CN108954458A - 多能源协同供应系统 - Google Patents

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唐宏芬
吴智泉
陈继录
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李芮
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Abstract

本发明公开了一种多能源协同供应系统，包括：污水源热泵机组，其通过污水源热泵利用弃风弃光电量吸收污水中低温余热对热网水进行一级加热；清洁燃煤蒸汽背压机组，其排汽用来对热网水进行二级加热；以及调峰热水锅炉，调峰热水锅炉用来在尖峰热负荷需求时对热网水进行供热。该系统能够协同利用城市污水低温热源，弃风、弃光电量及燃煤化学能，满足城镇居民及工商业用户用电、用热及用冷需求。同时，由于污水源热泵利用弃风、弃光电量吸收城镇污水的低温余热降低了清洁燃煤蒸汽背压机组化石能源的消耗，减少了污染物排放，实现节能减排。

Description

多能源协同供应系统
技术领域
本发明涉及多能源互补、冷热电联供领域，特别涉及一种多能源协同供应系统。
背景技术
我国中小城镇众多，能源供应尤其是热力供应，城市干线往往难以覆盖。中小城镇的采暖需求多以建设于城镇周边热源厂通过热水锅炉满足，而乡镇级则多以户用独立燃煤小锅炉为主。分散式小锅炉能效低，且无任何环保设备，污染物排放量大，是冬季雾霾频繁发生的重要成因。当前我国民生采暖已由城市热电联产集中供热向城镇的清洁供暖转变。需求侧，中小城镇是未来城镇人口集中膨胀的重要载体，随着我国城镇化加速，热负荷快速发展；而供给侧，节能减排压力重大，35t/h以下蒸汽/热水锅炉面临全面拆除，城镇级供热能力下降明显。因此，城镇清洁采暖问题已成为亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多能源协同供应系统，通过污水源热泵、蒸汽背压机组和调峰热水锅炉，有效提高综合能源利用效率，降低环境污染。
为实现上述目的，本发明提供了一种多能源协同供应系统，包括：污水源热泵机组，其通过污水源热泵吸收污水中低温余热对热网水进行一级加热；蒸汽背压机组，其排汽用来对热网水进行二级加热；以及调峰热水锅炉，调峰热水锅炉用来在尖峰热负荷需求时对热网水进行供热。
优选地，污水源热泵用弃风和/或弃光电量驱动。
优选地，蒸汽背压机组采用燃煤蒸汽背压机组。
优选地，调峰热水锅炉采用循环流化床调峰热水锅炉。
优选地，多能源协同供应系统还包括污水处理厂，污水源热泵吸收污水处理厂中污水的低温余热。
优选地，多能源协同供应系统还包括吸收式制冷机组，吸收式制冷机组布置在冷用户侧，非采暖及时，污水处理厂给吸收式制冷机组提供低温冷源。
优选地，非采暖季，蒸汽背压机组排汽通过蒸汽管道输送至冷用户侧，用于驱动吸收式制冷机组。
优选地，根据用户制冷温度需求，吸收式制冷机组采用氨基或溴化锂基吸收式制冷机组。
优选地，污水处理厂的中水经处理后可为蒸汽背压机组、调峰热水锅炉或热网系统提供水源或补充水源。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该系统是通过以清洁燃煤蒸汽背压机组供热为基础，结合地区能源供应特点，协同利用城市低温热源、化石能源和可再生能源的综合能源供应系统，在采暖季，污水源热泵利用弃风、弃光电能吸收城镇污水中低温余热，对热网水进行初级加热，利用燃煤蒸汽背压机组排汽对热网水进行二次加热，实现梯级升温和能级匹配。通过污水源热泵对热网水的初级升温，一方面能够利用城镇污水的低温热源，且消纳了一定弃风、弃光电量，另一方面也降低了燃煤蒸汽背压机组的容量配置，减少了化石能源的消耗，可为城镇低碳供能提供有益参考。
附图说明
图1是根据本发明的多能源协同供应系统的原理示意图；
图2是某城镇的热负荷延时曲线；
图3是污水源热泵耗电价格对投资收益率的影响曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明具体实施方式的多能源协同供应系统，主要以污水源低温余热、弃风弃光电量、燃煤为输入能源，以冷、热、电为输出能源，通过合理配置污水源热泵、燃煤蒸汽背压机、循环流化床调峰锅炉及用户侧氨基/溴化锂基吸收式制冷机组等能量转换设备实现能源的合理利用。在采暖季，利用弃风、弃光电量驱动污水源热泵吸收污水中低温余热对热网水进行一级加热，利用燃煤蒸汽背压机组排汽对热网水进行二级加热。优先运行污水源热泵机组满足初末寒期采暖需求；随着热负荷增大，开启清洁燃煤蒸汽背压机组并逐步调整负荷；当进入严寒期，污水源热泵与背压机组供热能力不足时，启动循环流化床调峰热水锅炉，满足尖峰热负荷需求。
具体地，本发明具体实施方式的多能源协同供应系统，包括污水源热泵机组1、蒸汽背压机组2以及调峰热水锅炉3，污水源热泵机组1通过污水源热泵吸收污水中低温余热对热网水进行一级加热，优选地，污水源热泵用弃风和/或弃光电量驱动。蒸汽背压机组2用来对热网水进行二级加热，优选地，蒸汽背压机组采用燃煤蒸汽背压机组。调峰热水锅炉3用来在尖峰热负荷需求时对热网水进行供热。优选地，调峰热水锅炉采用循环流化床调峰热水锅炉。
作为一种优选的实施例，该多能源协同供应系统还包括污水处理厂5、吸收式制冷机组6，污水源热泵吸收污水处理厂5中污水的低温余热，吸收式制冷机组6布置在用户侧，污水处理厂5给吸收式制冷机组6提供低温冷源。优选地，吸收式制冷机组采用氨基/溴化锂基吸收式制冷机组。
作为一种优选的实施例，蒸汽背压机组的蒸汽管道和吸收式制冷机组连接。在非采暖季，若有制冷负荷，蒸汽背压机组排汽通过蒸汽管道输送至用户侧，根据用户用冷温度，选择氨基/溴化锂基吸收式制冷机组，满足用冷负荷需求。
作为一种优选的实施例，污水处理厂5的中水处理后给蒸汽背压机组2、调峰热水锅炉3或热网系统补充水源。该系统需要污水处理厂与燃煤蒸汽背压机组距离较近，以降低污水输送成本，同时污水处理厂可提供廉价中水，经处理后作为锅炉、热网系统补充水源，提升城镇中水利用率。以该系统进行冷热电联产相较于当前普遍的燃煤热水锅炉具有一定优势，即通过冷、热、电联产可有效提高综合能源利用效率，利用小时数相应提高，经济效益优势明显；与直接采用燃煤蒸汽背压机组比，该系统利用弃风、弃光电量和污水低温余热初级升温，在满足相同热负荷条件下，燃煤蒸汽背压机组装机容量更小，化石燃料消耗降低，热电比更大。
上述方案的多能源协同供应系统，以清洁燃煤蒸汽背压机组供热为基础，结合地区能源供应特点，提出一种协同利用城市低温热源、化石能源和可再生能源的综合能源供应系统，在采暖季，污水源热泵利用弃风、弃光电能吸收城镇污水中低温余热，对热网水进行初级加热，利用燃煤蒸汽背压机组排汽对热网水进行二次加热，实现梯级升温和能级匹配。通过污水源热泵对热网水的初级升温，一方面能够利用城镇污水的低温热源，且消纳了一定弃风、弃光电量，另一方面也降低了燃煤蒸汽背压机组的容量配置，减少了化石能源的消耗，可为城镇低碳供能提供有益参考。
应用实例
中心城镇基本情况
以内蒙某中心城镇作为核算依据，该城镇热力公司处于棚户区改造区域，面临迁址。规划新址位置与城镇污水处理厂毗邻，具备采用上述系统的地缘条件。该城镇主要建筑类型为居住住宅及公共建筑，根据该地区采暖供热标准和《城市热力网设计规范》(CJJ34-2002)、《居住建筑节能设计标准》(DBJ01-602-2004)对具体采暖热指标(考虑管网损失)取值如下：居住建筑50W/m2；公共建筑65W/m2。参照棚户区改造前居住建筑与公共建筑面积比例约为2:1，则设计热负荷指标加权平均值为55W/m2。该城镇总建筑面积共计270万m2，则设计热负荷为148.5MW。
该地区夏季天气凉爽，暂不考虑集中制冷负荷。
2.具体方案
运行方式为以热定电，则供能系统设备选型应保证能够满足该城镇最大热负荷，并参照负荷变化确定基础容量和调峰容量。由图2所示负荷延时曲线分析，取定93.6MW作为基础负荷与调峰负荷的分界线，调峰容量与基础容量比例为1:1.7。污水处理厂设计热处理能力50000t/d，若污水源低温余热全部利用，温度由12℃降至5℃，污水源热泵COP值为3.5，则污水源热泵共可提供初级加热功率为23.8MW。由延时曲线可以看到，污水源热泵可在整个采暖周期内满负荷运行。二次加热采用清洁燃煤蒸汽背压机组，背压机组需提供供热功率69.8MW，蒸汽量约为100t/h。调峰负荷由循环流化床热水锅炉满足，需提供供热功率为54.9MW。根据量产设备型号，配置方案如表1所示。
表1系统配置情况
由配置设备情况看，全部供热能力合计152MW，大于148.5MW负荷需求，能够满足该城镇供热需求。
同样供热需求下，单纯采用燃煤蒸汽背压机组需配置2×12MW燃煤蒸汽背压机组满足基础供热负荷，配置58MW循环流化床热水锅炉满足调峰负荷。
3.不同商业模式技术经济性对比分析
多能源协同供应系统输入能源形式有燃煤化学能、电能、污水源低温余热能，输出能源形式是电能和采暖热能。上网电价与采暖热价由地区政府制定，短时间内不会发生变化，因此项目经济性主要取决于初投资和用能成本。表2给出了最不利条件(污水源热泵耗电采用大工业加权平均用电价格)下，多能源协同供应系统与单纯采用燃煤蒸汽背压机组系统的技术经济性指标对比结果。
表2系统技术经济性指标
对比两系统的技术经济参数可以看到，多能源协同供应系统(系统一)具有更高的热电比，比燃煤蒸汽背压机系统(系统二)高出42.6％；系统一全采暖季总煤耗量更低，低于系统二约29.7％。其主要原因是系统一中污水源热泵利用电能吸收污水中低温余热用于采暖供热，与系统二相比降低了燃煤蒸汽背压机组配置容量，同时，系统一的燃煤蒸汽背压机机组运行小时数低于系统二，所以标煤耗量相应降低。但系统一中污水源热泵需消耗大量电能，当该电价采用大工业加权平均电价时，系统用能成本较高，使得项目财务投资收益率为6.89％，低于系统二的投资收益率。但系统一污水源耗电电量的价格为可变量，可采用低价的弃风弃光电量、也可将污水源耗电并入厂用电，利用燃煤蒸汽背压机组发电电量。污水源热泵耗电价格对投资收益率的影响如图3所示。由图3可以看到，随着污水源热泵耗电价格降低，项目投资财务内部收益率呈线性增加趋势。当污水源热泵的用电价格低于0.383元/kWh时，方案一的收益率将好于方案二；当污水源热泵用电并入燃煤蒸汽背压机组厂用电后，等效于污水源热泵的用电电价为0.252元/kWh，因此若购入的弃风弃光电量能够低于0.252元/kWh时，将有助于降低运营成本，提升项目经济性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种多能源协同供应系统，其特征在于，包括：
污水源热泵机组，其通过污水源热泵吸收污水中低温余热对热网水进行一级加热；
蒸汽背压机组，其排汽用来对所述热网水进行二级加热；以及
调峰热水锅炉，所述调峰热水锅炉用来在尖峰热负荷需求时对所述热网水进行供热。
2.根据权利要求1所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述污水源热泵用弃风和/或弃光电量驱动。
3.根据权利要求1所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述蒸汽背压机组采用燃煤蒸汽背压机组。
4.根据权利要求1所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述调峰热水锅炉采用循环流化床调峰热水锅炉。
5.根据权利要求1所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述多能源协同供应系统还包括污水处理厂，所述污水源热泵吸收所述污水处理厂中污水的低温余热。
6.根据权利要求5所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述多能源协同供应系统还包括吸收式制冷机组，所述吸收式制冷机组布置在冷用户侧，所述污水处理厂给所述吸收式制冷机组提供低温冷源。
7.根据权利要求6所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述蒸汽背压机组的排汽通过蒸汽管道输送至冷用户侧用于驱动所述吸收式制冷机组。
8.根据权利要求7所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述吸收式制冷机组根据用户用冷温度需求，采用氨基或溴化锂基吸收式制冷机组。
9.根据权利要求8所述的多能源协同供应系统，其特征在于，所述污水处理厂的中水经处理后给所述蒸汽背压机组、所述调峰热水锅炉或热网系统补充水源。
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