CN117490276A - 基于燃气锅炉的分布式能源系统及系统运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及能源利用技术领域，具体涉及一种基于燃气锅炉的分布式能源系统及系统运行方法。所述分布式能源系统包括：燃气锅炉，用于加热锅炉给水以得到蒸汽；燃料供应装置，用于为燃气锅炉稳定供应燃料；发电机，用于将机械能转化成用户所需的电能；背压机组，用于将蒸汽的热能转化成发电机所需的机械能；换热器，用于从背压机组的排气中置换出用户所需的热能；吸收式制冷机，用于利用背压机组的排气中的热能驱动制冷循环，获取用户所需的冷能。采用本申请提供的系统，可根据用户需要调整热电比，提高能源利用率，减少资源浪费。

Description

基于燃气锅炉的分布式能源系统及系统运行方法

技术领域

本申请涉及能源利用技术领域，具体涉及一种基于燃气锅炉的分布式能源系统及一种系统运行方法。

背景技术

目前，供暖方式大致分为集中供暖和分户供暖两种，其中，集中供暖包括城市热力管网供暖和区域锅炉房供暖，分户供暖包括分户式燃气采暖、家庭空调供暖、散煤燃烧取暖等。

集中供暖受地域限制大，只能在热源点附近供暖。散煤燃烧取暖又引起环境污染，1吨散煤燃烧相当于5到10吨燃煤电厂排放的污染物。

分布式能源是解决上述问题的有效途径。分布式能源是一种向一定区域的用户提供电力、蒸汽、热水和空调冷水的综合能源服务系统。目前，主要以天然气为燃料，通过燃气轮机或燃气内燃机发电，400-600℃的排烟通过各种方式按照不同的温度逐级利用，一次能源效率可以达到80％以上。与分产系统相比，节能率达到20％-40％，可以实现大幅度节能，减少环境污染，“电代煤”、“气代煤”的能源转型要求。然而，现有的基于燃机和内燃机的分布式能源系统，无法根据用户需要调整热电比，在热电比一定的情况下，只能通过消耗更多原料以达到用户对热或电的需求，而在此过程中容易产生多余的电或热。若产生多余的热能，热能会随时间快速流失则容易造成能量和资源浪费，若产生多余的电能则会占用风电等新能源发电的并网空间，影响风光等新能源的消纳能力，在供暖季可能造成弃风弃光等问题，不利于新能源的有效利用。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种基于燃气锅炉的分布式能源系统及一种系统运行方法。

为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种基于燃气锅炉的分布式能源系统，所述分布式能源系统包括：燃气锅炉，用于加热锅炉给水以得到蒸汽；燃料供应装置，用于为燃气锅炉稳定供应燃料；发电机，用于将机械能转化成用户所需的电能；背压机组，用于将蒸汽的热能转化成发电机所需的机械能；换热器，用于从背压机组的排气中置换出用户所需的热能；吸收式制冷机，用于利用背压机组的排气中的热能驱动制冷循环，获取用户所需的冷能。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述燃气锅炉设有燃料入口和空气入口，所述空气入口与用于运送空气的空气管道连通；所述燃料供应装置包括燃气管道，所述燃气管道用于连通天然气管道和燃料入口，所述燃气管道上设有开关阀，用于控制燃气管道的通断。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述燃气锅炉设有燃料入口和空气入口，所述空气入口与用于运送空气的空气管道连通；所述燃料供应装置包括煤气化设备，所述煤气化设备用于将原煤从固体燃料处理成清洁的气体燃料，并将气体燃料送入锅炉的燃料入口。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述煤气化设备包括：气化炉，用于为预制煤的气化提供反应场所以及必要的温度、压力条件；所述预制煤为原煤经过预处理后得到的煤；煤气净化模块，用于净化处理由气化炉制得的粗制水煤气，以得到清洁的气体燃料。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述煤气化设备还包括：预处理模块，用于对原煤进行预处理，所述预处理包括：将原煤破碎后，加入预设量助熔剂后磨成煤粉并干燥，其中，煤粉粒径为5-90um。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述背压机组包括：高压汽轮机，与燃气锅炉的主蒸汽出口连接，用于将蒸汽的热能转化成发电机所需的机械能；低压汽轮机，与高压汽轮机的排气口连接，用于将高压汽轮机的排气中的热能转化成发电机所需的机械能。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述分布式能源系统还包括：除氧器，用于去除锅炉给水中的氧气；给水泵，用于向燃气锅炉运输锅炉给水，以及将锅炉给水加压至期望值。

基于第一方面，在本申请一些实施例中，所述分布式能源系统还包括：压力匹配器，与燃气锅炉的主蒸汽出口连接，用于将从燃气锅炉中抽取的蒸汽的参数调节成用户所需的值；其中参数包括温度和压力。

第二方面，本申请提供一种适用于上述分布式能源系统的系统运行方法，包括：获取用户的热能和/或冷能需求量；基于热能和/或冷能需求量确定背压机组的排气量；根据背压机组的排气量以及热能和/或冷能需求量，确定燃气锅炉的锅炉给水蒸发量；根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。

第三方面，本申请提供一种适用于上述分布式能源系统的系统运行方法，包括：获取用户的电需求量；根据电需求量确定燃气锅炉的锅炉给水蒸发量；根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。

本申请至少具备以下有益效果：

本申请基于燃气锅炉，采用朗肯循环实现热、电、冷联供，可以实现更高的热电比，即系统在满足供热需求的同时，可以降低发电量，不占用风电等新能源发电的并网空间，提升消纳风光新能源的消纳能力。同时该系统综合能源利用率更高，且造价和维护费用相对低于燃气蒸汽联合循环。

本申请实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请实施例，但并不构成对本申请实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了本申请实施例的一种分布式能源系统的结构示意图；

图2示意性示出了本申请实施例的另一种分布式能源系统的结构示意图。

附图标记说明

101-燃气管道；102-煤气化装置；2-燃气锅炉；3-压力匹配器；4-高压汽轮机；5-低压汽轮机；6-发电机；7-换热器；8-吸收式制冷机；9-除氧器；10-给水泵；11-空气管道。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例，并不用于限制本申请实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本实施例提供一种基于燃气锅炉2的分布式能源系统，具体的，所述分布式能源系统包括：燃气锅炉2，用于加热锅炉给水以得到蒸汽；燃料供应装置，用于为燃气锅炉2稳定供应燃料；发电机6，用于将机械能转化成用户所述需的电能；背压机组，用于将蒸汽的热能转化成发电机6所需的机械能；换热器7，用于从背压机组的排气中置换出用户所需的热能；吸收式制冷机8，用于利用背压机组的排气中的热能驱动制冷循环，获取用户所需的冷能。

其中，燃气锅炉2为一种能量转换和传递装置，通过燃烧锅炉内的燃气(天然气或煤气)将化学能转化为热能，通过炉内的换热器7将热量传递给锅炉给水，进而产生高温高压蒸汽。

背压机组包括高压汽轮机4和低压汽轮机5两部分，将高温高压蒸汽的热力学能转化为机械能。

发电机6则将背压机组提供的机械能转化成用户所述需的电能。

所述的换热器7可以为汽水换热器7，其冷流入口来源为系统对外供热回水。

吸收式制冷机8，包括烟气式吸收式制冷机8和热水式吸收制冷机两种，将燃气锅炉2的排烟或一部分低压汽轮机5排气转化为冷能。

此外，系统还包括：

压力匹配器3，用于调节系统对外输出蒸汽的温度和压力等参数，用于满足热用户的特殊参数需求。

除氧器9，用于去除锅炉给水中的氧气，防止锅炉给水含氧量较高造成锅炉的氧化。

给水泵10，用于将锅炉给水加压达到主蒸汽压力要求。

空气管道11，空气管道11与燃气锅炉2的空气入口相连，将适量的空气送入锅炉燃烧室内。

实施例2

具体的，本实施例中，燃料供应装置供应的燃料为天然气，因此，所述燃料供应装置包括燃气管道101，燃气管道101输入端与天然气输送管道相连，输出端与燃气锅炉2的燃料入口相连，通过燃气管道101可以将天然气运送到燃气锅炉2的燃烧室内。优选的，所述燃气管道101上设有开关阀，用于控制燃气管道101的通断。

示例性的，如图1所示，分布式能源系统的具体连接方式为：燃气管道101、空气管道11分别与燃气锅炉2的燃料入口和空气入口相连，燃气锅炉2主蒸汽出口分别与高压汽轮机4蒸汽入口和压力匹配器3入口相连，高压汽轮机4排气口与低压汽轮机5蒸汽入口相连，高压汽轮机4抽汽口与除氧器9热源入口相连，低压汽轮机5排气口与三通阀相连，三通阀一端与换热器7热源入口相连，另一端与吸收式制冷机8热源入口相连，换热器7热源出口和吸收式制冷机8热源出口分别与除氧器9入口相连，除氧器9出口与给水泵10入口相连，给水泵10出口与燃气锅炉2给水入口相连。

经试验，该分布式能源系统具有较高的能源利用效率，一次能源利用效率可以达到90％；并且，系统具有较好的环境特性，燃气在锅炉中燃烧后向大气中排放的烟气中不含烟尘和硫化物，氮氧化物含量低于30mg/m3；基于本发明提出的新型分布式能源系统，全年综合热电比达到3.0以上；系统具有较高的热电比，可以在供暖季为采暖用户提供大量的热能，并且不占用风电等新能源发电的并网空间。

实施例3

如图2所示，本实施例中，燃料供应装置供应的燃料为气化煤。即利用煤气化技术将固体煤转化成气体。具体的，述燃料供应装置包括煤气化设备，所述煤气化设备用于将原煤从固体燃料处理成清洁的气体燃料，并将气体燃料送入锅炉的燃料入口。

煤气化设备主要包括气化炉、空分子装置、煤气净化装置等，煤气化系统可以采用一种或多种不同的煤气化技术，例如：固定床气化、气流床气化、熔浴床气化等煤气化技术。

煤气化技术的基本原理为：经过适当处理的煤进入反应器如气化炉内，在一定的温度和压力下，通过氧化剂(空气或氧气和水蒸汽等)以一定得流动方式(移动床、流化床或携带床)转化成气体，得到粗制水煤气，通过后续脱硫脱碳等工艺可以得到精制一氧化碳。

分布式能源系统的工艺过程如下：原料煤经破碎，加入适量助熔剂后磨成粉煤并干燥，粉煤粒径5-90um。经粉煤仓缓存，用高压氮气通过粉煤密相气流输送，与气化剂氧气及水蒸汽一起在4.1MPa条件下，进入气化炉炉膛内，完成煤升温、挥发份脱除、裂解、气化等一系列物理和化学变化后气化，气化产物为粗合成气，约3.96MPa、1500℃,冷却至900℃以下后依次进行脱尘、脱硫过程得到洁净的合成气。合成气在燃气锅炉2内燃烧放热，热量通过炉内的换热器7传递给锅炉给水，进而产生高温高压蒸汽。高温高压蒸汽进入高压汽轮机4和低压汽轮机5，将高温高压蒸汽的热力学能转化为机械能。背压机组的末级排气分别进入吸收式制冷机8和换热器7为用户提供冷能和热能，当用户负荷中有较高参数的热负荷需求时，从燃气锅炉2出口处进行抽气，抽气首先进入压力匹配器3进行参数调节，然后供给热用户。

采用该系统具备以下有益效果：

1)可采用低成本的煤气化技术，获得成本低于天然气的合成气；

2)综合能源利用效率高，达到80％以上；

3)环保排放低，NOx排放极低，可达到30mg/Nm3以下；转化为合成气后，SO2、粉尘等排放亦极低。

实施例4

本实施例提供一种系统运行方法，适用于上文所述的分布式能源系统，所述运行方法包括：

A1、获取用户的热能和/或冷能需求量；

A2、基于热能和/或冷能需求量确定背压机组的排气量；

A3、根据背压机组的排气量以及热能和/或冷能需求量，确定燃气锅炉2的锅炉给水蒸发量；

A4、根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。

具体的，本实施例中采用“以热定电”的运行方式，即以满足用户总热负荷为基础，通过调节汽轮机末级排气压力和燃气锅炉2蒸发量来调整分布式能源系统对外输出热量的大小，同时，根据用户冷、热负荷情况调整进入吸收式制冷机8和换热器7中的排气量。以燃料为煤为例：根据工业热用户和居民热用户的热负荷需求确定被压机组末级排气流量和锅炉出口蒸汽抽气量，根据被压机组最小流量限制确定锅炉给水量，进而确定燃气锅炉2所需合成的煤气量，最后根据合成的煤气需求量确定煤气化设备的运行状态，即确定输入气化炉的原煤量。

实施例5

本实施例提供一种系统运行方法，适用于上述的分布式能源系统，所述运行方法包括：

B1、获取用户的电需求量；

B2、根据电需求量确定燃气锅炉2的锅炉给水蒸发量；

B3、根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。

具体的，本实施例中采用“以电定热”的运行方式，即以满足用户电负荷为基础，汽轮机排气压力为定值，通过调整燃气锅炉2的蒸发量来调整汽轮机对外输出功，进而控制分布式系统对外输出电量，满足用户负荷的电能需求。以燃料为煤为例：根据用户的电负荷需求情况确定燃气锅炉2的蒸发量，进而确定燃气锅炉2的合成的煤气需求量，最后根据需求量确定煤气化设备的运行状态，即确定输入气化炉的原煤量。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于燃气锅炉的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统包括：

燃气锅炉，用于加热锅炉给水以得到蒸汽；

燃料供应装置，用于为燃气锅炉稳定供应燃料；

发电机，用于将机械能转化成用户所需的电能；

背压机组，用于将蒸汽的热能转化成发电机所需的机械能；

换热器，用于从背压机组的排气中置换出用户所需的热能；

吸收式制冷机，用于利用背压机组的排气中的热能驱动制冷循环，获取用户所需的冷能。

2.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述燃气锅炉设有燃料入口和空气入口，所述空气入口与用于运送空气的空气管道连通；所述燃料供应装置包括燃气管道，所述燃气管道用于连通天然气管道和燃料入口，所述燃气管道上设有开关阀，用于控制燃气管道的通断。

3.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述燃气锅炉设有燃料入口和空气入口，所述空气入口与用于运送空气的空气管道连通；所述燃料供应装置包括煤气化设备，所述煤气化设备用于将原煤从固体燃料处理成清洁的气体燃料，并将气体燃料送入锅炉的燃料入口。

4.根据权利要求3所述的分布式能源系统，其特征在于，所述煤气化设备包括：

气化炉，用于为预制煤的气化提供反应场所；所述预制煤为原煤经过预处理后得到的煤；

煤气净化模块，用于净化处理由气化炉制得的粗制水煤气，以得到清洁的气体燃料。

5.根据权利要求4所述的分布式能源系统，其特征在于，所述煤气化设备还包括：

预处理模块，用于对原煤进行预处理，所述预处理包括：

将原煤破碎后，加入预设量助熔剂后磨成煤粉并干燥，其中，煤粉粒径为5-90um。

6.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述背压机组包括：

高压汽轮机，与燃气锅炉的主蒸汽出口连接，用于将蒸汽的热能转化成发电机所需的机械能；

低压汽轮机，与高压汽轮机的排气口连接，用于将高压汽轮机的排气中的热能转化成发电机所需的机械能。

7.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括：

除氧器，用于去除锅炉给水中的氧气；

给水泵，用于向燃气锅炉运输锅炉给水，以及将锅炉给水加压至期望值。

8.根据权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括：

压力匹配器，与燃气锅炉的主蒸汽出口连接，用于将从燃气锅炉中抽取的蒸汽的参数调节成用户所需的值；其中参数包括温度和压力。

9.一种系统运行方法，适用于权利要求1～8中任一项所述的分布式能源系统，其特征在于，所述运行方法包括：

获取用户的热能和/或冷能需求量；

基于热能和/或冷能需求量确定背压机组的排气量；

根据背压机组的排气量以及热能和/或冷能需求量，确定燃气锅炉的锅炉给水蒸发量；

根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。

10.一种系统运行方法，适用于权利要求1～8中任一项所述的分布式能源系统，其特征在于，所述运行方法包括：

获取用户的电需求量；

根据电需求量确定燃气锅炉的锅炉给水蒸发量；

根据锅炉给水蒸发量，确定锅炉给水量和燃料供应量。