CN112944451A - 基于隔压站的天然气补能分级利用系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统及调节方法，属于供热设备技术领域，天然气补能分级利用系统包括设于隔压站的热网循环水泵、首站热网加热器、热泵和余热锅炉，一次网供水经热源供水管路经首站热网加热器及热泵两级放热后通过热源回水管路返回；用户回水一部分经首站热网加热器及热网循环水泵至用户端、另一部分经热泵及余热锅炉加热后进入用户端；余热锅炉由燃气轮机加热。本发明通过燃气轮机燃烧天然气，对余热锅炉内热网回水进行热交换，利用天然气对回收部分余热补充供热，减少了一次网输送的热量，实现了天然气高品位能源的分级利用，根据天然气的投入量，替代部分一次网供热量，优化了系统的供热能耗。

Description

基于隔压站的天然气补能分级利用系统及调节方法

技术领域

本发明属于供热设备技术领域，尤其涉及一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统及调节方法。

背景技术

近些年来随着我国集中供热事业的飞速发展，同时为了满足节能减排的需求，新建的热源离供热区域越来越远，供热半径越来越大，隔压站的应用也越来越多。当前的隔压站中主要采用板换和热网循环水泵，将一次网的热能传递到二次网侧，其中部分隔压站为了配合热源端的余热利用，通过在隔压站内增加热泵，以降低一次网回水温度，热泵形式包括水源式、压缩式、吸收式等主要形式。

隔压站是城市采暖系统中实现热源与用户侧换热功能的地方，承担着隔绝一次网和二次网水压、一次网和二次网热量转换、为二次网水流提供循环动力等的职能。目前一二次网压差大的热网供暖普遍采用此种方式，并且经过多年的发展，隔压站实现了无人值守、智能控制等多种模式。但是，现有隔压站并不能提供额外的供热能力，供热参数完全依靠一次网条件，供热能耗也完全依赖于一次网，不能对二次网进行供热调整。

发明内容

本发明提供一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统及调节方法，旨在解决现有技术中隔压站无法提供额外供热能力、供热系统能耗较大、供热调整灵活性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统，包括设置于隔压站的热网循环水泵、首站热网加热器、热泵和余热锅炉，一次网供水经热源供水管路经首站热网加热器及热泵两级放热后通过热源回水管路返回；用户回水一部分经首站热网加热器及热网循环水泵至用户端、另一部分经热泵及余热锅炉加热后进入用户端；所述余热锅炉由燃气轮机加热。

优选的，还包括发电机，所述发电机的输入轴与燃气轮机的输出轴同轴固定；所述发电机为热泵及热网循环水泵提供电源。

优选的，所述燃气轮机设有空气入口管路及天然气入口管路，所述燃气轮机的天然气入口路管上设有燃气增压装置。

优选的，所述用户回水管路依次经首站热网加热器、热网循环水泵、热网加热器供水管路与用户供水管路连通；所述用户回水管路上设有与热泵相连的分支回水管路，所述热泵出水经热泵供水管路进入余热锅炉，所述余热锅炉出水经余热锅炉供水管路与用户供水管路相连。

一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统调节方法，包括以下步骤：

S100：首先设定一次网回水降低目标温度为Δt；

S200：当实际一次网回水温差小于Δt时，投运分支回水管路、热泵供水管路及余热锅炉供水管路，并计算燃气轮机的天然气投运量，进入步骤S300，

当实际一次网回水温差不小于Δt时，返回步骤S100；

S300：启动热泵、燃气轮机及余热锅炉并投入运行；

S400：根据需要调整热泵管路、余热锅炉管路及余热锅炉供水管路的管路循环流量。

优选的，所述天然气补能分级系统调节公式如下：

一次网余热回收量与的一次网的热网循环水量及一次网回水降低温度的关系式：

w_余＝q_一次*Δt (1)

一次网余热回收量等同于余热功率，热泵输出功率与余热功率及热泵输入功率之间关系如下：

w_余＝w_输入(cop-1) (2)

w_热泵＝w_余+w_输入 (3)

燃气轮机的电功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_燃机＝q*c*η_电 (4)

燃气轮机的电功率与热泵输入功率及热网循环水泵功率的关系：

w_燃机＝w_输入+w_水泵 (5)

余热锅炉功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_余锅炉＝q*c*η_余锅炉 (6)

热网循环水泵功率和一次网流量之间的关系：

w_水泵＝q_一次*g*h/(3.6*η) (7)

由关系式(1)-(7)，得到一次网回水降低温度与燃气轮机的燃气量关系如下：

式中：w_余：一次网余热回收量；q_一次：一次网的热网循环水量；Δt：一次网回水降低温度；w_输入：热泵输入功率；cop：热泵制热性能；w_燃机：燃机的电功率；q：燃机的燃气量；c：燃气热值；η_电：燃机电效率；w_水泵：热网循环水泵功率；w_余锅炉：余热锅炉功率；η_余锅炉：余热回收效率；g：重力加速度；h：水泵扬程；η：水泵效率。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过在隔压站设置热网循环水泵、首站热网加热器、热泵燃气轮机及余热锅炉，利用天然气回收部分余热补充供热，减少了一次网输送的热量，实现了天然气高品位能源的分级利用，根据天然气的投入量，替代部分一次网供热量，优化了系统的供热能耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统的结构示意图；

图2是本发明的控制逻辑框图；

图中：101-热网循环水泵，102-首站热网加热器，103-热泵，104-发电机，105-燃气轮机，106-燃气增压装置，107-余热锅炉，201-热源供水管路，202-热源回水管路，203-用户回水管路，204-空气入口管路，205-天然气入口管路，206-尾气排汽管路，207-用户供水管路；301-热网循环水泵供电线路，302-用户回水至热网加热器管路，303-分支回水管路，304-热网加热器供水管路，305-热泵供水管路，306-余热锅炉供水管路，307-汽轮机排汽至余热锅炉管路,308-热泵机组供电线路。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统，包括设置于隔压站的热网循环水泵101、首站热网加热器102、热泵103、发电机104和余热锅炉107，一次网供水经热源供水管路201经首站热网加热器102及热泵103两级放热后通过热源回水管路202返回；用户回水一部分经首站热网加热器102及热网循环水泵101至用户端、另一部分经热泵103及余热锅炉107加热后进入用户端；所述余热锅炉107由燃气轮机105加热；所述发电机104的输入轴与燃气轮机105的输出轴同轴固定，将燃气轮机的机械能通过发电机转化为电能，通过热网循环水泵供电线路301为热网循环水泵101供电，并通过热泵机组供电线路308为热泵103供电。

其中，所述燃气轮机105设有空气入口管路204及天然气入口管路205，所述燃气轮机105的天然气入口路管205上设有燃气增压装置106。通过燃气增压装置可确保燃气轮机的供气压力稳定不波动。

如图1所示，所述用户回水管路203依次经首站热网加热器102、热网循环水泵101、热网加热器供水管路304与用户供水管路207连通；所述用户回水管路203上设有与热泵103相连的分支回水管路303，所述热泵103出水经热泵供水管路305进入余热锅炉107，所述余热锅炉107出水经余热锅炉供水管路306与用户供水管路207相连。其中，用户回水管路203通过用户回水至热网加热器管路302与首站热网加热器102相连。

采用上述结构的循环水供热流程如下：一次网供水通过热源供水管路201依次经过首站热网加热器102、热泵103两级放热后通过热源回水管路202返回。用户回水通过用户回水管路203，其中一部分回水经过首站热网加热器102、热网循环水泵101、热网加热器供水管路304后至用户供水管路207，另一部分回水经过分支回水管路303、热泵103、热泵供水管路305、余热锅炉供水管路306后至用户供水管路207后供出。

燃气轮机的燃气流程如下：天然气通过天然气入口管路205进入燃气增压装置106，空气通过空气入口管路204后进入燃气轮机105。燃气和空气通过燃气轮机105后通过汽轮机排汽至余热锅炉管路307排出进入余热锅炉107放热，放热后经过尾气排汽管路206排出。

本发明还提供一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统调节方法，应用上述基于隔压站的天然气补能分级利用系统进行调节，控制逻辑如图2所示，包括以下步骤：

S100：首先设定一次网回水降低目标温度为Δt；

S200：当实际一次网回水温差小于Δt时，投运分支回水管路、热泵供水管路及余热锅炉供水管路，并计算燃气轮机的天然气投运量，进入步骤S300，

当实际一次网回水温差不小于Δt时，返回步骤S100；

S300：启动热泵、燃气轮机及余热锅炉并投入运行；

S400：根据需要调整热泵管路、余热锅炉管路及余热锅炉供水管路的管路循环流量。

其中，所述天然气补能分级系统调节公式如下：

一次网余热回收量与的一次网的热网循环水量及一次网回水降低温度的关系式：

w_余＝q_一次*Δt (1)

一次网余热回收量等同于余热功率，热泵输出功率与余热功率及热泵输入功率之间关系如下：

w_余＝w_输入(cop-1) (2)

w_热泵＝w_余+w_输入 (3)

燃气轮机的电功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_燃机＝q*c*η_电 (4)

燃气轮机的电功率与热泵输入功率及热网循环水泵功率的关系：

w_燃机＝w_输入+w_水泵 (5)

余热锅炉功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_余锅炉＝q*c*η_余锅炉 (6)

热网循环水泵功率和一次网流量之间的关系：

w_水泵＝q_一次*g*h/(3.6*η) (7)

由关系式(1)-(7)，得到一次网回水降低温度与燃气轮机的燃气量关系如下：

式中：w_余：一次网余热回收量；q_一次：一次网的热网循环水量；Δt：一次网回水降低温度；w_输入：热泵输入功率；cop：热泵制热性能；w_燃机：燃机的电功率；q：燃机的燃气量；c：燃气热值；η_电：燃机电效率；w_水泵：热网循环水泵功率；w_余锅炉：余热锅炉功率；η_余锅炉：余热回收效率；g：重力加速度；h：水泵扬程；η：水泵效率。

实施例1：

某隔压站一次网原供热状态如下：一次热网循环流量5000t/h，一次网供水温度110℃，回水60℃，对应二次网循环流量为5000t/h，供水温度105℃，回水温度55℃，总体供热负荷为290MW的供热量。

应用本发明后，在隔压站新增设备热网循环水泵101、首站热网加热器102、热泵103、发电机104及余热锅炉107，一次热网回水由原60℃降低至45℃，共可回收余热87MW，热泵cop1.67，驱动电功130MW，热泵总功率217MW，二次网侧热泵进水温度55℃，热泵出水75℃，热泵二次网侧循环水量9347t/h，余热锅炉出口温度85℃，余热锅炉放热量108.5MW，二次网供水流量14347t/h，最终给水温度92℃，通过增大了二次网的循环流量增大了隔压站的供热能力325.5MW，包括余热回收87MW供热能力，和天然气补充的240.5MW(132MW电功率、108.5MW热功率)供热能力。

在一次网热网供热参数不变的情况下，通过应用本发明，二次网的供热温度降低，供热流量增大，使得隔压站的供热能力增大325.5MW，从而补充二次网的供热。

若保证供热负荷维持290MW不变，则应用本发明后，一次热网循环水量下降为2360t/h，热泵二次网侧循环水流量为4411t/h，热网最终给水温度92℃，总供热负荷为290MW，其中热网加热器热负荷137MW，余热负荷41MW，天然气补充113.5MW(62.5MW电功率、51MW热功率)。

综上所述，应用本发明能够减少一次网输送的热量，利用天燃气能源回收部分余热补充供热，实现了天然气高品位能源的分级利用，根据天然气的投入量，替代部分一次网供热量，优化了系统的供热能耗。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本发明不受上面公开的具体实施例的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、替换和变型也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统，其特征在于：包括设置于隔压站的热网循环水泵、首站热网加热器、热泵和余热锅炉，一次网供水经热源供水管路经首站热网加热器及热泵两级放热后通过热源回水管路返回；用户回水一部分经首站热网加热器及热网循环水泵至用户端、另一部分经热泵及余热锅炉加热后进入用户端；所述余热锅炉由燃气轮机加热。

2.根据权利要求1所述的基于隔压站的天然气补能分级利用系统，其特征在于：还包括发电机，所述发电机的输入轴与燃气轮机的输出轴同轴固定；所述发电机为热泵及热网循环水泵提供电源。

3.根据权利要求2所述的基于隔压站的天然气补能分级利用系统，其特征在于：所述燃气轮机设有空气入口管路及天然气入口管路，所述燃气轮机的天然气入口路管上设有燃气增压装置。

4.根据权利要求4所述的基于隔压站的天然气补能分级利用系统，其特征在于：所述用户回水管路依次经首站热网加热器、热网循环水泵、热网加热器供水管路与用户供水管路连通；所述用户回水管路上设有与热泵相连的分支回水管路，所述热泵出水经热泵供水管路进入余热锅炉，所述余热锅炉出水经余热锅炉供水管路与用户供水管路相连。

5.一种基于隔压站的天然气补能分级利用系统调节方法，应用如权利要求4所述的基于隔压站的天然气补能分级利用系统，其特征在于，调节方法包括以下步骤：

S100：首先设定一次网回水降低目标温度为Δt；

S200：当实际一次网回水温差小于Δt时，投运分支回水管路、热泵供水管路及余热锅炉供水管路，并计算燃气轮机的天然气投运量，进入步骤S300，

当实际一次网回水温差不小于Δt时，返回步骤S100；

S300：启动热泵、燃气轮机及余热锅炉并投入运行；

S400：根据需要调整热泵管路、余热锅炉管路及余热锅炉供水管路的管路循环流量。

6.根据权利要求5所述的基于隔压站的天然气补能分级利用系统调节方法，其特征在于，所述天然气补能分级系统调节公式如下：

一次网余热回收量与的一次网的热网循环水量及一次网回水降低温度的关系式：

w_余＝q_一次*Δt (1)

一次网余热回收量等同于余热功率，热泵输出功率与余热功率及热泵输入功率之间关系如下：

w_余＝w_输入(cop-1) (2)

w_热泵＝w_余+w_输入 (3)

燃气轮机的电功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_燃机＝q*c*η_电 (4)

燃气轮机的电功率与热泵输入功率及热网循环水泵功率的关系：

w_燃机＝w_输入+w_水泵 (5)

余热锅炉功率与燃气轮机的燃气量之间关系：

w_余锅炉＝q*c*η_余锅炉 (6)

热网循环水泵功率和一次网流量之间的关系：

w_水泵＝q_一次*g*h/(3.6*η) (7)

由关系式(1)-(7)，得到一次网回水降低温度与燃气轮机的燃气量关系如下：

式中：w_余：一次网余热回收量；q_一次：一次网的热网循环水量；Δt：一次网回水降低温度；w_输入：热泵输入功率；cop：热泵制热性能；w_燃机：燃机的电功率；q：燃机的燃气量；c：燃气热值；η_电：燃机电效率；w_水泵：热网循环水泵功率；w_余锅炉：余热锅炉功率；η_余锅炉：余热回收效率；g：重力加速度；h：水泵扬程；η：水泵效率。

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