一种单管无回水长距离输热的余热集中供暖系统和方法与流程

本发明涉及一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法，属供热领域

背景技术：

常规的采暖系统由热源、供、回水循环管道系统、散热器和附属设备构成。电厂余热集中供热是一次水通过热电厂的汽水换热器加热至110-130℃，经主循环泵进入一次管网的供水管通过热力站将热量转换到二次管网，经过回水加压泵站将70℃的回水送回热电厂再加热，完成循环过程。在实施长距离大高差输热的集中供热时，还要在管线适当位置设置中继站，以保证管网末端所需要的压力和流量，当高差较大时，为减少管内高压产生的水力条件恶化和高压管道、水泵的成本，需要在低端供(回)水侧增加单级或多级加压泵。同时还要考虑各级水泵出现故障时的发生停机水锤。因此，长距离大高差供热管线的循环、加压水泵增加了供热的运行成本。

近年来，一些大中城市为减少燃煤采暖锅炉对大气的污染，实施了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，实现了节能减排。但是，这些项目普遍面临一些难题。特别是大高差的情况下，需要设置多级大功率加压泵站将采暖一次回水加压输送到电厂继续循环加热，大功率的水泵电机耗电量大，提高了运行成本，成为运行管理单位的经济负担。

随着生活条件的改善，人们对舒适性的要求也在提高，我国南方夏热冬冷地区对供暖的需求在增加，本专利技术的实施可以为这些地区提供廉价的热源和集中供热的方案。特别是对于大型电厂、钢厂等大量余热资源的地区，采用本专利技术利用充足的水源解决周边的城镇集中供热的问题。

我国北方的一个城市实施的一项长距离大温差大高差大管径集中供热工程，热源电厂的高程与供热的市区高程相差180米，为了将回水送回电厂，一次管网回水设置了5级加压泵站，加压水泵的总扬程达到330米，循环泵的总扬程180米，水泵装机34000千瓦，采暖季的电费超过1亿元，成为运行管理单位的沉重的经济负担。降低运行成本势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法，其特征是，以河道水为换热介质，回收电厂烟气余热，不设回水管道及相应的加压泵站，长输管道设置泄压水轮发电机，最终排水降到初始温度实现热能全部利用，解决了长输管道集中供热系统一次管道工程投资大、一次回水加压水泵耗能大运行成本高和安全隐患多的问题。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法，其特征是，针对热源电厂与供热区域高差较大且有稳定的水源利用的场合实施本专利技术。一次管网水取自上游河道或水库，经过沉淀、过滤和防垢等处理后进入电厂余热换热器，经电厂余热加热后单管输送，在大高差的输水管道适当位置设置水轮发电机组，利用高差形成的势能发电，同时将管内压力释放。在供暖区域热力站通过与供热管网的二次水换热，水温度降到50℃以下，再通过水源热泵进一步降温至10℃后排放至下游河道。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法包括水源系统、热源系统、管道输送供系统、泄压发电系统、二次换热系统、热泵提升系统。本发明的余热集中供热系统的运行是这样实现的：

所述的水源系统，其特征是，一次管网水取自上游河道或水库，热电联产的电厂和供热区域是河流的上下游关系，河道有稳定的天然水流量或者水库通过河道向下游输送一定流量的生态用水。水源系统设置一定容量的沉淀池和调节池，将水中的泥沙及悬浮物和部分污染物去除，并起着水量调节的作用。在进入换热器之前采用高频电子除垢防垢设备对一次管网水进行防垢处理，防止换热器内结垢。

所述的热源系统，其特征是，热源取自电厂的烟筒排烟余热、汽轮机的乏气余热。前述余热量不能满足需求时，可利用部分汽轮机的高温抽气做补充。根据温度对口，梯级利用的原则，设置三级换热器：

1、烟气换热器(汽水换热)，利用河道的低温水(5-15℃，平均10℃)将电厂锅炉烟气温度从60℃(脱硫脱硝后的烟温)降到20℃左右，一次管网水温升到20-30℃。同时将烟气中的水汽冷凝并将烟气中的部分污染物溶在水中去除。

2、乏气(凝气)换热器，泛气换热器与电厂的空冷岛并联，采暖期代替空冷岛运行，经过烟气换热器加热的一次管网水通过乏气换热器后进一步升温。

3、抽气换热器，经过乏气换热器的一次管网水温度达不到要求时，再进入抽气换热器再升温直至满足供热需求进入长距离输水管线。

所述的管道输送系统，其特征是，管道输送系统采用大管径钢管，管外敷设保温层，减少输送过程的热损失。本系统包括：加压泵、输水管道、排水管道。

所述的加压泵安装在调节池出口，作用是保证输水系统的流量和压力，克服烟气换热器、凝器换热器、抽气换热器和输水管道产生的沿程阻力损失和局部阻力损失。

所述的排水管道，其特征是，一次管网水经过多级换热，温度降到初始温度后，通过排水管道输送到下游河道或调蓄工程内，排水管道不必做保温处理。

所述的泄压水轮发电机组设置在一定的管道落差的输水管道上，一次管网水通过水轮发电机组发电消耗势能，降低了管道的压力。根据地形和管道压力情况，可设置单级或多级水轮发电机组。通过泄压水轮机发电可以大幅度降低对输水管道的承压要求，减少管壁厚度，降低工程造价。

所述的二次换热系统，其特征是，二次换热系统包括高温换热器和中温换热器。通过高温换热器的换热的高温高压二次采暖水经过循环泵进入城市供热管网的干管系统，输送到城市热网的换热站进行循环换热。通过中温换热站换热的中温中压二次采暖水经过循环泵直接进入城市供热管网的末端用户进行循环供热。输水管道中的一次管网水经过高温换热器和中温换热器后，温度降到50℃以下，进入采暖热泵提升系统。

所述的采暖热泵提升系统，其特征是，采暖热泵提升系统包括水源热泵和二次采暖管网。采用水源热泵将50℃以下的一次管网水降到初始温度(10℃左右)，进入排水管道，水源热泵的输出侧将提升至70℃左右的二次水经循环泵直接进入城市供热管网的末端用户进行循环供热。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法其优点是：

1、回收烟气余热，实现节能减排

利用采暖季河道水的低温特性，将电厂烟气中的余热充分回收。由于燃煤电厂的排烟经过湿式脱硫、脱销和除尘虽然实现了超低排放，但烟气中水汽含量很高，处于饱和状态，对雾霾天气仍有一定影响。实施超低排放的烟温降到60℃左右，含有大量的潜热。采用本专利技术可将烟气降到10-20℃排放，彻底消除冒白烟的现象，既可把烟气中的水汽冷凝潜热回收，也可去除部分污染物，减少对大气的污染。

2、实现单管无回水长距离输热，大幅度降低输热成本

与常规供热方式相比，一是利用大高差形成的压力作为输水的动力，减少了管道加压泵站的扬程和功率，将大高差的劣势变成了优势，二是减少了一根回水管道，降低了50％的管道投资，三是减少了回水加压泵的泵站投资和运行成本。

3、利用大高差产生的势能，设置水轮发电机组泄压发电

本专利技术在输水管道上一定落差的位置设置泄压水轮发电机组，通过水轮发电机组发电消耗势能产生经济效益，同时降低管道的压力，大幅度降低对输水管道的承压要求，减少管壁厚度，降低工程造价。水轮发电机组所发电力可提供给本系统末端的水源热泵，进一步降低供热系统运行的成本。

4、利用水源热泵降低一次水温至10℃，电厂余热利用最大化

本专利技术采用水源热泵将一次管网水的最终水温降到10℃，把一次水的温差从传统的60℃提升到100℃以上，增加了热量输送能力，大幅度的降低了管道输热成本，提高了电厂余热回收的利用率。

5、提高了长距离输热集中供热系统的安全性

由于减少了一条回水管道、减少了多级回水加压泵站、减少了管道的承压要求、减少了发生故障的机会和条件，实现了低成本运行，提高了长距离输热集中供热系统的经济性和安全性。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法，其特征是，针对长江沿线及长江以南冬季湿冷气候需要集中供热的区域可实施本专利技术。一次管网水取自上游河道、湖泊或水库，经过沉淀、过滤和防垢等处理后进入电厂余热换热器，经电厂余热加热后单管输送，在供暖区域的换热站与供热管网的二次水换热，水温度降到30℃以下后排放至下游河道湖泊或水库。本专利技术可为夏热冬冷地区的集中供热提供一个廉价的热源。

本发明提出一种适用于冬冷夏热地区的单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法，包括水源系统、热源系统、管道输送供系统、采暖二次换热系统、泄水系统。本发明的余热集中供热系统的运行是这样实现的：

所述的水源系统，其特征是，供热系统的一次管网水取自上游河道、湖泊或水库(以下简称河道)，联供电厂和供热区域是河流的上下游关系，河道有稳定的天然水流量或者水库向下游输送一定流量的生态用水。水源系统设置一定容量的沉淀池和调节池，将水中的泥沙及悬浮物和部分污染物去除，并起着水量调节的作用。在进入换热器之前采用高频电子除垢防垢设备对一次管网水进行防垢处理，防止换热器内结垢。

所述的热源系统，其特征是，供热系统的热源取自电厂的烟筒排烟、汽轮机的乏气余热。根据温度对口，梯级利用的原则，设置二级换热器：

1、烟气换热器(汽水换热)，利用河道的低温水(平均20℃)将电厂锅炉烟气温度从60℃(脱硫脱硝后的烟温)降到30℃左右，一次水温升到30℃左右。同时将烟气中的水汽冷凝并将烟气中的部分污染物溶在水中去除。

2、乏气(凝气)换热器，泛气换热器与电厂的空冷岛并联，采暖期和供热水工况代替空冷岛运行，经过烟气换热器加热的一次管网水通过乏气换热器后进一步升温。考虑到南方地区的热负荷，一次管网水温不宜太高。

所述的管道输送系统，其特征是，供热系统的管道输送系统采用大管径钢管。管外敷设保温层，减少输送过程的热损失。本系统包括：加压泵、输水管道、排水管道。

所述的加压泵安装在调节池出口，作用是保证输水系统的流量和压力，克服烟气换热器、凝器换热器、抽气换热器和输水管道产生的沿程阻力损失和局部阻力损失。

所述排水管道是一次管网水经过多级换热，温度降到初始温度后，通过排水管道输送到下游河道或调蓄工程内。

所述的采暖二次换热系统，其特征是，供热系统的二次换热系统包括高温换热器和中温换热器。通过高温换热器的换热的高温高压二次采暖水经过循环泵进入城市供热管网的干管系统，输送到城市热网的换热站进行循环换热。通过中温换热站换热的中温中压二次采暖水经过循环泵直接进入城市供热管网的末端用户进行循环供热。输水管道中的一次管网水经过高温换热器和中温换热器后，温度降到30℃以下。

所述的排水管道，其特征是，本集中供热系统的排水管道的作用是将经过水源热泵降到30℃以下的一次管网水输送到下游河道或调蓄工程内。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统和方法充分利用了电厂的烟气和乏气余热，通过大管径长距离的输送，可以实现低成本的解决长江以南的供热难题，该系统在水量充沛的河网地区可实现全年运行，非采暖季节可以向城市供热水。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统所称的余热，既可以是热电联产电厂的烟气余热、乏汽余热、抽气余热，也可以利用钢厂、水泥厂、窑炉和化工厂等行业的余热资源，为集中供热系统提供廉价的热源。

本发明提出一种单管无回水长距离输热的余热集中供热系统所称的一次管网水既可以是河道中的水，也可以是城市中水系统的水，也可以是城市和厂矿污水处理厂的达标排放水。中水和污水处理厂的排水应该增加必要的处理和消毒流程。

附图说明：

图1是针对大高差的单管无回水长距离输热的余热集中供热系统流程

图中：

1、上游河道，2、沉淀/调节池，3、加压泵，4、高频电子防垢除垢器5、电厂烟筒，6、烟气换热器，7、乏汽换热器，8、汽轮机，8-1、乏汽，8-2抽气，9、抽气换热器，10、水轮发电机组，11、长距离输水管线，12、高温换热器，13、中温换热器，14、水源热泵，15、排水管道，16、下游河道

具体实施方式：

本实施例是针对热源电厂与供热区域高差较大且有稳定的水源利用的项目，结合图1对流程进一步说明。

一次管网水取自上游河道1或水库，热电联产的电厂和供热区域是河流的上下游关系，河道有稳定的天然水流量或者水库通过河道向下游输送一定流量的生态用水，能够保证有足够的水量进入长距离输热的余热集中供热系统。首先将一次管网水引入沉淀/过滤池2，将水中的泥沙及悬浮物和部分污染物去除，并起着水量调节的作用。然后通过加压泵3将水输送到换热器，在加压泵的出口安装高频电子除垢防垢器4对一次管网水进行防垢处理，防止换热器内结垢。

长距离输热的余热集中供热系统的热源取自电厂的烟筒排烟余热、汽轮机的乏气余热。当余热量不能满足需求时，可利用部分汽轮机的高温抽气做补充。根据温度对口，梯级利用的原则，本系统共设置三级换热器：

第一级换热器：一次管网水首先进入烟气换热器6(汽水换热)，利用河道的低温水的特性(5-15℃，平均10℃)将电厂锅炉烟气温度从60℃(脱硫脱硝后的烟温)降到20℃左右，一次管网水温升到30℃左右。目前，大部分燃煤电厂的排烟都经过湿式脱硫、脱销和除尘实现了超低排放，但是由于水汽含量很高，烟气处于饱和状态，对雾霾天气仍有一定影响。采用本专利技术可将烟气降到20℃排放，既可把烟气中的水汽冷凝热量回收，也可去除部分污染物。

第二级换热器：一次管网水进入乏气换热器7，泛气换热器7的蒸汽侧与电厂的空冷岛并联，采暖期代替空冷岛运行，经过烟气换热器6加热到30℃的一次管网水通过乏气换热器后进一步升温。对于大型电厂的多台发电机组，可采用多级串联，梯级加热的方法，充分利用乏气余热可将采暖水加热到80℃以上。

第3级换热器：当经过乏气换热器7的一次管网水温度仍需提高时，再进入抽气换热器9再升温直至满足供热需求进入长距离输水管线。

考虑到热源电厂与供热区域高差较大，输水管线的中末端的管道压力很大，为减小管道的水压力，在大高差的管线适当位置设置水轮发电机组10，利用地势高差形成的势能发电，同时将管内压力释放降压。在供暖区域热力站通过与供热管网的二次水换热，水温度降到50℃以下，再通过水源热泵进一步降温至10℃后排放至下游河道16。

管道输送系统采用大管径钢管，管外敷设保温层，减少输送过程的热损失。管道输送系统包括：加压泵3、输水管道11、泄压水轮发电机组10、排水管道15。

加压泵安装在调节池出口，作用是保证输水系统的流量和压力，克服烟气换热器6、凝气换热器7、抽气换热器9和输水管道11产生的沿程阻力损失和局部阻力损失。

泄压水轮发电机组10设置在一定的管道落差的输水管道上，一次管网水通过水轮发电机组10发电消耗势能，降低了管道的压力。根据地形和管道压力情况，可设置单级或多级水轮发电机组。通过泄压水轮机发电可以大幅度降低对输水管道的承压要求，减少管壁厚度，降低工程造价。

排水管道是一次管网水经过多级换热，温度降到初始温度后，通过排水管道18输送到下游河道16或调蓄工程内。

二次换热系统包括高温换热器12和中温换热器13。通过高温换热器12的换热的高温高压二次采暖水经过循环泵进入城市供热管网的干管系统，输送到城市热网的换热站进行循环换热。通过中温换热器13换热的中温中压二次采暖水经过循环泵直接进入城市供热管网的末端用户进行循环供热。输水管道中的一次管网水经过高温换热器12和中温换热器13后，温度降到50℃以下，进入采暖热泵提升系统。

采暖热泵提升系统包括水源热泵14和二次采暖管网。采用水源热泵14将50℃以下的一次管网水降到初始温度(10℃左右)，进入排水管道，水源热泵14的输出侧将提升至70℃左右的二次水经循环泵直接进入城市供热管网的末端用户进行循环供热。

排水管道15的作用是将经过水源热泵降到初始温度(10℃左右)的一次管网水输送到下游河道16或调蓄工程内。