系统的运行方法，包括：
有光照时，所述控制系统2调节所述第一循环泵5开度使得所述燃气电锅炉1中的水在所述燃气电锅炉1与所述太阳能集热器4之间循环加热，使得所述燃气电锅炉1的炉体11或联箱15中的水温度升高；控制系统2根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵6、进水泵18以及燃烧器16和联箱电极17进行操作控制；
无光照时，所述控制系统2关闭所述第一循环泵5停止所述燃气电锅炉1中的水在所述燃气电锅炉1与所述太阳能集热器4之间循环，控制系统2根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵6、进水泵18以及燃烧器16和联箱电极17进行操作控制；
当控制系统2通过I/O连接采集到的联箱中15的联箱温度计读数大于等于所述蓄热装置3的蓄热装置温度计读数，启动联箱15与蓄热装置3之间的第二循环泵6或调节所述第二循环泵6开度，使得联箱15中的水进入蓄热装置3中，直到蓄热装置3水位高于预设参数时，停止第二循环泵6；当联箱15中的水位降低到设定高度时，启动进水泵18往联箱15中补水，当控制系统2通过I/O连接采集到的联箱中15的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统2启动所述燃烧器16和/或联箱电极17，并通过时间-价格差曲线进行燃烧器16燃料供给调节和/或联箱电极17功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围。
蓄热装置3出口设有回水阀和回水管，回水管连接到进水泵18与联箱15之间的连接管。当蓄热装置温度低于预设参数下限时，打开回水阀，使蓄热装置3的工质能够回到联箱15，重新在系统中加热。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，包括燃气电锅炉（1）、控制系统（2）、蓄热装置（3），所述燃气电锅炉（1）包括炉体（11）和设置在炉体（11）上方的支撑棚（12）；所述炉体（11）内设置有燃烧室（14）和设置在燃烧室（14）入口端的燃烧器（16），以及与燃烧室（14）相连的烟风通道（13）；所述炉体（11）底部外侧设置有联箱（15），所述联箱（15）内设置有联箱电极（17），其特征在于：所述支撑棚（12）顶覆盖有太阳能集热器（4），所述太阳能集热器（4）与所述燃气电锅炉（1）之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵（5）使得所述太阳能集热器（4）与所述燃气电锅炉（1）之间形成水循环；所述联箱（15）连接有进水泵（18）；所述联箱（15）还与所述蓄热装置（3）连接，且所述联箱（15）与所述蓄热装置（3）之间设置有第二循环泵（6）；所述联箱（15）出口、蓄热装置（3）出口分别设有联箱温度计和蓄热装置温度计；所述控制系统（2）分别与所述燃烧器（16）、联箱电极（17）、联箱温度计、蓄热装置温度计、第一循环泵（5）、第二循环泵（6）和进水泵（18）之间形成I/O连接。
2.根据权利要求1所述的一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，其特征在于：所述燃气电锅炉（1）的炉体（11）、燃烧室（14）和烟风通道（13）均采用水冷结构，且所述水冷结构连通形成工质通道；所述工质通道与所述联箱（15）连通，形成炉体水循环通道。
3.根据权利要求1所述的一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，其特征在于：所述太阳能集热器（4）与所述燃气电锅炉（1）的炉体（11）之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵（5）使得所述太阳能集热器（4）与所述炉体（11）之间形成水循环。
4.根据权利要求1所述的一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，其特征在于：所述太阳能集热器（4）与所述燃气电锅炉（1）的联箱（15）之间设有连接管相连，所述连接管上设置有第一循环泵（5）使得所述太阳能集热器（4）与所述联箱（15）之间形成水循环。
5.根据权利要求1所述的一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，其特征在于：所述蓄热装置（3）出口设有回水阀和回水管，所述回水管连接到所述进水泵（18）与所述联箱（15）之间的连接管。
6.一种光电气耦合智慧环保锅炉系统的运行方法，其使用如权利要求1所述的一种光气电耦合智慧环保锅炉系统，其特征在于：所述方法包括
有光照时，所述控制系统（2）调节所述第一循环泵（5）开度使得所述燃气电锅炉（1）中的水在所述燃气电锅炉（1）与所述太阳能集热器（4）之间循环加热，使得所述燃气电锅炉（1）的炉体（11）或联箱（15）中的水温度升高；控制系统（2）根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵（6）、进水泵（18）以及燃烧器（16）和联箱电极（17）进行操作控制；
无光照时，所述控制系统（2）关闭所述第一循环泵（5）停止所述燃气电锅炉（1）中的水在所述燃气电锅炉（1）与所述太阳能集热器（4）之间循环，控制系统（2）根据联箱和蓄热装置的温度和水位的耦合判断条件对第二循环泵（6）、进水泵（18）以及燃烧器（16）和联箱电极（17）进行操作控制；
当控制系统（2）通过I/O连接采集到的联箱中（15）的联箱温度计读数大于等于所述蓄热装置（3）的蓄热装置温度计读数，启动联箱（15）与蓄热装置（3）之间的第二循环泵（6）或调节所述第二循环泵（6）开度，使得联箱（15）中的水进入蓄热装置（3）中，直到蓄热装置（3）水位高于预设参数时，停止第二循环泵（6）；当联箱（15）中的水位降低到设定高度时，启动进水泵（18）往联箱（15）中补水，当控制系统（2）通过I/O连接采集到的联箱中（15）的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统（2）启动所述燃烧器（16）和/或联箱电极（17），并通过时间-价格差曲线进行燃烧器（16）燃料供给调节和/或联箱电极（17）功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围。
7.根据权利要求6所述的一种光电气耦合智慧环保锅炉系统的运行方法，其特征在于：所述系统用于供热时，所述方法还包括
有光照时，所述控制系统（2）调节所述第一循环泵（5）开度使得所述燃气电锅炉（1）中的水在所述燃气电锅炉（1）与所述太阳能集热器（4）之间循环加热，使得所述燃气电锅炉（1）的炉体（11）或联箱（15）中的水温度升高；无光照时，所述控制系统（2）关闭所述第一循环泵（5）停止所述燃气电锅炉（1）中的水在所述燃气电锅炉（1）与所述太阳能集热器（4）之间循环；
联箱（15）与蓄热装置（3）之间的第二循环泵（6）保持启动状态，当控制系统（2）通过I/O连接采集到的联箱中（15）的联箱温度计读数低于预设参数时，通过控制系统（2）启动所述燃烧器（16）和/或联箱电极（17），并通过时间-价格差曲线进行燃烧器（16）燃料供给调节和/或联箱电极（17）功率调节，使得联箱温度计读数达到预设参数范围；
当联箱（15）中的水位降低到设定高度时，启动进水泵（18）往联箱（15）中补水。
8.根据权利要求6或7所述的一种光电气耦合智慧环保锅炉系统的运行方法，其特征在于：当太阳能集热器（4）换热量低于系统负荷30%时，控制系统（2）根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器（16）和/或联箱电极（17）的启动，并优化调节燃烧器燃气量和/或联箱电极功率；当太阳能集热器（4）换热量高于系统负荷70%时，控制系统（2）优选启动联箱电极（17）加热，使联箱温度达到预设参数；当太阳能集热器（4）换热量为系统负荷30%~70%时，控制系统（2）根据时间与燃气和电的价格差控制燃烧器（16）或联箱电极（17）的启动，并优化调节燃烧器燃气量或联箱电极功率。
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