CN113028478A - 一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统及方法 - Google Patents

一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，包括供热热源、蒸汽供热管网模块、蓄热供热系统模块、电加热系统模块。一方面，本发明提出利用高温蓄热储能系统实现对富余热网蒸汽进行存储和释放，实现热网蒸汽热能的高效利用，同时利用电蓄热过热器作为二级热源，解决蓄热存储与释放过程中蒸汽温度降低的问题，保证了供热蒸汽品位。另一方面，提出利用蓄热技术实现局部供热的方法，解决了蒸汽热网在低负荷情况下的经济性差的问题，并且避免了热损过大导致的冷凝水过多出现局部水击等安全风险的问题，提升了蒸汽热网运行的经济性和安全性。同时，蓄热系统补充增加了热网尖峰负荷时的供热能力，热网的负荷容量。

Description

一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统及方法
技术领域
本发明涉及蓄热供热技术及新能源发电技术领域，特别涉及一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统及方法。
背景技术
随着区域供热和集中供热的发展，依托大型电厂余热蒸汽进行集中供热满足工业园区的蒸汽需求，替代小型锅炉供热机组，不仅有利于燃烧污染物的排放，同时对于降低供热成本，提升电厂效益均具有积极意义。
需要指出的是，随着热网的超前布局，由于热网前期热用户不足，局部热用户用能负荷波动大等，都有可能造成热网负荷不足或者负荷波动较大。于此同时，区域热网的管网面积大，这就可能导致在低负荷情况改下，热网管损较大带来的经济损失明显，同时由于冷凝水过多形成的局部水击现象对热网的安全性带来的冲击是对于热网的运行也构成严重威胁。如何解决蒸汽热网低负荷运行下的经济性和安全性问题，成为部分热网面临的迫切需求。
中国专利CN 111563828 A公开了一种基于需求响应的蒸汽热网优化调度方法，调整不同热用户的用热行为，平缓蒸汽热网的负荷波动，从而优化蒸汽管网的运行，提高效益，降低成本。但该专利主要通过灵活调节工业用热来实现运行负荷的稳定性，这将对主要热用户的用热造成一定的限制，降低其用热自由度。这一方法可以通过主动激励的方法通过调节热用户的用能习惯达到降低热负荷的波动特征，在一定程度上解决了热网负荷波动对热网经济性影响的问题。但是，并没有从根本上解决低负荷下的热损以及水击问题。
因此，如何从系统本身解决大热网对于热负荷大幅波动的适应性问题，是热网供热系统亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其包括供热热源、蒸汽供热管网模块、蓄热供热系统模块和电加热系统模块；供热热源与蒸汽供热管网模块相连，蒸汽供热管网模块上装有若干蓄热供热系统模块，电加热系统模块与蓄热供热系统模块相连；
蒸汽供热管网模块包括蒸汽供热母管、若干蒸汽供热支管、支管开关阀、热用户和若干母管截止阀；蒸汽供热母管上装有若干蒸汽供热支管，每条蒸汽供热支管的入口装有支管开关阀，各蒸汽供热支管分别连接有热用户，在不同热用户之间的蒸汽供热母管上安装有若干母管截止阀；
蓄热供热系统模块包括蓄热进汽支管、蓄热进汽开关阀、蓄热蒸发/冷凝换热器、蓄热蒸发/冷凝换热器保温层、蓄热换热管、蓄热器疏水阀、蓄热器疏水管、蓄水箱、蓄热供水泵、蓄热供水管、蓄热供水逆止阀、蓄热过热器进汽管、蓄热过热器进汽单向阀、蓄热过热器电加热棒、蓄热过热换热管、蓄热过热器、蓄热过热器保温层、蓄热供汽支管和蓄热供汽开关阀；
蒸汽供热母管上装有若干蓄热进汽支管，蓄热进汽支管入口设有蓄热进汽开关阀，蓄热进汽支管、蓄热换热管、蓄热疏水管与蓄水箱顺次相连，蓄热换热管嵌入蓄热蒸发/冷凝换热器中，蓄热蒸发/冷凝换热器外装有蓄热蒸发/冷凝换热器保温层，蓄水箱出口与蓄热供水管一端相连，蓄热供水管另一端与蓄热换热管相连，蓄热供水管与蓄热疏水管在蓄水箱和蓄热换热管之间形成并联管路，蓄热疏水管上装有蓄热疏水阀，蓄热供水管上装有蓄热供水泵和蓄热供水逆止阀，蓄热过热器进汽管入口连接蓄热进汽开关阀下游的蓄热进汽支管，另一端与蓄热过热换热管和蓄热供汽支管顺次相连，在蓄热供汽支管上设有蓄热供汽开关阀，蓄热过热器电加热棒与蓄热过热换热管嵌入蓄热过热器中，蓄热过热器外装有蓄热过热器保温层；
供热热源与蒸汽供热母管连接，从而实现供热热源与蒸汽供热管网模块的连接；蒸汽供热母管与蓄热进汽支管相连，蓄热供汽支管与蒸汽供热支管或蓄热进汽开关阀上游的蓄热进汽支管连接，从而实现蓄热供热系统模块与蒸汽供热管网模块的连接；所述电加热系统模块与蓄热供热系统模块中的蓄热过热器电加热棒连接，用于结合新能源和电网对蓄热过热器电加热棒进行供电。
作为优选，所述的电加热系统模块包括母线、若干支线、新能源发电装置、新能源供电开关、电网供电开关、并网开关、输电线、蓄热过热器供电线、新能源输电线和电网输电线；蓄热过热器利用的电能一方面由新能源发电装置在新能源供电开关的控制下经新能源输电线通过蓄热过热器供电线送入，另一方面由电网在电网供电开关的控制下经电网输电线输送至电蓄热过热器供电线用于为蓄热过热器供电，新能源发电装置产生的多余的电能通过支线送入母线，母线在并网开关的控制下经输电线送入电网。
作为优选，所述的蓄热供热系统模块的最小蓄热能力为热网处于最低热负荷时所需要的蓄热量。
作为优选，所述的蓄热蒸发/冷凝换热器和蓄热过热器均采用内嵌管结构。
作为优选，所述的蓄热换热管同时作为冷凝换热和沸腾换热的管道。
作为优选，所述的蓄热蒸发/冷凝换热器和蓄热过热器中的蓄热材料包括高温显热蓄热材料、高温潜热蓄热材料或两者的混合材料，所述的显热蓄热材料包括但不限于石墨、砂子、混凝土、高温陶瓷中的一种或混合物，所述的潜热蓄热材料包括但不限于高温熔化盐类、混合盐类、金属及合金。
作为优选，所述新能源发电装置包括但不限于光伏发电装置、风力发电装置、生物质发电装置。
作为优选，供热热网为树状热网或者环状热网。
作为优选，所述蓄热供热系统模块在支路用户侧或者在供热母管侧；所述蓄热供热系统模块在支路用户侧时，蓄热供汽支管与蒸汽供热支管连接；所述蓄热供热系统模块在供热母管侧时，蓄热供汽支管与蓄热进汽开关阀上游的蓄热进汽支管连接。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统的供热方法，其具体为：
供热热源产生的蒸汽经过蒸汽供热母管进入若干蒸汽供热支管进而送入热用户进行供热；在新能源发电装置发电量足以满足或超过电蓄热负荷需求时，打开新能源供电开关和并网开关，关闭电网供电开关，一路直接输送给蓄热过热器电加热棒，来实现加热蓄热过热器，一路将盈余电能输送到电网，实现新能源发电装置对蓄热过热器电加热棒的供电及盈余电能的并网；在新能源发电装置供电不足以满足电蓄热需求时，打开电网供电开关和并网开关，关闭新能源供电开关，实现电网对蓄热过热器电加热棒的供电；
当热网热负荷＝供热热源的设计负荷时，整个蓄热供热系统模块处于关闭状态，母管截止阀处于全开状态；
当供热热源的设计负荷>热网热负荷>临界管损负荷时，供热热源以设计负荷供热，打开蓄热进汽开关阀和蓄热器疏水阀，则关闭蓄热供水逆止阀、蓄热过热器进汽单向阀和蓄热供汽开关阀，母管截止阀处于全开状态；盈余蒸汽通过蓄热进汽支管进入蓄热蒸发/冷凝换热器中的蓄热换热管实现盈余蒸汽热能的储存，盈余蒸汽冷凝水通过蓄热器疏水管存至蓄水箱；
当临界管损负荷≥热网热负荷时，若整个热网中只有少数蒸汽供热支管热用户存在较低的热负荷需求，即蓄热供热系统模块在支路用户侧，供热热源停止供热，关闭蓄热进汽开关阀，关闭蓄热器疏水阀，打开蓄热供水泵，打开蓄热供水逆止阀、蓄热过热器进汽单向阀和蓄热供汽开关阀，蓄水箱中的冷凝水通过蓄热供水管进入蓄热换热管吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管进入蓄热过热换热管吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管直接进入蒸汽供热支管给热用户供热；若存在局部集中用户热负荷较低时，即蓄热供热系统模块在供热母管侧，关闭这部分局部热网两端母管截止阀，关闭蓄热进汽开关阀，关闭蓄热器疏水阀，打开蓄热供水泵，打开蓄热供水逆止阀、蓄热过热器进汽单向阀和蓄热供汽开关阀，蓄水箱中的蒸馏水通过蓄热供水管进入蓄热换热管吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管进入蓄热过热换热管加热为过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管进入蓄热进汽支管，进而通过蒸汽供热母管进入若干蒸汽供热支管给该局部热网内的热用户供热；
当热网热负荷>供热热源的设计负荷时，供热热源无法满足供热需求时，供热热源按照最大负荷进行工作，母管截止阀处于全开状态；对于蓄热供热系统模块在支路用户侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀，关闭蓄热器疏水阀，打开蓄热供水泵、蓄热供水逆止阀、蓄热过热器进汽单向阀和蓄热供汽开关阀，蓄水箱中的冷凝水通过蓄热供水管进入蓄热换热管吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管进入蓄热过热换热管吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管直接进入蒸汽供热支管给热用户供热，实现对盈余蒸汽热能的释放补充供热；对于蓄热供热系统模块在供热母管侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀，关闭蓄热器疏水阀，打开蓄热供水泵、蓄热供水热逆止阀、蓄热过热器进汽单向阀和蓄热供汽开关阀，蓄水箱中的冷凝水通过蓄热供水管进入蓄热换热管吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管进入蓄热过热换热管吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管进入蓄热进汽支管，进而通过蒸汽供热母管给热用户补充供热。
与现有技术相比，本发明的主要创新和特色在于：
1)本发明提出利用对热网管损敏感性较小的负荷时的富余流量蒸汽作为初级热源，利用高温蓄热储能技术实现存储和释放，实现热网储存蒸汽热能的高效利用，同时利用电蓄热过热器作为二级热源，解决蓄热存储与释放过程中蒸汽温度降低的问题，保证了供热蒸汽品位。同时实现了蓄热蒸汽以蓄热蒸汽自身蓄热蒸汽热源为主，新能源发电等为辅的能量高效梯级利用过程。
2)本发明提出利用蓄热技术实现局部供热的方法，解决了蒸汽热网在低负荷情况下的热损经济性差的问题，并且避免了热损过大导致的冷凝水过多出现局部水击等安全风险的问题，提升了蒸汽热网运行的经济性和安全性。同时，蓄热系统补充增加了热网尖峰负荷时的供热能力，热网的负荷容量。
3)本发明采用蓄热管道直接反向进行供热，简化了系统结构，降低成本。
附图说明
图1为本发明的基于支管热用户的蓄热式树状热网供热系统示意图；
图2为本发明基于支管热用户的蓄热式环状热网供热系统示意图；
图3为蓄热供热系统模块示意图；
图4为本发明基于局部热用户的蓄热式树状热网供热系统示意图图；
图5为基于局部热用户的蓄热式环状热网供热系统示意图；
图中，供热热源1、蒸汽供热管网模块2、蓄热供热系统模块3、电加热系统模块4、蒸汽供热母管2-1、蒸汽供热支管2-2、支管开关阀2-3和热用户2-4、母管截止阀2-5、蓄热进汽支管3-1、蓄热进汽开关阀3-2、蓄热蒸发/冷凝换热器3-3、蓄热蒸发/冷凝换热器保温层3-4、蓄热换热管3-5、蓄热器疏水阀3-6、蓄热器疏水管3-7、蓄水箱3-8、蓄热供水泵3-9、蓄热供水管3-10、蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽管3-12、蓄热过热器进汽单向阀3-13、蓄热过热器电加热棒3-14、蓄热过热换热管3-15、蓄热过热器3-16、蓄热过热器保温层3-17、蓄热供汽支管3-18、蓄热供汽开关阀3-19、母线4-1、若干支线4-2、新能源发电装置4-3、新能源供电开关4-4、电网供电开关4-5、并网开关4-6、输电线4-7、电蓄热过热器供电线4-8、新能源输电线4-9、电网输电线4-10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
如图1、图2、图4、图5所示，分别为本发明中负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统的四种实现形式，其区别是供热热网的形式(树状热网或者环状热网)以及蓄热供热系统模块3的连接位置(在支路用户侧或者在供热母管侧)。但四种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统的基本结构是类似的，其包括供热热源1、蒸汽供热管网模块2、蓄热供热系统模块3、电加热系统模块4四大模块。其中供热热源1与蒸汽供热管网模块2相连，蒸汽供热管网模块2上装有若干蓄热供热系统模块3，电加热系统模块4与蓄热供热系统模块3相连。下面对各模块的具体结构和连接方式进行详细描述。
蒸汽供热管网模块2包括蒸汽供热母管2-1、若干蒸汽供热支管2-2、支管开关阀2-3、热用户2-4和若干母管截止阀2-5；蒸汽供热母管2-1上装有若干蒸汽供热支管2-2，每条蒸汽供热支管2-2的入口装有支管开关阀2-3用于控制蒸汽供热支管2-2与蒸汽供热母管2-1的连通状态，各蒸汽供热支管2-2分别连接有不同的热用户2-4，支管开关阀2-3开启时蒸汽供热母管2-1可通过蒸汽供热支管2-2对热用户2-4进行供热。另外，为了便于不同热用户2-4的独立控制，在不同热用户2-4之间的蒸汽供热母管2-1上安装有若干母管截止阀2-5，具体的母管截止阀2-5安装数量和位置可根据需要独立控制的区域进行调整，需要独立控制的区域均需要设置母管截止阀2-5。
在图1所示的树状热网和图2所示的环状热网中，蒸汽供热母管2-1是不同的，蒸汽树状热网中供热母管2-1单向铺设，供热热源1位于端部，向沿途的热用户2-4进行供热；而在环状热网中供热母管2-1是环形铺设的，可在环线的不同位置接入多个供热热源1和热用户2-4。
蓄热供热系统模块3包括蓄热进汽支管3-1、蓄热进汽开关阀3-2、蓄热蒸发/冷凝换热器3-3、蓄热蒸发/冷凝换热器保温层3-4、蓄热换热管3-5、蓄热器疏水阀3-6、蓄热器疏水管3-7、蓄水箱3-8、蓄热供水泵3-9、蓄热供水管3-10、蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽管3-12、蓄热过热器进汽单向阀3-13、蓄热过热器电加热棒3-14、蓄热过热换热管3-15、蓄热过热器3-16、蓄热过热器保温层3-17、蓄热供汽支管3-18和蓄热供汽开关阀3-19。
蓄热供热系统模块3的具体结构如图3所示，蓄热进汽支管3-1的入口连接在蒸汽供热母管2-1上，蓄热进汽支管3-1入口处设有用于控制蒸汽供热母管2-1和蓄热进汽支管3-1之间连通状态的蓄热进汽开关阀3-2，蓄热进汽支管3-1、蓄热换热管3-5、蓄热疏水管3-7与蓄水箱3-8的入口顺次相连，其中蓄热换热管3-5嵌入蓄热蒸发/冷凝换热器3-3中。蓄热蒸发/冷凝换热器3-3是一个同时兼具冷凝换热和沸腾换热功能的换热器，蓄热蒸发/冷凝换热器3-3外装有蓄热蒸发/冷凝换热器保温层3-4，内部填充蓄热材料。蓄水箱3-8出口与蓄热供水管3-10一端相连，蓄热供水管3-10另一端与蓄热换热管3-5相连，蓄热供水管3-10与蓄热疏水管3-7在蓄水箱3-8和蓄热换热管3-5之间形成并联管路。蓄热疏水管3-7上装有用于控制管路通断的蓄热疏水阀3-6，蓄热供水管3-10上装有用于提供供水动力的蓄热供水泵3-9和用于控制管路通断的蓄热供水逆止阀3-11。蓄热过热器进汽管3-12入口连接蓄热进汽开关阀3-2下游的蓄热进汽支管3-1，另一端与蓄热过热换热管3-15和蓄热供汽支管3-18顺次相连。在蓄热供汽支管3-18上设有控制管路通断的蓄热供汽开关阀3-19。蓄热过热器电加热棒3-14与蓄热过热换热管3-15均嵌入蓄热过热器3-16中，蓄热过热器3-16外装有蓄热过热器保温层3-17，蓄热过热换热管3-15在蓄热过热器3-16内可以与蓄热材料进行换热，当内部温度不足时可以通过蓄热过热器电加热棒3-14对蓄热材料进行补充加热。
电加热系统模块4包括母线4-1、若干支线4-2、新能源发电装置4-3、新能源供电开关4-4、电网供电开关4-5、并网开关4-6、输电线4-7、蓄热过热器供电线4-8、新能源输电线4-9和电网输电线4-10。蓄热过热器3-16利用的电能一方面由新能源发电装置4-3在新能源供电开关4-4的控制下经新能源输电线4-9通过蓄热过热器供电线4-8送入，另一方面由电网在电网供电开关4-5的控制下经电网输电线4-10输送至电蓄热过热器供电线4-8用于为蓄热过热器3-16供电，新能源发电装置4-3产生的多余的电能通过支线4-2送入母线4-1，母线4-1在并网开关4-6的控制下经输电线4-7送入电网。
对于整个供热系统而言，供热热源1与蒸汽供热母管2-1连接，从而实现供热热源1与蒸汽供热管网模块2的连接。蒸汽供热母管2-1与蓄热进汽支管3-1相连，蓄热供汽支管3-18与蒸汽供热支管2-2或蓄热进汽开关阀3-2上游的蓄热进汽支管3-1中至少一个连接，从而实现蓄热供热系统模块3与蒸汽供热管网模块2的连接。而电加热系统模块4中的电蓄热过热器供电线4-8与蓄热供热系统模块3中的蓄热过热器电加热棒3-14连接，使得能够结合新能源和电网对蓄热过热器电加热棒3-14进行供电，从而实现电加热系统模块4与蓄热供热系统模块3的连接。
需要注意的是，蓄热供汽支管3-18末端可以与进汽供热支管2-2相连，此时蓄热供热系统模块3在用户侧，蓄热供热系统模块3直接面向用户供热，这种做法适用于整个热网中只有少数分散性的蒸汽供热支管热用户存在较低的热负荷需求的工况。当然，蓄热供汽支管3-18也可以与蓄热进汽开关阀3-2上游的蓄热进汽支管3-1，此时蓄热供热系统模块3在母管侧，蓄热供热系统模块3通过蒸汽供热母管2-1向管线上的一系列用户供热，这种做法适用于热网上有集中的一片局部区域内热用户存在较低的热负荷需求的工况，此时可单独给该局部热网内的热用户供热，而不影响其余区域的热用户。
在本发明中，蓄热供热系统模块3的最小蓄热能力为热网处于最低热负荷时所需要的蓄热量。
在本发明中，蓄热蒸发/冷凝换热器3-3和蓄热过热器3-16均采用内嵌管结构。蓄热换热管3-5同时作为冷凝换热和沸腾换热的管道。蓄热蒸发/冷凝换热器3-3和蓄热过热器3-16中的蓄热材料包括高温显热蓄热材料、高温潜热蓄热材料或两者的混合材料，所述的显热蓄热材料包括但不限于石墨、砂子、混凝土、高温陶瓷中的一种或混合物，所述的潜热蓄热材料包括但不限于高温熔化盐类、混合盐类、金属及合金。
在本发明中，新能源发电装置4-3包括但不限于光伏发电装置、风力发电装置、生物质发电装置，具体可根据实际需要选择。
基于上述负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，本发明提供的供热方法根据热网的总热负荷、供热热源1的设计负荷以及临界管损负荷选择不同的模式进行供热，具体如下：
1)供热热源1产生的蒸汽经过蒸汽供热母管2-1进入若干蒸汽供热支管2-2进而送入热用户2-4进行供热。在新能源发电装置4-3发电量足以满足或超过电蓄热负荷需求时，打开新能源供电开关4-4和并网开关4-6，关闭电网供电开关4-5，一路直接输送给蓄热过热器电加热棒3-14，来实现加热蓄热过热器3-16，一路将盈余电能输送到电网，实现新能源发电装置4-3对蓄热过热器电加热棒3-14的供电及盈余电能的并网。在新能源发电装置4-3供电不足以满足电蓄热需求时，打开电网供电开关4-5和并网开关4-6，关闭新能源供电开关4-4，实现电网对蓄热过热器电加热棒3-14的供电。
2)当热网热负荷＝供热热源1的设计负荷时，整个蓄热供热系统模块3处于关闭状态，母管截止阀2-5处于全开状态；
3)当供热热源1的设计负荷>热网热负荷>临界管损负荷时，供热热源1以设计负荷供热，打开蓄热进汽开关阀3-2和蓄热器疏水阀3-6，则关闭蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，母管截止阀2-5处于全开状态；盈余蒸汽通过蓄热进汽支管3-1进入蓄热蒸发/冷凝换热器3-3中的蓄热换热管3-5实现盈余蒸汽热能的储存，盈余蒸汽冷凝水通过蓄热器疏水管3-7存至蓄水箱3-8；
4)当临界管损负荷≥热网热负荷时，若整个热网中只有少数蒸汽供热支管热用户存在较低的热负荷需求，即蓄热供热系统模块3在支路用户侧，供热热源1停止供热，关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18直接进入蒸汽供热支管2-2给热用户供热；若存在局部集中用户热负荷较低时，即蓄热供热系统模块3在供热母管侧，关闭这部分局部热网两端母管截止阀2-5，关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的蒸馏水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15加热为过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1进入若干蒸汽供热支管2-2给该局部热网内的热用户供热。
具体的，本发明中结合图1、图2、图4、图5分别给出临界管损负荷≥热网热负荷时不同的热网情况下的供热方式。
如图1所示，当热网为树状热网，且蓄热系统模块在用户侧时。供热热源1停止供热；关闭蓄热进汽开关阀3-2、蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18直接进入部分热用户对应的蒸汽供热支管2-2给热用户供热。
如图2所示，当热网为环状热网，且蓄热系统模块在用户侧时。供热热源1停止供热；关闭蓄热进汽开关阀3-2、蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18直接进入部分热用户对应的蒸汽供热支管2-2给热用户供热。
如图4所示，当热网为树状热网，且蓄热系统模块在母管侧时。关闭热网局部两端母管截止阀2-5。关闭蓄热进汽开关阀3-2，蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的蒸馏水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15加热为过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1进入若干蒸汽供热支管2-2给较为集中的部分热用户供热，不需要单个用户分别供热。
如图5所示，当热网为环状热网，且蓄热系统模块在母管侧时。关闭热网局部两端母管截止阀2-5。关闭蓄热进汽开关阀3-2，蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9，打开蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的蒸馏水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15加热为过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1进入若干蒸汽供热支管2-2给较为集中的部分热用户供热，不需要单个用户分别供热。
5)当热网热负荷>供热热源1的设计负荷时，供热热源1无法满足供热需求时，供热热源1按照最大负荷进行工作，母管截止阀2-5处于全开状态。对于蓄热供热系统模块3在支路用户侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成再热蒸汽，再热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18直接进入蒸汽供热支管2-2给热用户供热，实现对盈余蒸汽热能的释放补充供热；对于蓄热供热系统模块3在供热母管侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水热逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1给热用户补充供热。
同样的，本发明中结合图1、图2、图4、图5分别给出热网热负荷>供热热源1的设计负荷情况下的供热方式。
如图1所示，当热网为树状热网，且蓄热系统模块在用户端时。关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成再热蒸汽，再热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18给热用户供热，实现对盈余蒸汽热能的释放补充供热。
如图2所示，当热网为环状热网，且蓄热系统模块在用户端时。关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成再热蒸汽，再热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18给热用户供热，实现对盈余蒸汽热能的释放补充供热。
如图4所示，当热网为树状热网，且蓄热系统模块在母管侧时。关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水热逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1给热用户补充供热。
如图5所示，当热网为环状热网，且蓄热系统模块在母管侧时。关闭蓄热进汽开关阀3-2，关闭蓄热器疏水阀3-6，打开蓄热供水泵3-9、蓄热供水热逆止阀3-11、蓄热过热器进汽单向阀3-13和蓄热供汽开关阀3-19，蓄水箱3-8中的冷凝水通过蓄热供水管3-10进入蓄热换热管3-5吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管3-12进入蓄热过热换热管3-15吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管3-18进入蓄热进汽支管3-1，进而通过蒸汽供热母管2-1给热用户补充供热。
本发明提出利用对热网管损敏感性较小的负荷时的富余流量蒸汽作为初级热源，利用高温蓄热储能技术实现存储和释放，实现热网储存蒸汽热能的高效利用，同时利用电蓄热过热器作为二级热源，解决蓄热存储与释放过程中蒸汽温度降低的问题，保证了供热蒸汽品位。同时实现了蓄热蒸汽以蓄热蒸汽自身蓄热蒸汽热源为主，新能源发电等为辅的能量高效梯级利用过程。本发明提出利用蓄热技术实现局部供热的方法，解决了蒸汽热网在低负荷情况下的热损经济性差的问题，并且避免了热损过大导致的冷凝水过多出现局部水击等安全风险的问题，提升了蒸汽热网运行的经济性和安全性。同时，蓄热系统补充增加了热网尖峰负荷时的供热能力，热网的负荷容量。此外，本发明采用蓄热管道直接反向进行供热，简化了系统结构，降低成本。

Claims (10)

1.一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于包括供热热源(1)、蒸汽供热管网模块(2)、蓄热供热系统模块(3)和电加热系统模块(4)；供热热源(1)与蒸汽供热管网模块(2)相连，蒸汽供热管网模块(2)上装有若干蓄热供热系统模块(3)，电加热系统模块(4)与蓄热供热系统模块(3)相连；
蒸汽供热管网模块(2)包括蒸汽供热母管(2-1)、若干蒸汽供热支管(2-2)、支管开关阀(2-3)、热用户(2-4)和若干母管截止阀(2-5)；蒸汽供热母管(2-1)上装有若干蒸汽供热支管(2-2)，每条蒸汽供热支管(2-2)的入口装有支管开关阀(2-3)，各蒸汽供热支管(2-2)分别连接有热用户(2-4)，在不同热用户(2-4)之间的蒸汽供热母管(2-1)上安装有若干母管截止阀(2-5)；
蓄热供热系统模块(3)包括蓄热进汽支管(3-1)、蓄热进汽开关阀(3-2)、蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)、蓄热蒸发/冷凝换热器保温层(3-4)、蓄热换热管(3-5)、蓄热器疏水阀(3-6)、蓄热器疏水管(3-7)、蓄水箱(3-8)、蓄热供水泵(3-9)、蓄热供水管(3-10)、蓄热供水逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽管(3-12)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)、蓄热过热器电加热棒(3-14)、蓄热过热换热管(3-15)、蓄热过热器(3-16)、蓄热过热器保温层(3-17)、蓄热供汽支管(3-18)和蓄热供汽开关阀(3-19)；
蒸汽供热母管(2-1)上装有若干蓄热进汽支管(3-1)，蓄热进汽支管(3-1)入口设有蓄热进汽开关阀(3-2)，蓄热进汽支管(3-1)、蓄热换热管(3-5)、蓄热疏水管(3-7)与蓄水箱(3-8)顺次相连，蓄热换热管(3-5)嵌入蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)中，蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)外装有蓄热保温层(3-4)，蓄水箱(3-8)出口与蓄热供水管(3-10)一端相连，蓄热供水管(3-10)另一端与蓄热换热管(3-5)相连，蓄热供水管(3-10)与蓄热疏水管(3-7)在蓄水箱(3-8)和蓄热换热管(3-5)之间形成并联管路，蓄热疏水管(3-7)上装有蓄热疏水阀(3-6)，蓄热供水管(3-10)上装有蓄热供水泵(3-9)和蓄热供水逆止阀(3-11)，蓄热过热器进汽管(3-12)入口连接蓄热进汽开关阀(3-2)下游的蓄热进汽支管(3-1)，另一端与蓄热过热换热管(3-15)和蓄热供汽支管(3-18)顺次相连，在蓄热供汽支管(3-18)上设有蓄热供汽开关阀(3-19)，蓄热过热器电加热棒(3-14)与蓄热过热换热管(3-15)嵌入蓄热过热器(3-16)中，蓄热过热器(3-16)外装有蓄热过热器保温层(3-17)；
供热热源(1)与蒸汽供热母管(2-1)连接，从而实现供热热源(1)与蒸汽供热管网模块(2)的连接；蒸汽供热母管(2-1)与蓄热进汽支管(3-1)相连，蓄热供汽支管(3-18)与蒸汽供热支管(2-2)或蓄热进汽开关阀(3-2)上游的蓄热进汽支管(3-1)连接，从而实现蓄热供热系统模块(3)与蒸汽供热管网模块(2)的连接；所述电加热系统模块(4)与蓄热供热系统模块(3)中的蓄热过热器电加热棒(3-14)连接，用于结合新能源和电网对蓄热过热器电加热棒(3-14)进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述的电加热系统模块(4)包括母线(4-1)、若干支线(4-2)、新能源发电装置(4-3)、新能源供电开关(4-4)、电网供电开关(4-5)、并网开关(4-6)、输电线(4-7)、蓄热过热器供电线(4-8)、新能源输电线(4-9)和电网输电线(4-10)；蓄热过热器(3-16)利用的电能一方面由新能源发电装置(4-3)在新能源供电开关(4-4)的控制下经新能源输电线(4-9)通过蓄热过热器供电线(4-8)送入，另一方面由电网在电网供电开关(4-5)的控制下经电网输电线(4-10)输送至电蓄热过热器供电线(4-8)用于为蓄热过热器(3-16)供电，新能源发电装置(4-3)产生的多余的电能通过支线(4-2)送入母线(4-1)，母线(4-1)在并网开关(4-6)的控制下经输电线(4-7)送入电网。
3.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述的蓄热供热系统模块(3)的最小蓄热能力为热网处于最低热负荷时所需要的蓄热量。
4.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述的蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)和蓄热过热器(3-16)均采用内嵌管结构。
5.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述的蓄热换热管(3-5)同时作为冷凝换热和沸腾换热的管道。
6.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述的蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)和蓄热过热器(3-16)中的蓄热材料包括高温显热蓄热材料、高温潜热蓄热材料或两者的混合材料，所述的显热蓄热材料包括但不限于石墨、砂子、混凝土、高温陶瓷中的一种或混合物，所述的潜热蓄热材料包括但不限于高温熔化盐类、混合盐类、金属及合金。
7.根据权利要求2所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述新能源发电装置(4-3)包括但不限于光伏发电装置、风力发电装置、生物质发电装置。
8.根据权利要求1所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于供热热网为树状热网或者环状热网。
9.根据权利要求8所述的一种负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统，其特征在于所述蓄热供热系统模块(3)在支路用户侧或者在供热母管侧；所述蓄热供热系统模块(3)在支路用户侧时，蓄热供汽支管(3-18)与蒸汽供热支管(2-2)连接；所述蓄热供热系统模块(3)在供热母管侧时，蓄热供汽支管(3-18)与蓄热进汽开关阀(3-2)上游的蓄热进汽支管(3-1)连接。
10.一种基于权利要求9所述负荷大幅波动的蓄热式蒸汽热网供热系统的供热方法，其特征在于：
供热热源(1)产生的蒸汽经过蒸汽供热母管(2-1)进入若干蒸汽供热支管(2-2)进而送入热用户(2-4)进行供热；在新能源发电装置(4-3)发电量足以满足或超过电蓄热负荷需求时，打开新能源供电开关(4-4)和并网开关(4-6)，关闭电网供电开关(4-5)，一路直接输送给蓄热过热器电加热棒(3-14)，来实现加热蓄热过热器(3-16)，一路将盈余电能输送到电网，实现新能源发电装置(4-3)对蓄热过热器电加热棒(3-14)的供电及盈余电能的并网；在新能源发电装置(4-3)供电不足以满足电蓄热需求时，打开电网供电开关(4-5)和并网开关(4-6)，关闭新能源供电开关(4-4)，实现电网对蓄热过热器电加热棒(3-14)的供电；
当热网热负荷＝供热热源(1)的设计负荷时，整个蓄热供热系统模块(3)处于关闭状态，母管截止阀(2-5)处于全开状态；
当供热热源(1)的设计负荷>热网热负荷>临界管损负荷时，供热热源(1)以设计负荷供热，打开蓄热进汽开关阀(3-2)和蓄热器疏水阀(3-6)，则关闭蓄热供水逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)和蓄热供汽开关阀(3-19)，母管截止阀(2-5)处于全开状态；盈余蒸汽通过蓄热进汽支管(3-1)进入蓄热蒸发/冷凝换热器(3-3)中的蓄热换热管(3-5)实现盈余蒸汽热能的储存，盈余蒸汽冷凝水通过蓄热器疏水管(3-7)存至蓄水箱(3-8)；
当临界管损负荷≥热网热负荷时，若整个热网中只有少数蒸汽供热支管热用户存在较低的热负荷需求，即蓄热供热系统模块(3)在支路用户侧，供热热源(1)停止供热，关闭蓄热进汽开关阀(3-2)，关闭蓄热器疏水阀(3-6)，打开蓄热供水泵(3-9)，打开蓄热供水逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)和蓄热供汽开关阀(3-19)，蓄水箱(3-8)中的冷凝水通过蓄热供水管(3-10)进入蓄热换热管(3-5)吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管(3-12)进入蓄热过热换热管(3-15)吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管(3-18)直接进入蒸汽供热支管(2-2)给热用户供热；若存在局部集中用户热负荷较低时，即蓄热供热系统模块(3)在供热母管侧，关闭这部分局部热网两端母管截止阀(2-5)，关闭蓄热进汽开关阀(3-2)，关闭蓄热器疏水阀(3-6)，打开蓄热供水泵(3-9)，打开蓄热供水逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)和蓄热供汽开关阀(3-19)，蓄水箱(3-8)中的蒸馏水通过蓄热供水管(3-10)进入蓄热换热管(3-5)吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管(3-12)进入蓄热过热换热管(3-15)加热为过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管(3-18)进入蓄热进汽支管(3-1)，进而通过蒸汽供热母管(2-1)进入若干蒸汽供热支管(2-2)给该局部热网内的热用户供热；
当热网热负荷>供热热源(1)的设计负荷时，供热热源(1)无法满足供热需求时，供热热源(1)按照最大负荷进行工作，母管截止阀(2-5)处于全开状态；对于蓄热供热系统模块(3)在支路用户侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀(3-2)，关闭蓄热器疏水阀(3-6)，打开蓄热供水泵(3-9)、蓄热供水逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)和蓄热供汽开关阀(3-19)，蓄水箱(3-8)中的冷凝水通过蓄热供水管(3-10)进入蓄热换热管(3-5)吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管(3-12)进入蓄热过热换热管(3-15)吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管(3-18)直接进入蒸汽供热支管(2-2)给热用户供热，实现对盈余蒸汽热能的释放补充供热；对于蓄热供热系统模块(3)在供热母管侧的情况，关闭蓄热进汽开关阀(3-2)，关闭蓄热器疏水阀(3-6)，打开蓄热供水泵(3-9)、蓄热供水热逆止阀(3-11)、蓄热过热器进汽单向阀(3-13)和蓄热供汽开关阀(3-19)，蓄水箱(3-8)中的冷凝水通过蓄热供水管(3-10)进入蓄热换热管(3-5)吸热蒸发，再而通过蓄热过热器进汽管(3-12)进入蓄热过热换热管(3-15)吸热成过热蒸汽，过热蒸汽通过蓄热供汽支管(3-18)进入蓄热进汽支管(3-1)，进而通过蒸汽供热母管(2-1)给热用户补充供热。
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