一种基于资源综合利用的新型城镇供能系统及其优化方法

文档序号:5154322阅读:215来源:国知局
一种基于资源综合利用的新型城镇供能系统及其优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于资源综合利用的新型城镇供能系统及其优化方法。供能系统包括三个子系统,即清洁能源分布式冷热电三联供子系统,可再生资源与清洁能源构成的耦合供能子系统,城镇自然界及生活生产活动产生的中低温热源组成的总线供能子系统,连接三个子系统的智能管理中心,共同构成一核三元素供能系统。供能系统的优化方法采用能流网络法,能流网络由负荷层、转化层、资源层三层构成了能源系统的物理模型和数据关联。这种供能系统具有因地制宜、灵活多样、安全可靠、节能减排、可持续发展的特点,是对以集中供能、热电分供为特征的传统供能系统在能源发展方式上的一次深化改革和创新。
【专利说明】一种基于资源综合利用的新型城镇供能系统及其优化方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种基于资源综合利用的新型城镇供能系统及其优化方法,属节能环保【技术领域】。
[0002]【背景技术】:
我国正处于新型城镇化的发展进程中,能源需求不断增长,能源供应成为新型城镇经济社会发展的基础条件。面对建设能源节约型和环境保护型社会的需要,必须寻求一种适合节能低碳新城镇发展的能源供应新途径。结合国家“十二五”能源规划和长远规划,以及发改委近年陆续发布的如《关于发展天然气分布式能源的指导意见》、《分布式发电管理暂行办法》、《大气污染防治行动规划》等文件提出的能源发展政策,一种以发展分布式能源为特征的能源供应方式的转变正在形成。
[0003]本专利提出的背景就是应对我国城镇化发展和改善大气环境的迫切需要,提出一种以资源综合利用为基础的清洁能源、可再生能源、工业余热余压及各种中低温热源利用等分布式供能交联组合与集中控制的离散型供能系统,称之为“一核三元素”供能系统。
[0004]
【发明内容】
:
本发明目的是,应用和发展现有各种能源新技术的同时,弥补互为补充及交联耦合应用的不足,提供一种新型城镇供能系统及其优化方法。
[0005]为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种基于资源综合利用的新型城镇一核三元素供能系统,包括清洁能源分布式冷热电三联供系统,可再生资源与清洁能源构成的耦合供能系统,工业余能利用、城市污水及垃圾资源化利用、及中低温余热利用相结合组成的总线系统、和智能管理中心。
[0006]所述新型城镇供能系统是以清洁能源分布式冷热电三联供作为技术基础。典型的以燃气轮机为动力的天然气三联供系统包括空气压缩机、燃烧室、燃气涡轮三大气动部件。空气压缩机中产生高压空气,在燃烧室中喷入天然气燃料与空气混合燃烧后形成高温高压燃气,进入燃气涡轮机中膨胀做功,将热能转化为机械工,带动发电机发电。发电后由燃气涡轮排出450?600°C高温烟气,再利用高温烟气携带的大量余热通过余热利用设备提供工业蒸汽和采暖与制冷。余热利用设备如余热吸收式空调机组,夏季工况时可生产制冷水用于采暖,冷量不足时可增加补燃或增设电制冷机作为冷负荷调峰设备,共同满足用户制冷需求;冬季工况时,余热吸收式空调机组可生产采暖热水供用户采暖,热量不足时可增设燃气锅炉生产热水,共同满足用户采暖需求。所述新型城镇供能系统的重要特征是在冷热电三联供核心技术基础上,引进与各种可再生能源的耦合供能技术,及城镇大量可利用的中低温热源的总线系统供能技术,形成具有各自特点相对独立而又密切关联的三种系统,再通过智能化能源管理中心的统一运行管理,共同组成在空间上交联组合、在时间上优化调度的城镇整体供能系统。
[0007]本发明以对当地资源的整体规划、统筹安排,综合利用为基础。当地的能源资源除公用事业部门提供的电、气、热力能源供应外,包括当地的各种清洁能源资源(如天然气、及煤层气、煤制气、页岩气等非常规天然气)、各种可再生能源资源、工业余热余压、城镇污水处理和垃圾处理资源化利用、一切可开发利用的大量中低温余热。在资源综合利用基础上形成“一核三元素”供能系统,所指的每一元素代表了一种类型的供能方式(或称为供能子系统),整个城镇的供能系统由这三种子系统构成。
[0008]第一个元素是针对清洁能源高效利用的分布式冷热电三联供系统,实现高效梯级利用;第二个元素是利用当地的太阳能、风能、地热能、生物质能等可再生资源,并与清洁能源构成耦合供能系统,实现各种间断性可再生能源的发电并网和稳定供能。第三个元素是工业余能利用、城市污水及垃圾处理资源化利用、及大量可用的中低温余热利用相结合,组成“总线供能”系统。城镇内部的“一核三元素”供能系统与城镇外部的公用电力、燃气等网络互补衔接,保证城镇的安全稳定供能。
[0009]三元素供能系统的第一个元素是清洁能源的高效利用,通过燃烧清洁能源发电后的余热进行梯级利用,提供工业蒸汽或空间的采暖或制冷。这种利用方式随发电机组的类型和工艺流程不同有多种多样的系统配置,容量和规模随负荷需求而定,可以是楼宇型或是区域型。
[0010]三元素供能系统的第二个元素是开发利用当地的各种可再生资源,并尽可能与清洁能源冷热电联供构成耦合供能系统。这一元素的目的除了单独利用太阳能、风能等各种可再生资源外,重点是将可再生能源与清洁能源实现工艺流程、转化设备、优化控制多个元素的有机结合,形成耦合供能系统。
[0011]三元素结构能源系统的第三个元素是可将工业余热余压利用及大量可用的城镇各种中低温热源(如地表水、冷却水等)相聚集,构成所谓“总线供能”系统。总线系统是一种独特的集成化的能源系统,它是多种多样的中低温热源,通过城镇统一基础设施,泵站和管网,输送到各种用户。在各用户用接口配置各自的能源品位提升装置,如热泵装置,把管网输送来的低品位介质提升温度后供用户采暖或制冷。将这种供能方式纳入城镇供能系统为利用城镇大量的自然和人类生活生产活动再生成的大量中低温热源开辟了广阔的利用空间。
[0012]一核三元素供能系统的核心是智能管理中心。管理中心的功能包括两方面,一是通过智能化信息网络,对三元素之间形成空间上的“交联组合”和时间上的优化调度运行。交联组合是指对城镇中的每一个确定区域,根据其区域功能(如新技术开发区、工业园区、综合商务区、居民区等)和负荷特点,因地制宜地选择一种、两种、或三种上述元素的组合,完成模块化的空间布局。时间上的优化调度是指根据用户的负荷变化和公用供能系统的峰谷价格变化进行各元素的供能比例分配和相为补充,实现城镇供能最小运行费用。管理中心还承担城镇内部系统与外部公用供能网络的连接和能量交换,相互支撑,也是城镇冷、热、电供应的联供联调平台,承担自然与人为极端状态下的应急措施,实现城镇安全稳定供能与节能减排目标。管理中心的功能另一个功能是建立良好的政策环境,开展绿色低碳生活的宣传教育,将高效资源利用技术与绿色生态文化相融合,向居民灌输环境保护意识,倡导绿色生活方式,建成具有自我调节、自我完善、自我升级的低碳、生态、文化的智能城镇。
[0013]一核三元素供能系统的设计是应用能流网络的优化方法。这种设计对于传统的以单项能源的供求平衡(如电力、燃气、或热力等单项能源供求平衡)为基础的设计而言是设计理念和设计方法上的根本变革。这种供能系统的目标不是简单地供求平衡,而是能源、环境、经济、生态的协调发展。采用设计方法是从一次能源转化为二次能源,再输运和分配到用户利用的各种过程和技术不是相互独立而是根据能源梯级利用原理建立的多能源互补、多技术交叉的复杂链接关系。只有通过能流网络和基本气动热力学定律来建立这种复杂的内部联系,借用矩阵数值解法进行整个能源系统的优化设计。
[0014]能流网络可简化表示为负荷层、转化层、资源层三层。负荷层根据城镇的冷、热、电、工业蒸汽、生活热水的需求,以负荷调研结果作为已知的输入数据;资源层是根据城镇的资源调研给出各种资源的储藏量或可用量,作为能源系统设计的限制条件;中间的转化层是从资源转化成用户负荷所应用的各种技术、工艺流程、和转化设备,这一层是设计工作的核心内容。能流网络三层之间的联线表示各种“转化过程”,这些过程对应着能量守恒、质量守恒、过程损失、分配比例等气动热力学定律和优化准则,建立了三层之间的量化关系和数值求解的依据,通过编制的计算程序进行设计。求解过程从已知的负荷层开始,求解方向与实际的能流方向相反,自上而下,算出各种转化设备的容量、各种资源的需求量、各种与资源的有害气体排放量、系统投资与运行成本等宏观参数。
[0015]能流网络方法既可用于城镇供能系统的总体方案,此时的转化层表示为三个元素子系统,也可用于各个元素子系统的设计。在用于各元素子系统设计时,负荷层是应用该子系统的城镇某个区域的冷热电负荷,转化层和资源层将随子系统的不同而改变,各层间的过程联系也相应改变。设计冷热电三联供元素时,转化层是各种发电机组和余热利用机组等,资源层是天然气和各种非常规天然气清洁能源;设计可再生能源及耦合系统元素时,转化层是各种可再生能源转化设备及耦合设备,资源层是各种可再生能源;设计中低温总线系统元素时,转化层是管网、泵站、和用户终端热泵系统,资源层是各种自然界及生活生产活动产生的中低温热源。无论设计总体系统或是设计元素子系统,所依据的气动热力学定律、基本算法、计算的顺序都是不变的,所以可编程通用的计算程序,采用虚拟变量置换方法完成整体系统或子系统的设计。
[0016]本发明的有益效果如下:
这种供能系统具有因地制宜、灵活多样、安全可靠、节能减排、持续发展的特点,是对传统的以集中供能和热电分供为特征的供能方式在能源发展方式上的一次深化改革。适用我国新型城镇化发展和改善大气环境的需求,具有普遍的实用意义和可持续发展的长远意义。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是一核三元素供能系统的结构示意图。
[0018]图2是燃气轮机冷热电三联供系统示意图。
[0019]图3是可再生能源及其与清洁能源耦合的资源综合利用系统示意图。
[0020]图4是城镇总线系统示意图。
[0021]图5是城镇智能管理中心示意图。
[0022]图6是供能系统能流网络不意图。
[0023]图7是城镇供能方案实施步骤流程图。
[0024]【具体实施方式】:
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图例,进一步阐述本发明。[0025]图1是一核三元素供能系统的结构示意,也是本发明的说明书附图,概括了本发明的核心内容。
[0026]图2是燃气轮机冷热电三联供系统示意,可作为清洁能源的高效利用的冷热电三联供技术的一种典型系统。冷热电三联供系统随着用户负荷需求、工艺流程、发电机组类型等不同的情况有多种多样的系统配置和规模,可以是楼宇型或是区域型的分布式能源。附图2所示的典型系统中,余热直燃机是溴化锂吸收式空调机组,可根据项目情况需要选用带补燃机型和纯余热两种机组。调峰设备可根据项目实际需要选择直燃机、电制冷机以及燃气锅炉。其中,经过压气机压缩的高压空气在燃烧室内与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压燃气后,驱动燃气涡轮机旋转,带动发电机发电,并排出450?600°C高温烟气。余热直燃机夏季利用高温烟气的余热进行制冷、冬季制热。当夏季余热制冷量不能满足用户所需冷量时,可选取带补燃的直燃机以补燃方式增加制冷量,仍不能满足用户供冷需求时,启动调峰设备如电制冷机进行制冷。冬季工况时,如余热直燃机制热量不能满足用户需求,可以补燃方式增加直燃机供热量,如不带补燃,则直接启动燃气锅炉等调峰设备供热,满足用户的供热需求。
[0027]附图3中是所述第二种供能子系统的示意,即城镇各种可再生能源与清洁能源的耦合供能系统,包括太阳能发电、太阳能供热、地源热泵、水源热泵、及城市垃圾及污水处理资源化利用等,这些可再生能源与天然气三联供和燃气锅炉的产出经过参数的匹配处理后,分别连接到城镇内部的冷、热、电管网,并有统一接口与外部公用供能网络衔接。智能管理中心承担整体系统的优化调度,通过内部管网为工业、商业、民用各类用户安全稳定提供冷、热、电、蒸汽、生活热水各种负荷。这种耦合供能系统具有因地制宜、灵活多样、安全可靠、节能减排、不断升级可持续发展的特点。
[0028]附图4是城镇总线系统供能示意,城镇低温热源多种多样,图中举例的低温热源来自于土壤、地表水、城镇的各种低温冷却水,这些热源水通过泵站升压后输送到环形总线的进水管网,再经过区域用户端的热泵升温后供用户采暖。用户采暖后的回水排放到环形总线的排水管网,再回灌到低温水源完成低温热源的循环利用。由于低温水源的水温和压力存在差异,必须对总线系统所含各热源、管路、泵站与换热器网络进行参数的调整和匹配,最大限度减少输送混合损失。在用户端要配置能源品位的提升装置,如热泵等,把管网输送来的低温热水提升温度后满足供用户采暖或制冷的需要。这种总系供能方式为利用城镇大量的自然和生活生产活动生成的中低温热源开辟了广阔的利用空间。
[0029]图5是城镇智能管理中心结构示意,表示为上下两层结构。下层是能源系统的三个子系统的控制专网及其工作平台,即冷热电三联供控制专网、可再生能源专网、中低温总线专网。上层是能源系统的管理中心总站,总站是整个城镇能源系统的最上层控制。上下两层之间通过网络连接传递数据信息,正常时期总站主要对各子系统的相对独立运行进行在线检测,在遭受自然或人为灾害的极端条件下,总站要发挥各子系统之间的联供联调和采取应急措施的作用,保证城镇总体的安全供能。控制总站还要与城镇的政务专网相连接,接受政府主管部门的监督。
[0030]图6是供能系统能流网络结构示意。能流网络的结构、功能、应用方式已经在
【发明内容】
中介绍。此处意在强调如图中连接各层间的有向线段的方向所示,能源系统的能流方向是资源一转化一负荷,但利用能流网络程序来求解能源系统时的计算方向与之相反,为负荷一转化一资源。各层间表示各种关联过程的有向线段的数量和分布情况均随具体的能源系统而改变。
[0031]图7表示了“一核三元素”供能系统设计的实施步骤,可分为A、B、C、D四个顺序模块:
(A)项目下达和现场调研。包括调研城镇的冷热电负荷需求、资源禀赋、技术条件、财政状况各的目前现状及发展预测。
[0032](B)设定城镇发展量化目标。可以在设定不同的技术发展和政策发展条件三个等级的量化目标,即常规目标、超常目标、跨越目标。同时预测三个目标下相应的负荷需求,作为能源系统设计主要依据。
[0033](C)核心模块设计。该模块以是方案实施步骤的中心环节,用能流网络方法和计算机程序进行供能系统的优化方法,包括整体设计和各个元素模块(子系统)设计,得到供能系统整体和各个子系统的系统集成、运行模式、成本效益、节能减排效果等。整体设计内容是根据城镇自然条件、资源分布、产业布局、人口密度等因素,因地制宜地在城镇规划面积内进行三种供能元素的空间布局,确定每种元素的数量和容量,求得总体的优化。在总体设计的基础上进行每个元素的深化设计,包括该元素的工艺流程、系统集成、运行方式、成本、节能减排量等,得到各个子系统的优化。综合各模块的设计结果将最终得城镇整体供能系统的能量平衡、各种资源的消耗、总成本、对环境的总影响,然后进入下一个检验模块,检验是否达到预定目标。
[0034](D)目标检验并通过迭代计算达到预定目标。继之,进行各项后续工作,如城镇所有能源站的布局优化、与外部公用供能网络的接网设计,施工图设计、形成设计文件等。
[0035]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种基于资源综合利用的新型城镇一核三元素供能系统,其特征在于,包括: 一个元素是清洁能源分布式冷热电三联供系统,通过燃烧清洁能源发电及发电后余热的梯级利用,提供工业蒸汽或空间的采暖或制冷;一个元素是耦合供能系统,由各种可再生资源与清洁能源相结合,实现在工艺流程、转化设备、优化控制各层面的有机结合,形成的耦合供能系统;一个元素是总线系统,由工业余能利用、城市污水及垃圾处理资源化利用、及城镇的大量中低温热源的汇集,通过城镇统一的管网、泵站、换热站等基础设施输送到用户加以利用的供能系统;一个核心是能源管理中心,通过智能化信息网络,对三元素之间形成空间上的交联组合和时 间上的优化调度运行。
2.根据权利要求1所述的基于资源综合利用的新型城镇一核三元素供能系统,其特征在于:所述清洁能源分布式冷热电三联供系统是各种清洁能源,包括天然气和各种非常规天然气清洁能源的高效利用,由各种类型的发电机组、余热利用机组、负荷调峰设备组成的不同容量、不同工艺流程、适用于工业、商业、民用各种用户的分布式供能系统;所述可再生能源及其耦合系统是由太阳能、风能、地热能、生物质能、小水电等各种可再生能源与天然气清洁能源构成的多能源互补和多技术交叉的耦合供能系统;所述的总线系统是指由工业余能、城市污水及垃圾资源化、及城镇的大量自然界与生活生产活动的低温热源汇集在一起,通过城镇统一的管网、泵站、换热站等基础设施输送到用户加以利用的供能系统;上述三个系统通过能源管理中心构成空间上交联组合、在时间上优化调度的城镇供能系统。
3.根据权利要求1所述的供能系统的优化方法,其特征在于,其方法为:采用能流网络法,能流网络由负荷层、转化层、资源层三层构成了能源系统的物理模型和数据关联;负荷层根据城镇的冷、热、电、工业蒸汽、生活热水的需求,以负荷调研结果作为已知的输入数据;资源层是根据城镇的资源调研给出各种资源的储藏量和可用量,作为能源系统设计的限制条件;中间的转化层是从资源转化成用户负荷所应用的各种技术、工艺流程、和转化设备;能流网络三层之间的转化过程遵循着能量守恒、质量守恒、过程损失、和设定的分配比例等气动热力学定律和优化准则,从而建立了三层之间的量化关系和数值求解的依据,通过编制的计算程序进行优化设计;求解过程从已知的负荷层开始,求解方向与实际的能流方向相反,自上而下,算出各种转化设备的容量、各种资源的需求量、各种与资源相关的有害气体排放量、系统投资和运行成本各种宏观参数;所述负荷层、资源层、转化层组成的三层结构中,每层中包含内容的数量与名称,三层之间存在关联关系均随不同城镇或区域的具体情况而改变。
4.根据权利要求3所述的供能系统的优化方法,其特征在于,所述优化方法的具体步骤如下: (A)项目下达和现场调研:包括调研城镇的冷热电负荷需求、资源禀赋、技术条件、财政状况各的目前现状及发展预测; (B)设定城镇发展量化目标:设定对应不同的技术发展和政策发展条件的三个等级的量化目标,即常规目标、超常目标和跨越目标;同时预测三个目标下相应的负荷需求,作为能源系统设计主要依据; (C)核心模块设计:该模块以是方案实施步骤的中心环节,用能流网络方法和计算机程序进行供能系统的优化方法,包括整体设计和各个元素模块设计,得到供能系统整体和各个子系统的系统集成、运行模式、成本效益和节能减排效果;整体设计内容是根据城镇自然条件、资源分布、产业布局和人口密度因素,因地制宜地在城镇规划面积内进行三种供能元素的空间布局,确定每种元素的数量和容量,求得总体的优化;在总体设计的基础上进行每个元素的深化设计,包括该元素的工艺流程、系统集成、运行方式、成本和节能减排量,得到各个子系统的优化;综合各模块的设计结果将最终得到城镇整体供能系统的能量平衡、各种资源的消耗、总成本和对环境的总影响,然后进入下一个检验模块,检验是否达到预定目标。
5.(D)目标检验并通过迭代计算达到预定目标:继之,进行各项后续工作,包括城镇所有能源站的布局优化、与外部公用供能网络的接网设计,施工图设计和形成设计文件。
6.根据权利要求4所述的供能系统和优化方法,其特征在于,分布式冷热电三联供系统中,通过燃烧清洁能源发电后的余热进行的梯级利用,根据用户负荷需求、发电机组类型、工艺流程、投资强度、节能减排目标的多种因素决定了多种多样的系统配置和系统规模,包括区域型分布式能源和楼宇型分布式能源所有类型。
7.根据权利要求4所述的供能系统和优化方法,其特征在于,城镇分布式能源系统中天然气清洁能源与各种可再生能源的耦合供能系统中包括各种可能的耦合方式,包括资源的耦合、工艺流程的耦合 供能设备的耦合、运行方式的耦合、控制系统的耦合、与公用电网衔接的各个层面上的耦合。
8.根据权利要求4所述的供能系统和优化方法,其特征在于,城镇分布式能源系统中包括城镇中一切可利用的自然界和生活生产活动产生的大量中低温热源,通过总线系统方式为用户供能,作为城镇整体能源系统的一种重要组成部分。
【文档编号】F02C6/18GK103982299SQ201410130490
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】汪庆桓, 冯江华 申请人:北京恩耐特分布能源技术有限公司
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