CN107931307A - 一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，该系统分为城市污废综合治理子系统、多能互补区域能源站子系统和区域微能源网三个部分，其中区域微能源网由微电网、微气网、微热网及能源总线组成。该系统注重挖掘城市污废中潜藏的被废弃的能量，同时充分使用城市属地可利用的可再生能源；根据需求侧用户冷/热负荷波动变化设置能源使用及运行策略，优先利用污废资源、其次充分利用可再生能源，在本地能源无法满足区域需求时再合理利用区域外部能源；在此基础上通过能源输配网络之间的耦合互补，实现区域冷、热、生活热水、电等能源需求的协同供应，将原本各自为政的处理工艺按照“能源流”的形式上进行系统化、集约化的耦合。
Description
技术领域
本发明属于能源技术领域，特别是一种区域能源微网系统。
背景技术
城市能源供应主要包括供电、供冷、供热、供生活热水等，传统的能源供应模式以化石能源为基础，城市污废资源中蕴藏的能量基本不用，而可再生能源利用规模不大。在全球绿色发展的大背景下，充分利用城市属地的清洁能源和从污废资源中提取的能量，减少对化石能源的依赖是满足城市可持续发展需求，促进能源结构转型，改善生活和生存环境的创新型实施路径。
目前城市污废处理过程中存在的衍生污染和能源浪费问题以及常规供能方式存在的不足主要体现在以下几个方面：
1、城市垃圾主要处理方式为填埋，占地面积大、选址不易、容易造成二次污染，并且其中潜藏的能量被完全废弃；而通过焚烧发电的处理方式一方面储存仓中垃圾渗滤液需要专门进行污水处理，一方面有大量的发电冷凝余热通过冷却塔排放到空气中，同时消耗大量水资源。
2、污水处理工程中，厌氧过程会产生大量的H2S等散发臭味气体，实际这些挥发酚都是含有热量的可燃性气体，这些气体不处理要么污染周边环境，如果按照直接燃烧处置则增加除投资并且是一种能源浪费；处理后产生的污泥传统处理方式包括填埋、制肥或干化，填埋同样面临垃圾直接填埋的弊端；制肥容易因为重金属含量高而造成土地污染，干化则会有能耗高、设备复杂、投资及运行费用高的问题；处理后的中水一般直接排放到附近水域造成可利用能源的浪费，当前的中水回用是相对合理的处理措施，但是由于污水处理厂一般离居民区较远，单一就中水回用敷设管道经济效益较低。
3、当前常规的城市供热方式为规划统一建设热电厂，通过燃烧煤炭、燃气为主的化石能源对城市进行集中供暖，能源基础设施大而集中、能源形式单一、能源使用效率、输送过程损耗大、环境污染问题严重；供冷方面一般只对公用建筑提供集中供冷，住宅基本都采取电空调制冷。总体来看城市供能主要以化石能源及化石能源转化的电能为主，可再生能源有部分利用，但呈现单点、分散、局部的特点，没有形成规模化。
发明内容
本发明针对以上不足，提出一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统。
本发明提供的技术方案是：
一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，包括城市污废能源化利用子系统、多能互补区域能源站子系统和区域微能源网；
城市污废综合治理子系统包括有机垃圾处理设施、污水处理设施、垃圾焚烧发电设施以及三种污废处理设施之间耦合链接的配套设施；有机垃圾处理设施包括油脂分离器、调节池、厌氧反应器，污水处理设施包括初沉池、生化池、沉淀池，垃圾焚烧发电设施包括垃圾焚烧锅炉、发电机、冷却塔；配套设施包括沼液引流泵、污泥泵、再生水泵、换热器；
多能互补区域能源站系统由光伏组件、风力发电机、浅表水取水装置、地埋管、燃气内燃机、燃气调压箱、发电机、吸收式溴化锂机组、压缩式热泵、蓄能水池、阀门、水泵组成；区域微能源网由微电网、微热网及微气网组成；
有机垃圾处理系统中城市餐厨垃圾及厨余垃圾经过油脂分离器油脂分离，在调节池与污水处理过后产生的污泥通过污泥泵输送混合形成有机浆液送入厌氧反应器，通过厌氧发酵产生沼气；有机垃圾处理系统中产生的沼液通过沼液引流泵输入污水处理系统，城市生活垃圾存储过程中产生的渗滤通过渗滤水泵输入污水处理系统，与生活污水经过初沉池、生化池及沉砂池后产生再生水；污水处理过程中衍生的可燃气体通过鼓风机送入垃圾焚烧锅炉作为助燃气体；城市垃圾与生物质混合通过焚烧产生中温中亚蒸汽驱动汽轮机发电，乏汽经过阀门进入换热器与再生水换热形成冷凝水，通过阀门回送到锅炉中循环利用。
所述多能互补区域能源站系统的厌氧反应器生产的沼气纳入市政天然气管网作为燃气三联供系统中燃气内燃机的燃料，产生高温烟气发电，中温烟气驱动吸收式溴化锂机组产生制冷/供热水通过水泵，低温烟气冬季经过阀门将热量储存进蓄能水池中，燃气内燃机冷却用缸套水通过水泵连接换热器向用户提供生活热水；燃气三联供系统发电、垃圾焚烧发电及太阳能、风能可再生能源发电通过并网装置，与市政电力结合经过配电柜作为热泵系统驱动动力，浅表水、地温能可再生能源的再生水通过能源总线输入热泵系统，作为热泵低位热源，生产制冷/供热通过水泵与燃气三联供系统生产的制冷/供热水混合共同为用户供冷/供热，夜间低谷电价时段，热泵生产的冷/热水储存进蓄能水池，在白天高峰电价时段释放，实现削峰填谷，再生水经过热泵换热后作为城市生态水系补水水源。
城市垃圾及生物质通过锅炉焚烧发电、燃气内燃机发电、太阳能通过光伏组件发电、风能通过风力发电机发电，这四类能源发电通过并网装置与市政电共同构成区域微电网；地温能、浅表水源热能及污水处理过后的再生水分别通过水泵与低位热源总管道连接构成区域能源总线，餐厨垃圾、厨余垃圾及污泥通过厌氧发酵生产沼气与市政天然气并网构成区域微气网；溴化锂机组、热泵及蓄能水池夜间储存的冷/热分别通过水泵将供冷/热水混合向用户供冷/热，燃气内燃机冷却缸套水通过换热利用水泵向用户提供生活热水，两者构成区域微热网；各能源网络之间互联互通，根据用户末端需求动态波动变化，由微热网自我调整出发联动控制微电网、微气网及能源总线之间的能量输出。
本发明的有益效果是，借助系统工程理论提出基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，统筹规划设计城市能源供应与环境治理工艺和整体运行方法，以互补利用的方式消纳传统污废处理过程中产生的一次污染和二次污染、弥补各类污废处理方式客观存在的短板，同时实现城市能源供应。与常规方式相比，改善了区域能源结构，提高了能源利用效率、能源安全保障性及系统经济性。
附图说明
图1是本发明系统工艺流程图。
图2是本发明区域能源微网架构图。
图3是本发明系统能源使用策略图。
图4是本发明夏季系统工艺流程图。
图5是本发明冬季系统工艺流程图。
图6是本发明过渡季系统工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，不同季节实施方式不一，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施方式1：夏季实施方式
如图4，有机垃圾处理子系统中城市餐厨垃圾及厨余垃圾经过油脂分离在调节池与污水处理过后产生的污泥（通过污泥泵2、3输送）混合形成有机浆液送入厌氧反应器，通过厌氧发酵产生沼气；有机垃圾处理系统中产生的沼液通过水泵1输入污水处理系统，城市生活垃圾存储过程中产生的渗滤通过水泵4输入污水处理系统，与生活污水经过初沉池、生化池及沉砂池后产生再生水；污水处理过程中衍生的挥发酚等可燃气体通过鼓风机5送入垃圾焚烧锅炉作为助燃气体，提高燃烧效率；城市垃圾与生物质混合通过焚烧产生中温中亚蒸汽驱动汽轮机发电，乏汽经过阀门6进入冷却塔形成冷凝水，通过阀门8回送到锅炉中循环利用。
厌氧反应器生产的沼气纳入市政天然气管网作为燃气三联供系统中燃气内燃机的燃料，产生高温烟气（1000~1200℃）发电，中温烟气（400~500℃）驱动吸收式溴化锂机组产生制冷（5~7℃）水通过水泵18，燃气内燃机冷却用缸套水（90℃）通过水泵11连接换热器向用户提供生活热水；燃气三联供系统发电、垃圾焚烧发电及太阳能、风能等可再生能源发电通过并网装置，与市政电力结合经过配电柜作为热泵系统驱动动力，浅表水、地温能等可再生能源等再生水通过能源总线输入热泵系统，作为热泵低位热源，生产制冷（5~7℃）水通过水泵14与燃气三联供系统生产的制冷水混合共同为用户供冷，夜间低谷电价时段，热泵生产的冷储存进蓄能水池，在白天高峰电价时段释放，实现削峰填谷，降低运行费用。再生水经过热泵换热后作为城市生态水系补水水源，促进水系循环，逐时更新水质，推进区域环境生态建设。
实施方式2：冬季实施方式
如图5，有机垃圾处理系统中城市餐厨垃圾及厨余垃圾经过油脂分离在调节池与污水处理过后产生的污泥（通过泥浆泵2、3输送）混合形成有机浆液送入厌氧反应器，通过厌氧发酵产生沼气；有机垃圾处理系统中产生的沼液通过水泵1输入污水处理系统，城市生活垃圾存储过程中产生的渗滤通过水泵4输入污水处理系统，与生活污水经过初沉池、生化池及沉砂池后产生再生水；污水处理过程中衍生的挥发酚等可燃气体通过鼓风机5送入垃圾焚烧锅炉作为助燃气体，提高燃烧效率；城市垃圾与生物质混合通过焚烧产生中温中亚蒸汽驱动汽轮机发电，乏汽经过阀门7进入换热器与再生水换热形成冷凝水，通过阀门9回送到锅炉中循环利用。
厌氧反应器生产的沼气纳入市政天然气管网作为燃气三联供系统中燃气内燃机的燃料，产生高温烟气（1000~1200℃）发电，中温烟气（400~500℃）驱动吸收式溴化锂机组产生供热（40~50℃）水通过水泵18，低温烟气冬季经过阀门19将热量储存进蓄能水池中，燃气内燃机冷却用缸套水（90℃）通过水泵11连接换热器向用户提供生活热水；燃气三联供系统发电、垃圾焚烧发电及太阳能、风能等可再生能源发电通过并网装置，与市政电力结合经过配电柜作为热泵系统驱动动力，浅表水、地温能等可再生能源等再生水通过能源总线输入热泵系统，作为热泵低位热源，生产供热（40~50℃）通过水泵14与燃气三联供系统生产的制冷/供热水混合共同为用户供热，夜间低谷电价时段，热泵生产的热储存进蓄能水池，在白天高峰电价时段释放，实现削峰填谷，降低运行费用。再生水经过热泵换热后作为城市生态水系补水水源。
实施方式3：过渡季实施方式
如图6，有机垃圾处理子系统中城市餐厨垃圾及厨余垃圾经过油脂分离在调节池与污水处理过后产生的污泥（通过泥浆泵2、3输送）混合形成有机浆液送入厌氧反应器，通过厌氧发酵产生沼气；有机垃圾处理系统中产生的沼液通过水泵1输入污水处理系统，城市生活垃圾存储过程中产生的渗滤通过水泵4输入污水处理系统，与生活污水经过初沉池、生化池及沉砂池后产生再生水；污水处理过程中衍生的挥发酚等可燃气体通过鼓风机5送入垃圾焚烧锅炉作为助燃气体，提高燃烧效率；城市垃圾与生物质混合通过焚烧产生中温中亚蒸汽驱动汽轮机发电，乏汽经过阀门6进入冷却塔形成冷凝水，通过阀门8回送到锅炉中循环利用。
厌氧反应器生产的沼气纳入市政天然气管网，垃圾焚烧发电及太阳能、风能等可再生能源发电通过并网装置，与市政电力结合经过配电柜作为市政基础设施设备动力，再生水作为城市生态水系补水水源。
Claims (3)
1.一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，其特征在于，包括城市污废能源化利用子系统、多能互补区域能源站子系统和区域微能源网；
城市污废综合治理子系统包括有机垃圾处理设施、污水处理设施、垃圾焚烧发电设施以及三种污废处理设施之间耦合链接的配套设施；有机垃圾处理设施包括油脂分离器、调节池、厌氧反应器，污水处理设施包括初沉池、生化池、沉淀池，垃圾焚烧发电设施包括垃圾焚烧锅炉、发电机、冷却塔；配套设施包括沼液引流泵、污泥泵、再生水泵、换热器；
多能互补区域能源站系统由光伏组件、风力发电机、浅表水取水装置、地埋管、燃气内燃机、燃气调压箱、发电机、吸收式溴化锂机组、压缩式热泵、蓄能水池、阀门、水泵组成；区域微能源网由微电网、微热网及微气网组成；
有机垃圾处理系统中城市餐厨垃圾及厨余垃圾经过油脂分离器油脂分离，在调节池与污水处理过后产生的污泥通过污泥泵（2、3）输送混合形成有机浆液送入厌氧反应器，通过厌氧发酵产生沼气；有机垃圾处理系统中产生的沼液通过沼液引流泵（1）输入污水处理系统，城市生活垃圾存储过程中产生的渗滤通过渗滤水泵（4）输入污水处理系统，与生活污水经过初沉池、生化池及沉砂池后产生再生水；污水处理过程中衍生的可燃气体通过鼓风机（5）送入垃圾焚烧锅炉作为助燃气体；城市垃圾与生物质混合通过焚烧产生中温中亚蒸汽驱动汽轮机发电，乏汽经过阀门（7）进入换热器与再生水换热形成冷凝水，通过阀门（9）回送到锅炉中循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，其特征在于，所述多能互补区域能源站系统的厌氧反应器生产的沼气纳入市政天然气管网作为燃气三联供系统中燃气内燃机的燃料，产生高温烟气发电，中温烟气驱动吸收式溴化锂机组产生制冷/供热水通过水泵（18），低温烟气冬季经过阀门（19）将热量储存进蓄能水池中，燃气内燃机冷却用缸套水通过水泵（11）连接换热器向用户提供生活热水；燃气三联供系统发电、垃圾焚烧发电及太阳能、风能可再生能源发电通过并网装置，与市政电力结合经过配电柜作为热泵系统驱动动力，浅表水、地温能可再生能源的再生水通过能源总线输入热泵系统，作为热泵低位热源，生产制冷/供热通过水泵（14）与燃气三联供系统生产的制冷/供热水混合共同为用户供冷/供热，夜间低谷电价时段，热泵生产的冷/热水储存进蓄能水池，在白天高峰电价时段释放，实现削峰填谷，再生水经过热泵换热后作为城市生态水系补水水源。
3.根据权利要求1所述的一种基于能源供应与环境治理相耦合的区域能源微网系统，其特征在于，城市垃圾及生物质通过锅炉（20）焚烧发电、燃气内燃机（21）发电、太阳能通过光伏组件发电、风能通过风力发电机发电，这四类能源发电通过并网装置与市政电共同构成区域微电网；地温能、浅表水源热能及污水处理过后的再生水分别通过水泵（23、24、25）与低位热源总管道连接构成区域能源总线，餐厨垃圾、厨余垃圾及污泥通过厌氧发酵生产沼气与市政天然气并网构成区域微气网；溴化锂机组、热泵及蓄能水池夜间储存的冷/热分别通过水泵（25、27）将供冷/热水混合向用户供冷/热，燃气内燃机冷却缸套水通过换热利用水泵（26）向用户提供生活热水，两者构成区域微热网；各能源网络之间互联互通，根据用户末端需求动态波动变化，由微热网自我调整出发联动控制微电网、微气网及能源总线之间的能量输出。
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