CN111207433A - 基于热电协同的长距离区域供热系统及热电协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热电协同的长距离区域供热系统及热电协同方法，具体包括主供热热源、主供热热网系统、辅助蓄热供热系统模块、协同发电系统模块。本发明通过采用蓄热技术和新能源发电技术与区域供热热网协同配合，利用蓄热与热网结合一方面解决长距离区域供热系统在低负荷工况下的全网运行造成的热损大和安全性问题，另一方面解决峰值供热情况下的热网供热负荷不足问题，一定程度上减小热网在投资成本，提高经济性。本发明利用新能源发电与蓄热结合，解决了新能源发电与电网协同的经济性问题和蓄热的用电成本问题，充分发挥了新能源发电的经济性和热网蓄热供热的经济性。

Description

基于热电协同的长距离区域供热系统及热电协同方法

技术领域

本发明涉及清洁能源利用技术和蓄热供热技术，尤其涉及一种长距离供热管网系统热电协同方法。

技术背景

随着环境污染的日益严峻和能源综合利用的大力提倡，国家和地方政府统筹规划，将设在城市人口稠密区的燃煤采暖锅炉拆除，并实施长距离、大温差、大管径的长输管线供暖工程，将远离城市的大型热电联产的火电厂余热引入城市集中供热管网，有效的利用了电厂的低品位热能，减少了冬季采暖锅炉的污染排放。另外，由于城镇一体化深入推进，城市集中供热进一步扩大，逐步向大规模、长距离、高参数的区域供热方向发展。

由于热用户的不断开发，势必造成供热管网的管径不断扩容，管长不断增加以满足不断增长的热用户需求，导致非采暖季供热管网大管径小流量运行，管网散热面积较大，管网损失增加，尤其是在供热管网的末端，热量长距离输送，为了达到用户所需的蒸汽或热水参数要求，往往需要提高电厂供热温度以补偿管网热损失，从而造成电厂经济性降低。另外在热负荷较低时供热流量小，底部积水严重，容易发生热网压力大幅波动现象形成水锤，造成水冲击现象，损坏供热管网。随着热用户的持续增加，原有热力管网的供热也会出现用热高峰时的供热不足问题。因此，区域供热发展必然面临如何协调负荷波差异明显条件下的经济性决策问题。如何在满足部分热用户需求的前提下，减小供热管网的热损，提高经济性，降低低负荷运行早成的安全风险；以及如何满足峰值供热需求和管网投资矛盾问题，成为长距离区域供热系统面临的紧迫问题。

采用蓄热储能技术可以很好的解决供需矛盾的问题，也可以在一定程度上缓解峰值供热不足的问题。但是，由于蓄热热源成为制约，以常规电能蓄热，由于成本太高，经济性上收到限制，如何提高蓄热供热系统在长距离区域供热系统中的经济性成为面临的挑战。

因此，如何实现在长距离区域供热管网中满足末端热用户需求的同时，解决负荷差异明显工况下的供热管网经济性和安全性问题，以及热网投资与供热需求峰值之间的关系发展大规模长距离区域集中供热的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种长距离供热管网优化系统及热电协同方法

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其包括主供热热源、主热网系统、辅助蓄热供热系统模块和协同发电系统模块；主热网系统包括供热主管线、若干供热支管线、支线开关阀、热用户、管道基座；辅助蓄热供热系统模块包括疏水集箱、蓄热补水泵、蓄热补水阀、电加热蓄热器、蓄热供热支管、蓄热供热末端止回阀；协同发电系统模块包括若干新能源发电装置、汇集母线、源侧断路器、输电线路、网侧断路器、蓄热器供电支路、蓄热侧断路器；主供热热源与供热主管线相连并在供热主管线两侧连接若干供热支管线；每条供热支管线连接热用户并在供热支管线入口设有支线开关阀；供热主管线与供热支管线架在管道基座上；疏水集箱、蓄热补水泵、电加热蓄热器通过蓄热供热支管顺次连接，在蓄热补水泵和电加热蓄热器中间的蓄热供热支管上设有蓄热补水阀，蓄热供热支管的末端设有蓄热供热末端止回阀；蓄热供热支管接入若干供热支管线末端与各个热用户相连；主热网系统的管道基座上依次布置若干新能源发电装置，所有新能源发电装置经汇集母线将电能送到输电线路进而接入电网，输电线路的源侧和网侧分别设有源侧断路器和网侧断路器，在源侧断路器和网侧断路器之间的输电线路上设有蓄热器供电支路；蓄热器供电支路连接电加热蓄热器并在蓄热器供电支路上设有蓄热侧断路器。

所述的电加热蓄热器的蓄热材料可以包括相变蓄热材料或显热蓄热材料及其混合物；所述的相变蓄热材料包括熔盐、类糖醇，所述的显热蓄热材料包括石墨、氧化铝、铸铁、高温陶瓷。

所述的新能源发电装置可以包括光伏太阳电池板、风力发电装置。

所述的蓄热供热支管可以穿过电加热蓄热器的蓄热区进行初次换热后，再次穿过电加热蓄热器的蓄热区进行二次加热。

上述长距离供热管网优化系统根据管网结构不同，可以分为单一热源枝状管网系统和多热源环状管网系统两类。

当主热网系统为单一热源枝状管网时，所述辅助蓄热供热系统模块放置在供热管网的末端。

当主热网系统为多热源环状管网时，所述辅助蓄热供热系统模块有多个，均匀分布在供热管网末端区域周围。

本发明还提供了一种使用上述长距离区域供热系统的热电协同方法，其具体方法如下：主供热热源产生的热能通过供热主管线进入各供热支管线进而送入热用户，满足用户热需求；各新能源发电装置通过汇集母线将电能汇集后，一路经过输电线路将电能输送到电网，另一路经过蓄热器供电支路进入电加热蓄热器，电加热蓄热器将电能转化为热能进行储存；

当上网电价高于设定值时，闭合网侧断路器，断开蓄热侧断路器，将新能源发电装置产生的电能通过输电线路送入电网；当上网电价低于设定值时，断开网侧断路器，闭合蓄热侧断路器，将新能源发电装置产生的电能经输电线路、蓄热供电支路进入电加热蓄热器转换成热能，进行能量储存；

当热负荷高于设定值，主供热热源无法满足供热需求时，打开蓄热补水阀，蓄热补水泵将疏水集箱中的给水送入电加热蓄热器进行预热后再次进入电加热蓄热器中加热并送入蓄热供热支管，进而满足用户的热需求；各新能源发电装置通过汇集母线将电能汇集，依次经过输电线路、蓄热器供电支路进入电加热蓄热器以保证蓄热器热量持续供应，若新能源发电装置产生电能无法满足电加热蓄热器所需的能量时，闭合网侧断路器，电网电能经输电线路和蓄热器供电支路送入电加热蓄热器以满足供热需求；

当热负荷低于设定值时，由于长距离供热造成能量损耗较大，末端热用户所需蒸汽或热水参数达不到既定要求，此时使主供热热源停止工作，闭合源侧断路器和蓄热侧断路器，打开蓄热补水阀，断开网侧断路器和末端热用户对应的支线开关阀，蓄热补水泵将疏水集箱中的给水送入储存有高温热能的电加热蓄热器进行预热后再次进入电加热蓄热器中加热，然后进入蓄热供热支管送入末端热用户；各新能源发电装置通过汇集母线将电能汇集，依次经过输电线路、蓄热器供电支路进入电加热蓄热器，以保证蓄热器热量持续供应；若新能源发电装置产生电能无法满足电加热蓄热器所需的能量时，闭合网侧断路器，电网电能经输电线路和蓄热器供电支路送入电加热蓄热器以满足供热需求。

所述的电加热蓄热器消耗电能时，若此时电网处于峰电状态，需要调峰机组参与时，可优先使用峰电加热电加热蓄热器，将电能储存在电加热蓄热器中，无需调峰机组动作而实现电力系统安全稳定运行。

上述长距离供热管网热电协同方法可应用在两种供热模式中，当应用于单一热源枝状管网时，电加热蓄热器放置在供热管网的末端，当应用于多热源环状管网时，电加热蓄热器平均放置在供热末端区域周围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过在典型末端设置蓄热器实现局部供热，一方面解决长距离区域供热系统在低负荷工况下的全网运行造成的热损大和安全性问题，另一方面解决峰值供热情况下的热网供热负荷不足问题，一定程度上减小热网在投资成本，提高经济性。

(2)本发明通过利用区域热网的现有土地资源，结合新能源发电，提高区域热网对资源的综合利用率，降低热网的碳排放问题，提高电厂经济效益和能量利用率。

(3)本发明将新能源发电与蓄热供热相结合，通过热电协同，可以充分发挥新能源发电的经济性，避免了新能源发电中出现的弃风弃光问题，同时提高了新能源发电的经济性和热网蓄热供热的经济性。

附图说明

图1是单一热源枝状管网示意图；

图2是多热源环状管网示意图；

图3是供热管线结构示意图；

图中：主供热热源1、主热网系统2、辅助蓄热供热系统模块3、协同发电系统模块4、供热主管线201、若干供热支管线202、支线开关阀203、热用户204、管道基座205、疏水集箱301、蓄热补水泵302、蓄热补水阀303、电加热蓄热器304、蓄热供热支管305、蓄热供热末端止回阀306、新能源发电装置401、汇集母线402、源侧断路器403、输电线路404、网侧断路器405、蓄热器供电支路406、蓄热侧断路器407。

具体实施方式

如图1，2，3所示，一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其包括主供热热源(1)、主热网系统2、辅助蓄热供热系统模块3和协同发电系统模块4；主热网系统2包括供热主管线201、若干供热支管线202、支线开关阀203、热用户204、管道基座205；辅助蓄热供热系统模块3包括疏水集箱301、蓄热补水泵302、蓄热补水阀303、电加热蓄热器304、蓄热供热支管305、蓄热供热末端止回阀306；协同发电系统模块4包括若干新能源发电装置401、汇集母线402、源侧断路器403、输电线路404、网侧断路器405、蓄热器供电支路406、蓄热侧断路器407；主供热热源1与供热主管线201相连并在供热主管线201两侧连接若干供热支管线202；每条供热支管线202连接相应的热用户204并在供热支管线202入口设有支线开关阀203，主供热热源1产生的热能通过供热支管线202供应给相应的热用户204且每条供热支管线202由支线开关阀203控制通断。供热主管线201与供热支管线202均架在管道基座205上。辅助蓄热供热系统模块3中的疏水集箱301、蓄热补水泵302、电加热蓄热器304通过蓄热供热支管305顺次连接，在蓄热补水泵302和电加热蓄热器304中间的蓄热供热支管305上设有蓄热补水阀303，蓄热供热支管305的末端设有蓄热供热末端止回阀306。辅助蓄热供热系统模块3的作用是利用电能在电加热蓄热器304中产生热量，用于对管网末端的热用户204进行局部供热，一方面解决长距离区域供热系统在低负荷工况下的全网运行造成的热损大和安全性问题，另一方面还可以解决峰值供热情况下的热网供热负荷不足问题。因此，蓄热供热支管305可以分别接入若干供热支管线202末端，与各个热用户204相连，为其提供热能。电加热蓄热器304可以通过主热网系统2的管道基座205上依次布置的若干新能源发电装置401，新能源发电装置401可以采用光伏太阳电池板、风力发电装置等。以光伏太阳电池板为例，其可以按照图3所示，安装在管道基座205上且位于供热主管线201的上方，无需占用额外的土地资源。且所有新能源发电装置401经汇集母线402将电能送到输电线路404进而接入电网，输电线路404的源侧和网侧分别设有源侧断路器403和网侧断路器405，在源侧断路器403和网侧断路器405之间的输电线路404上设有蓄热器供电支路406；蓄热器供电支路406连接电加热蓄热器304并在蓄热器供电支路406上设有蓄热侧断路器407。通过源侧断路器403、网侧断路器405以及蓄热侧断路器407的配合，可以控制电能在上网和供应电加热蓄热器304之间的分配，进而将新能源发电与蓄热供热相结合实现热电协同。必要时，蓄热器供电支路406也可以从电网中获取电能进行供热。

在本发明中，电加热蓄热器304的蓄热材料包括相变蓄热材料或显热蓄热材料及其混合物。其中相变蓄热材料包括熔盐、类糖醇等，显热蓄热材料包括石墨、氧化铝、铸铁、高温陶瓷等。电能可以转换成热能存储在蓄热材料中，用于加热疏水集箱301中的给水，进而为热用户提供热能。

为了提高电加热蓄热器304对给水的加热效率，蓄热供热支管305穿过电加热蓄热器304的蓄热区进行初次换热后，再次弯转180°重新穿过电加热蓄热器304的蓄热区进行二次加热。

在图1和图2中，分别展示了本发明在单一热源枝状管网和多热源环状管网中应用的情况。

在图1的单一热源枝状管网中，供热主管线201的供热端仅有1个主供热热源1，而所有的热用户204则通过供热支管线202以枝状分布在供热主管线201沿线，此时主供热热源1距离官网末端的热用户204供热距离过长，在低负荷工况下热损过大。因此，当主热网系统2为单一热源枝状管网时，辅助蓄热供热系统模块3放置在供热管网的末端，利用其自身产生的热能分别对各热用户204进行供热。图2中为了显示方便，仅展示了一路蓄热供热支管305与热用户204相连，但事实上可以根据需要利用多路蓄热供热支管305接入需要供热的热用户204对应的供热支管线202，进行多路供热。当然，辅助蓄热供热系统模块3也可以根据需要设置一个或多个。

在图2的多热源环状管网中，供热主管线201设置成环状，沿程连接多个主供热热源1进行并行供热，所有的热用户204则通过供热支管线202接入环形的供热主管线201沿线。因此，主热网系统2为多热源环状管网时，辅助蓄热供热系统模块3也可以设有多个，均匀分布在供热管网末端区域周围，对就近的热用户204进行供热。各个辅助蓄热供热系统模块3中的电加热蓄热器304各自连接输电线路404进行取电。

基于上述长距离区域供热系统的热电协同方法，其具体做法如下：

主供热热源1产生的热能通过供热主管线201进入各供热支管线202进而送入热用户204，满足用户热需求。各新能源发电装置401通过汇集母线402将电能汇集后，一路在网侧断路器405闭合状态下经过输电线路404将电能输送到电网，另一路在蓄热侧断路器407闭合状态下，经过蓄热器供电支路406进入电加热蓄热器304，电加热蓄热器304将电能转化为热能进行储存；

当上网电价高于设定值时，闭合网侧断路器405，断开蓄热侧断路器407，将新能源发电装置401产生的电能通过输电线路404送入电网；当上网电价低于设定值时，断开网侧断路器405，闭合蓄热侧断路器407，将新能源发电装置401产生的电能经输电线路404、蓄热供电支路406进入电加热蓄热器304转换成热能，进行能量储存；

当热负荷高于设定值，主供热热源1无法满足供热需求时，打开蓄热补水阀303，通过蓄热补水泵302将疏水集箱301中的给水送入电加热蓄热器304进行预热后再次进入电加热蓄热器304中加热并送入蓄热供热支管305，进而满足用户的热需求；各新能源发电装置401通过汇集母线402将电能汇集，依次经过输电线路404、蓄热器供电支路406进入电加热蓄热器304以保证蓄热器热量持续供应，若新能源发电装置401产生电能无法满足电加热蓄热器304所需的能量时，闭合网侧断路器405，电网电能经输电线路404和蓄热器供电支路406送入电加热蓄热器304以满足供热需求；

当热负荷低于设定值时，由于长距离供热造成能量损耗较大，末端热用户所需蒸汽或热水参数达不到既定要求，此时使主供热热源1停止工作，闭合源侧断路器403和蓄热侧断路器407，打开蓄热补水阀303，断开网侧断路器405和末端热用户204对应的支线开关阀203，蓄热补水泵302将疏水集箱301中的给水送入储存有高温热能的电加热蓄热器304进行预热后再次进入电加热蓄热器304中加热，然后进入蓄热供热支管305送入末端热用户204，由此利用电加热蓄热器304产生的热能就近供热，无需长距离供热以减少损耗。各新能源发电装置401通过汇集母线402将电能汇集，依次经过输电线路404、蓄热器供电支路406进入电加热蓄热器304，以保证蓄热器热量持续供应；若新能源发电装置401产生电能无法满足电加热蓄热器304所需的能量时，闭合网侧断路器405，电网电能经输电线路404和蓄热器供电支路406送入电加热蓄热器304以满足供热需求。

上述各设定值可以根据实际的运行工况进行调整，兼顾热电协同的经济效益和能量利用率。

另外，电加热蓄热器304消耗电能时，若此时电网处于峰电状态，需要调峰机组参与时，可优先使用峰电加热电加热蓄热器304，将电能储存在电加热蓄热器304中，无需调峰机组动作而实现电力系统安全稳定运行。

本发明通过采用蓄热技术和新能源发电技术与区域供热热网协同配合，利用蓄热与热网结合一方面解决长距离区域供热系统在低负荷工况下的全网运行造成的热损大和安全性问题，另一方面解决峰值供热情况下的热网供热负荷不足问题，一定程度上减小热网在投资成本，提高经济性。利用新能源发电与蓄热结合，解决了新能源发电与电网协同的经济性问题和蓄热的用电成本问题，充分发挥了新能源发电的经济性和热网蓄热供热的经济性。

Claims (8)

1.一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于，包括主供热热源(1)、主热网系统(2)、辅助蓄热供热系统模块(3)和协同发电系统模块(4)；主热网系统(2)包括供热主管线(201)、若干供热支管线(202)、支线开关阀(203)、热用户(204)、管道基座(205)；辅助蓄热供热系统模块(3)包括疏水集箱(301)、蓄热补水泵(302)、蓄热补水阀(303)、电加热蓄热器(304)、蓄热供热支管(305)、蓄热供热末端止回阀(306)；协同发电系统模块(4)包括若干新能源发电装置(401)、汇集母线(402)、源侧断路器(403)、输电线路(404)、网侧断路器(405)、蓄热器供电支路(406)、蓄热侧断路器(407)；主供热热源(1)与供热主管线(201)相连并在供热主管线(201)两侧连接若干供热支管线(202)；每条供热支管线(202)连接热用户(204)并在供热支管线(202)入口设有支线开关阀(203)；供热主管线(201)与供热支管线(202)架在管道基座(205)上；疏水集箱(301)、蓄热补水泵(302)、电加热蓄热器(304)通过蓄热供热支管(305)顺次连接，在蓄热补水泵(302)和电加热蓄热器(304)中间的蓄热供热支管(305)上设有蓄热补水阀(303)，蓄热供热支管(305)的末端设有蓄热供热末端止回阀(306)；蓄热供热支管(305)接入若干供热支管线(202)末端与各个热用户(204)相连；主热网系统(2)的管道基座(205)上依次布置若干新能源发电装置(401)，所有新能源发电装置(401)经汇集母线(402)将电能送到输电线路(404)进而接入电网，输电线路(404)的源侧和网侧分别设有源侧断路器(403)和网侧断路器(405)，在源侧断路器(403)和网侧断路器(405)之间的输电线路(404)上设有蓄热器供电支路(406)；蓄热器供电支路(406)连接电加热蓄热器(304)并在蓄热器供电支路(406)上设有蓄热侧断路器(407)。

2.根据权利要求1所述的一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于所述的电加热蓄热器(304)的蓄热材料包括相变蓄热材料或显热蓄热材料及其混合物；所述的相变蓄热材料包括熔盐、类糖醇，所述的显热蓄热材料包括石墨、氧化铝、铸铁、高温陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于所述的新能源发电装置(401)包括光伏太阳电池板、风力发电装置。

4.根据权利要求1所述的一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于所述的蓄热供热支管(305)穿过电加热蓄热器(304)的蓄热区进行初次换热后，再次穿过电加热蓄热器(304)的蓄热区进行二次加热。

5.根据权利要求1所述的一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于所述的主热网系统(2)为单一热源枝状管网时，所述辅助蓄热供热系统模块(3)放置在供热管网的末端。

6.根据权利要求1所述的一种基于热电协同的长距离区域供热系统，其特征在于所述的主热网系统(2)为多热源环状管网时，所述辅助蓄热供热系统模块(3)有多个，均匀分布在供热管网末端区域周围。

7.一种使用如权利要求1所述长距离区域供热系统的热电协同方法，其特征在于：主供热热源(1)产生的热能通过供热主管线(201)进入各供热支管线(202)进而送入热用户(204)，满足用户热需求；各新能源发电装置(401)通过汇集母线(402)将电能汇集后，一路经过输电线路(404)将电能输送到电网，另一路经过蓄热器供电支路(406)进入电加热蓄热器(304)，电加热蓄热器(304)将电能转化为热能进行储存；

当上网电价高于设定值时，闭合网侧断路器(405)，断开蓄热侧断路器(407)，将新能源发电装置(401)产生的电能通过输电线路(404)送入电网；当上网电价低于设定值时，断开网侧断路器(405)，闭合蓄热侧断路器(407)，将新能源发电装置(401)产生的电能经输电线路(404)、蓄热供电支路(406)进入电加热蓄热器(304)转换成热能，进行能量储存；

当热负荷高于设定值，主供热热源(1)无法满足供热需求时，打开蓄热补水阀(303)，蓄热补水泵(302)将疏水集箱(301)中的给水送入电加热蓄热器(304)进行预热后再次进入电加热蓄热器(304)中加热并送入蓄热供热支管(305)，进而满足用户的热需求；各新能源发电装置(401)通过汇集母线(402)将电能汇集，依次经过输电线路(404)、蓄热器供电支路(406)进入电加热蓄热器(304)以保证蓄热器热量持续供应，若新能源发电装置(401)产生电能无法满足电加热蓄热器(304)所需的能量时，闭合网侧断路器(405)，电网电能经输电线路(404)和蓄热器供电支路(406)送入电加热蓄热器(304)以满足供热需求；

当热负荷低于设定值时，由于长距离供热造成能量损耗较大，末端热用户所需蒸汽或热水参数达不到既定要求，此时使主供热热源(1)停止工作，闭合源侧断路器(403)和蓄热侧断路器(407)，打开蓄热补水阀(303)，断开网侧断路器(405)和末端热用户(204)对应的支线开关阀(203)，蓄热补水泵(302)将疏水集箱(301)中的给水送入储存有高温热能的电加热蓄热器(304)进行预热后再次进入电加热蓄热器(304)中加热，然后进入蓄热供热支管(305)送入末端热用户(204)；各新能源发电装置(401)通过汇集母线(402)将电能汇集，依次经过输电线路(404)、蓄热器供电支路(406)进入电加热蓄热器(304)，以保证蓄热器热量持续供应；若新能源发电装置(401)产生电能无法满足电加热蓄热器(304)所需的能量时，闭合网侧断路器(405)，电网电能经输电线路(404)和蓄热器供电支路(406)送入电加热蓄热器(304)以满足供热需求。

8.根据权利要求7所述的长距离区域供热系统的热电协同方法，其特征在于所述的电加热蓄热器(304)消耗电能时，若此时电网处于峰电状态，需要调峰机组参与时，可优先使用峰电加热电加热蓄热器(304)，将电能储存在电加热蓄热器(304)中，无需调峰机组动作而实现电力系统安全稳定运行。

Images