一种多能协同的城镇能源供应系统及其控制调节方法与流程

本发明属于能源环保领域，具体来讲涉及一种能源供应系统及其控制调节方法。

背景技术：

电厂电力的生产和消费是同步完成的，在非采暖季，电厂的乏汽、烟气余热等能源缺少加以储存和利用的手段，多被释放散失到大气中，造成能源的浪费，因而从优化的角度分析，电厂的能源存在很大的节能潜力。而与此同时，居民的生活热水、集中供暖、电器设备等又往往需要消耗额外的能源。例如，居民的集中供热往往由小区锅炉房或市政热网供应，而锅炉房或市政热网需要烧煤、烧燃气等来产热。居民的生活热水往往需要使用电加热等高能耗设备。

现有技术中利用电厂余热为居民供热的系统往往存在系统热电调节性能差、动态供需不匹配等问题。

因此，亟待解决的技术问题是提供一种综合利用电厂的余热及多种形式的其他能源来解决居民及工业用户的工业蒸汽、电力、供暖和生活热水等需求的一体化系统，以解决系统热电调节性能差和动态供需的不匹配的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种多能互补的协同能源供应系统，所述系统用于对外提供蒸汽、电力、热水中的一种或多种，所述系统包括：能源岛、输配管线、末端及用户单元；

所述能源岛包括锅炉、汽轮机、发电机、省料器、空预器、除尘器、喷淋塔、梯级能量塔、回热器、冷凝器、工业余热热泵、太阳能集热器、烟囱、储热器；

所述末端及用户单元包括：蒸汽用户、电用户、采暖用户、生活热水用户中的一种或多种；

所述能源岛提供的蒸汽、电力、热水的一种或多种通过输配管线提供给所述末端及用户单元。

进一步的，所述锅炉产生的蒸汽通过管路进入汽轮机做功推动发电机产生的电能供能源岛自用及工业余热换热热泵使用，并通过电网输送到所述末端及用户单元中的电用户及其他用电设备；

所述汽轮机的工业抽汽通过管路对外提供蒸汽至所述蒸汽用户；

所述汽轮机的乏汽通过管路进入所述冷凝器，冷凝后的冷凝水通过管路进入所述回热器，从汽轮机的抽汽通过管路进入回热器并加热冷凝水，经加热后的冷凝水进入所述锅炉；

所述锅炉的烟气通过管路依次进入所述省料器、空预器、除尘器、喷淋塔、烟囱；

喷淋液在喷淋塔中喷淋烟气，对烟气进行全热回收，随后喷淋液进入梯级能量塔并与循环介质进行换热；

第一换热介质从储热器的冷端出口流出后分为三路，其中一路通过管路进入梯级能量塔，与喷淋液进行热量交换，再经由管路输送至太阳能集热器；另外一路通过管路进入冷凝器，回收乏汽热量后，通过管路进入太阳能集热器；从太阳能集热器流出的第一换热介质通过管路进入储热器；第三路通过管路进入工业余热换热热泵并经加热后通过管路进入储热器；

所述储热器通过输配管线将第二换热介质提供给所述末端及用户单元。

进一步的，所述末端及用户单元还包括板式换热器、中深层地热热泵、板式换热器、采暖水源热泵、板式换热器、生活热水水源热泵、热水箱；

所述储热器的第二换热介质通过供水主管流出后分为两路，其中一路通过管路进入所述板式换热器并经换热后进入所述中深层地热热泵的蒸发器侧，随后通过管路流出并流入地热井；另外一路通过管路进入所述板式换热器并换热后经管路流出，随后分为三个支路：

其中支路一通过管路进入所述采暖水源热泵的蒸发器侧并经管路流出后经管路回到所述储热器；

其中支路二通过管路进入所述板式换热器并换热，随后经管路流出后经管路回到所述储热器；

其中支路三通过管路进入所述生活热水水源热泵的蒸发器侧并经管路流出后经管路回到所述储热器；

第三循环介质从所述采暖用户流出后通过管路进入所述中深层地热热泵的冷凝器侧，随后进入所述板式换热器并换热，然后通过管路进入所述采暖用户；

第三循环介质从所述采暖用户流出后通过管路进入所述采暖水源热泵的冷凝器侧，随后进入所述板式换热器并换热，然后通过管路进入所述采暖用户；

自来水从管路进入所述板式换热器并经换热后进入所述生活热水水源热泵的冷凝器侧，并经管路进入所述热水箱，随后进入所述生活热水用户。

进一步的，所述锅炉包括生物质锅炉和垃圾锅炉，所述生物质锅炉和垃圾锅炉产生的蒸汽经合并后进入所述汽轮机；经回热器加热的冷凝水分为两路，分别进入所述生物质锅炉和垃圾锅炉。

进一步的，所述喷淋塔分为两部分，下部为脱硫塔，用于烟气脱硫和显热回收，上部为消白器，进行烟气全热回收和消白；所述喷淋塔为两级或多级喷淋。

进一步的，所述梯级能量塔为两级或多级循环，多级循环串联；所述梯级能量塔的级数与喷淋塔级数相匹配。

进一步的，所述储热器是一个热水箱，所述第一换热介质和所述第二换热介质均为水，所述储热器起到对系统的补水、定压和隔压作用，其中储热器热端的水温为80-90℃，冷端的水温为15-20℃，从而实现大温差梯度储热。

进一步的，所述储热器是一个固体储热器，所述第一换热介质用于向所述储热器储热，所述第二换热介质用于从所述储热器取热。

进一步的，所述能源岛向所述末端及用户单元供热的系统为低温供热系统，供水温度低于90℃，回水温度低于20℃，至所述末端及用户单元的供水温度低于50℃，末端及用户单元的各换热端差低于3℃

本发明还提供一种根据以上发明中的任一项所述的系统的控制调节方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

s1：电力协同子步骤：当末端及用户单元的电力需求降低时，增加所述能源岛中的工业余热换热热泵的电力消耗量；当末端及用户单元的电力需求升高时，降低所述能源岛中的工业余热换热热泵的电力消耗量；所述电子协同子步骤在锅炉主蒸汽量不变的条件下，实现对输出电力的连续调节；

s2：末端地热、水源热泵热电的峰谷调节子步骤：控制末端及用户单元的各个地热、水源热泵，使其在谷期消纳更多的电力，并对末端供热量进行补充调峰；

s3：蒸汽供应调节子步骤：当末端及用户单元的蒸汽需求降低时，降低从所述汽轮器的抽汽量，使汽轮机的排汽量增加，乏汽进入冷凝器，使得更多的热量回收到循环介质中并储存于储热器；当末端及用户单元的蒸汽需求增加时，增加从所述汽轮器的抽汽量，使汽轮机的排汽量减少；

s4：热力协同子步骤：调整所述能源岛的储热器的储热量及供热量，利用输配热网和用户建筑热惰性，进行热网低温的日质调节，在不影响管道应力和补偿器伸缩下适当日量调节，解决动态的供应和需求负荷不稳定问题，调节供热量和发电量的矛盾，实现热电协同；

s5：太阳能、工业余热波动调节子步骤：使所述太阳能集热器及工业余热作为储热器的能源补充，实现太阳能与热能的“光热互补”；

s6：生物质、垃圾燃料波动调节子步骤：调整生物质燃料和垃圾燃烧的供应量，使二者之间有效补充，从而实现二者锅炉主蒸汽总量不变的条件下的灵活调节。

进一步的，所述方法还包括如下步骤：

s7:在所述系统的关键位置处设置温度传感器、流速传感器、压力传感器中的一种或多种，采集所述传感器的参数并利用所述参数调节所述系统在全年及各个工况下的运行。

本发明能够实现电力协同供应、热力协同供应、蒸汽供应波动调节、太阳能、工业余热波动调节、生物质、垃圾燃料波动调节、末端地热、水源热泵热电的峰谷调节等有益的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的一种多能协同的城镇能源供应系统的第一方面实施例；

1-1-能源岛；1-2-输配管线；1-3-末端及用户单元；101-生物质锅炉；102-垃圾锅炉；103-汽轮机；104-省料器；105-空预器；106-除尘器；107-喷淋塔；108-梯级能量塔；109-回热器；110-冷凝器；111-工业余热换热热泵；112-太阳能集热器；113-烟囱；114-储热器；115-发电机；201地热井；301-板式换热器；302-中深层地热热泵；303-板式换热器；304-采暖水源热泵；305-板式换热器；306-生活热水水源热泵；307-热水箱；401-蒸汽用户；402-电用户；403-采暖用户；404采暖用户；405-生活热水用户；l1-l40-管道。

具体实施方式

实施例一

结合图1。本实施例公开一种多能协同的城镇能源供应系统，所述系统用于对外提供蒸汽、电力、热水中的一种或多种，所述系统包括：能源岛1-1、输配管线1-2、末端及用户单元1-3；

所述能源岛包括锅炉、汽轮机103、发电机115、省料器104、空预器105、除尘器106、喷淋塔107、梯级能量塔108、回热器109、冷凝器110、工业余热热泵111、太阳能集热器112、烟囱113、储热器114；

所述末端及用户单元包括：蒸汽用户401、电用户402、采暖用户403、生活热水用户405中的一种或多种；

所述能源岛提供的蒸汽、电力、热水的一种或多种通过输配管线提供给所述末端及用户单元。

具体的，所述锅炉产生的蒸汽通过管路进入汽轮机103做功推动发电机115产生的电能供能源岛自用及工业余热换热热泵111使用，并通过电网输送到所述末端及用户单元中的电用户402及其他用电设备。

所述汽轮机103的工业抽汽通过管路l3对外提供蒸汽至所述蒸汽用户401。

所述汽轮机103的乏汽通过管路l4进入所述冷凝器110，冷凝后的冷凝水通过管路l16进入所述回热器109，从汽轮机103的抽汽通过管路l5进入回热器109并加热冷凝水，经加热后的冷凝水进入所述锅炉。

所述锅炉的烟气通过管路依次进入所述省料器104、空预器105、除尘器106、喷淋塔107、烟囱113。

喷淋液在喷淋塔107中喷淋烟气，对烟气进行全热回收，随后喷淋液进入梯级能量塔108并与循环介质进行换热。

第一换热介质从储热器114的冷端出口流出后分为三路，其中一路通过管路l14进入梯级能量塔108，与喷淋液进行热量交换，再经由管路l15输送至太阳能集热器112；另外一路通过管路l17进入冷凝器110，回收乏汽热量后，通过管路l18进入太阳能集热器112；从太阳能集热器112流出的第一换热介质通过管路l19进入储热器114；第三路通过管路l17b进入工业余热换热热泵111并经加热后通过管路l20进入储热器114。

所述储热器114通过输配管线将第二换热介质提供给所述末端及用户单元。具体来讲所述第一换热介质为水。所述储热器114可以是一个热水箱，将第一换热介质储存其中，在这种情况下，第二换热介质也是水，或者说第一换热介质和第二换热介质是同一介质，同时起到对系统的定压和隔压作用。

其中储热器114的热端的水温为80-90℃，冷端的水温为15-20℃实现大温差梯度储热，储热容量用于满足跨季节储热，同时还可以作为系统的补水箱。

在另外的实施例中，所述储热器114还可以是一个固体储热器，第一换热介质通过热交换将热量储存在所述储热器114中的储热固体材料中，第二换热介质再将储存在固体材料中的热量换出并提供给末端的用户。

本实施例中，所述末端及用户单元还包括板式换热器301、中深层地热热泵302、板式换热器303、采暖水源热泵304、板式换热器305、生活热水水源热泵306、热水箱307。

所述储热器114的第二换热介质通过供水主管l21流出后分为两路，其中一路通过管路l23进入所述板式换热器301并经换热后进入所述中深层地热热泵302的蒸发器侧，随后通过管路l24流出并流入地热井201；另外一路通过管路l25进入所述板式换热器303并换热后经管路l26流出，随后分为三个支路：

其中支路一通过管路l27进入所述采暖水源热泵304的蒸发器侧并经管路l28流出后经管路l22回到所述储热器114；

其中支路二通过管路l29进入所述板式换热器305并换热，随后经管路l30流出后经管路l22回到所述储热器114；

其中支路三通过管路l31进入所述生活热水水源热泵306的蒸发器侧并经管路l32流出后经管路l22回到所述储热器114。

第三循环介质从所述采暖用户403流出后通过管路l38进入所述中深层地热热泵302的冷凝器侧，随后进入所述板式换热器301并换热，然后通过管路l37进入所述采暖用户403。第三换热介质可以是水。

第三循环介质从所述采暖用户404流出后通过管路l40进入所述采暖水源热泵304的冷凝器侧，随后进入所述板式换热器303并换热，然后通过管路l39进入所述采暖用户404。

自来水从管路l33进入所述板式换热器305并经换热后进入所述生活热水水源热泵306的冷凝器侧，并经管路l35进入所述热水箱307，随后进入所述生活热水用户405。

具体来说，所述锅炉包括生物质锅炉101和垃圾锅炉102，所述生物质锅炉101和垃圾锅炉102产生的蒸汽经合并后进入所述汽轮机103；经回热器109加热的冷凝水分为两路，分别进入所述生物质锅炉101和垃圾锅炉102。生物质锅炉不独立设置脱硫塔，与垃圾锅炉共用喷淋塔，生物质和垃圾锅炉的烟气含硫量低，含水率高，通过喷淋塔喷淋回收热量和水

所述喷淋塔分为两部分，下部为脱硫塔，用于烟气脱硫和显热回收，上部为消白器，进行烟气全热回收和消白；所述喷淋塔为两级或多级喷淋。所述喷淋塔中的喷淋液中含有脱硫脱硝试剂。

所述梯级能量塔为两级或多级循环，多级循环串联；所述梯级能量塔的级数与喷淋塔级数相匹配。

本实施例所公开的系统在采暖季和非采暖季工作的流程如下：

非采暖季：储热器114冷端出口的第一换热介质分为三路，其中一路经由l14、能量塔108回收烟气余热后经由l15进入太阳能集热器112，另一路经由l17至冷凝器110回收乏汽余热后经由l18进入太阳能集热器112，第三路经由l17b进入工业余热换热热泵111进行加热后与从太阳能集热器112流出的第一换热介质合并后进入储热器114的热端入口；即工业余热、太阳能及烟气余热均可以储存在所述储热器114中。

采暖季：当储热器114热端出口温度满足初寒期供热参数时，将储热器114跨季节储存的热量梯级送至输配管线系统，实现放热循环，部分热量在输配管线储存；同时，全年运行的生物质和垃圾电厂、工业余热、太阳能的供热量一同供出，相当于供热能力增加；当输配热网回水主管l22进入储热器114冷端入口的温度低于初寒期供热参数时，能源岛按照出力提升储热器114的热端出口温度。

供向末端及用户单元的供水温度低于90℃，回水温度低于20℃，各换热端差低于3℃，用户末端供水温度低于50℃。

末端及用户单元中的地热、或水源等低温热源的一种或多种分散能源协同补充，其中，地热利用方式为中深层地源热泵，水源利用方式可为城市污水源、中水源和中深层无干扰地热水源热泵，水源热泵可以用于采暖，也可以用于供应生活热水。

本实施例公开的系统能够实现电力协同供应、热力协同供应、蒸汽供应波动调节、太阳能、工业余热波动调节、生物质、垃圾燃料波动调节、末端地热、水源热泵热电的峰谷调节等有益的技术效果，具体如下：

电力协同供应：通过工业余热换热热泵实现能源岛的其他工业余热的回收，在热电供需匹配上，由于电力有峰谷差，在电力需求较小时，利用能源岛蓄热装置储热，利用热泵用电消纳电力，同时也可以通过热泵回收工业余热作为热能补充，实现高效的能源转换；在锅炉主蒸汽量不变的条件下，实现对输出电力的连续调节。

热力协同供应：能源岛的储热器具有储热和放热功能，储热器的储热介质为水体或固体。储热器为跨季节储存太阳能、乏汽和工业余热，用于采暖季储放热日调节以及非采暖季的跨季节储热，同时，利用输配热网和用户建筑热惰性，进行热网低温的日质调节，在不影响管道应力和补偿器伸缩下适当日量调节，解决动态的供应和需求负荷不稳定问题，调节供热量和发电量的矛盾，实现热电协同。

蒸汽供应波动调节：系统可以实现储能和供热、供电、供工业蒸汽，工业蒸汽由汽轮机的抽汽提供，工业蒸汽供应波动，可以通过热、电产品的输出进行适应性调节；其负荷需求减小时，汽轮机的排汽量增加，乏汽进入冷凝器，热量传递至储热器储存；其负荷需求增大时，抽汽增加，排汽量减少，储热系统放热保障供热。

太阳能、工业余热波动调节：能源岛的太阳能和工业余热作为补充能源，太阳能具有日夜波动和天气变化波动，工业余热具有生产性波动，太阳能可以与储热结合；其日夜波动与电力需求的峰谷相耦合，其跨季节性的储热与工业余热的生产性波动相耦合，实现太阳能与热能的“光热互补”。

生物质、垃圾燃料波动调节：生物质燃料为可再生能源，其产量与农林业相关，具有季节性波动的特点，生物质和垃圾燃料作为主要能源，二者有效补充，二者锅炉主蒸汽总量不变的条件下可以实现灵活调节。

末端地热、水源热泵热电的峰谷调节：末端地热、水源热泵规模分散，具有更高的灵活性，其动力为外接电源，一方面作为谷期电力的消纳，一方面作为末端供热量的补充调峰。

实施例二

本实施例公开一种根据实施例一所述的系统的控制调节方法，所述方法包括如下步骤：

s1：电力协同子步骤：当末端及用户单元的电力需求降低时，增加所述能源岛中的工业余热换热热泵的电力消耗量；当末端及用户单元的电力需求升高时，降低所述能源岛中的工业余热换热热泵的电力消耗量；所述电子协同子步骤在锅炉主蒸汽量不变的条件下，实现对输出电力的连续调节；

s2：末端地热、水源热泵热电的峰谷调节子步骤：控制末端及用户单元的各个地热、水源热泵，使其在谷期消纳更多的电力，并对末端供热量进行补充调峰；

s3：蒸汽供应调节子步骤：当末端及用户单元的蒸汽需求降低时，降低从所述汽轮器的抽汽量，使汽轮机的排汽量增加，乏汽进入冷凝器，使得更多的热量回收到循环介质中并储存于储热器；当末端及用户单元的蒸汽需求增加时，增加从所述汽轮器的抽汽量，使汽轮机的排汽量减少；

s4：热力协同子步骤：调整所述能源岛的储热器的储热量及供热量，利用输配热网和用户建筑热惰性，进行热网低温的日质调节，在不影响管道应力和补偿器伸缩下适当日量调节，解决动态的供应和需求负荷不稳定问题，调节供热量和发电量的矛盾，实现热电协同；

s5：太阳能、工业余热波动调节子步骤：使所述太阳能集热器及工业余热作为储热器的能源补充，实现太阳能与热能的“光热互补”；

s6：生物质、垃圾燃料波动调节子步骤：调整生物质燃料和垃圾燃烧的供应量，使二者之间有效补充，从而实现二者锅炉主蒸汽总量不变的条件下的灵活调节。

进一步的，所述方法还包括如下步骤：

s7:在所述系统的关键位置处设置温度传感器、流速传感器、压力传感器中的一种或多种，采集所述传感器的参数并利用所述参数调节所述系统在全年及各个工况下的运行。

本实施例的控制方法为多参数控制调节方法，在各部件关键点布置各类介质的温度、流速(流量)、压力等多个监测点，利用多种监控指标控制介质的热物学参数，指导全年及各变工况运行。

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