一種基於資源綜合利用的新型城鎮供能系統及其優化方法
2023-10-09 10:49:54 1
一種基於資源綜合利用的新型城鎮供能系統及其優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於資源綜合利用的新型城鎮供能系統及其優化方法。供能系統包括三個子系統，即清潔能源分布式冷熱電三聯供子系統，可再生資源與清潔能源構成的耦合供能子系統，城鎮自然界及生活生產活動產生的中低溫熱源組成的總線供能子系統，連接三個子系統的智能管理中心，共同構成一核三元素供能系統。供能系統的優化方法採用能流網絡法，能流網絡由負荷層、轉化層、資源層三層構成了能源系統的物理模型和數據關聯。這種供能系統具有因地制宜、靈活多樣、安全可靠、節能減排、可持續發展的特點，是對以集中供能、熱電分供為特徵的傳統供能系統在能源發展方式上的一次深化改革和創新。
【專利說明】一種基於資源綜合利用的新型城鎮供能系統及其優化方法
[0001]【技術領域】:
本發明涉及一種基於資源綜合利用的新型城鎮供能系統及其優化方法，屬節能環保【技術領域】。
[0002]【背景技術】:
我國正處於新型城鎮化的發展進程中，能源需求不斷增長，能源供應成為新型城鎮經濟社會發展的基礎條件。面對建設能源節約型和環境保護型社會的需要，必須尋求一種適合節能低碳新城鎮發展的能源供應新途徑。結合國家「十二五」能源規劃和長遠規劃，以及發改委近年陸續發布的如《關於發展天然氣分布式能源的指導意見》、《分布式發電管理暫行辦法》、《大氣汙染防治行動規劃》等文件提出的能源發展政策，一種以發展分布式能源為特徵的能源供應方式的轉變正在形成。
[0003]本專利提出的背景就是應對我國城鎮化發展和改善大氣環境的迫切需要，提出一種以資源綜合利用為基礎的清潔能源、可再生能源、工業餘熱餘壓及各種中低溫熱源利用等分布式供能交聯組合與集中控制的離散型供能系統，稱之為「一核三元素」供能系統。
[0004]
【發明內容】
:
本發明目的是，應用和發展現有各種能源新技術的同時，彌補互為補充及交聯耦合應用的不足，提供一種新型城鎮供能系統及其優化方法。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
一種基於資源綜合利用的新型城鎮一核三元素供能系統，包括清潔能源分布式冷熱電三聯供系統，可再生資源與清潔能源構成的耦合供能系統，工業餘能利用、城市汙水及垃圾資源化利用、及中低溫餘熱利用相結合組成的總線系統、和智能管理中心。
[0006]所述新型城鎮供能系統是以清潔能源分布式冷熱電三聯供作為技術基礎。典型的以燃氣輪機為動力的天然氣三聯供系統包括空氣壓縮機、燃燒室、燃氣渦輪三大氣動部件。空氣壓縮機中產生高壓空氣，在燃燒室中噴入天然氣燃料與空氣混合燃燒後形成高溫高壓燃氣，進入燃氣渦輪機中膨脹做功，將熱能轉化為機械工，帶動發電機發電。發電後由燃氣渦輪排出450?600°C高溫煙氣，再利用高溫煙氣攜帶的大量餘熱通過餘熱利用設備提供工業蒸汽和採暖與製冷。餘熱利用設備如餘熱吸收式空調機組，夏季工況時可生產製冷水用於採暖，冷量不足時可增加補燃或增設電制冷機作為冷負荷調峰設備，共同滿足用戶製冷需求；冬季工況時，餘熱吸收式空調機組可生產採暖熱水供用戶採暖，熱量不足時可增設燃氣鍋爐生產熱水，共同滿足用戶採暖需求。所述新型城鎮供能系統的重要特徵是在冷熱電三聯供核心技術基礎上，引進與各種可再生能源的耦合供能技術，及城鎮大量可利用的中低溫熱源的總線系統供能技術，形成具有各自特點相對獨立而又密切關聯的三種系統，再通過智能化能源管理中心的統一運行管理，共同組成在空間上交聯組合、在時間上優化調度的城鎮整體供能系統。
[0007]本發明以對當地資源的整體規劃、統籌安排，綜合利用為基礎。當地的能源資源除公用事業部門提供的電、氣、熱力能源供應外，包括當地的各種清潔能源資源(如天然氣、及煤層氣、煤制氣、頁巖氣等非常規天然氣)、各種可再生能源資源、工業餘熱餘壓、城鎮汙水處理和垃圾處理資源化利用、一切可開發利用的大量中低溫餘熱。在資源綜合利用基礎上形成「一核三元素」供能系統，所指的每一元素代表了一種類型的供能方式(或稱為供能子系統)，整個城鎮的供能系統由這三種子系統構成。
[0008]第一個元素是針對清潔能源高效利用的分布式冷熱電三聯供系統，實現高效梯級利用；第二個元素是利用當地的太陽能、風能、地熱能、生物質能等可再生資源，並與清潔能源構成耦合供能系統，實現各種間斷性可再生能源的發電併網和穩定供能。第三個元素是工業餘能利用、城市汙水及垃圾處理資源化利用、及大量可用的中低溫餘熱利用相結合，組成「總線供能」系統。城鎮內部的「一核三元素」供能系統與城鎮外部的公用電力、燃氣等網絡互補銜接，保證城鎮的安全穩定供能。
[0009]三元素供能系統的第一個元素是清潔能源的高效利用，通過燃燒清潔能源發電後的餘熱進行梯級利用，提供工業蒸汽或空間的採暖或製冷。這種利用方式隨發電機組的類型和工藝流程不同有多種多樣的系統配置，容量和規模隨負荷需求而定，可以是樓宇型或是區域型。
[0010]三元素供能系統的第二個元素是開發利用當地的各種可再生資源，並儘可能與清潔能源冷熱電聯供構成耦合供能系統。這一元素的目的除了單獨利用太陽能、風能等各種可再生資源外，重點是將可再生能源與清潔能源實現工藝流程、轉化設備、優化控制多個元素的有機結合，形成耦合供能系統。
[0011]三元素結構能源系統的第三個元素是可將工業餘熱餘壓利用及大量可用的城鎮各種中低溫熱源(如地表水、冷卻水等)相聚集，構成所謂「總線供能」系統。總線系統是一種獨特的集成化的能源系統，它是多種多樣的中低溫熱源，通過城鎮統一基礎設施，泵站和管網，輸送到各種用戶。在各用戶用接口配置各自的能源品位提升裝置，如熱泵裝置，把管網輸送來的低品位介質提升溫度後供用戶採暖或製冷。將這種供能方式納入城鎮供能系統為利用城鎮大量的自然和人類生活生產活動再生成的大量中低溫熱源開闢了廣闊的利用空間。
[0012]一核三元素供能系統的核心是智能管理中心。管理中心的功能包括兩方面，一是通過智能化信息網絡，對三元素之間形成空間上的「交聯組合」和時間上的優化調度運行。交聯組合是指對城鎮中的每一個確定區域，根據其區域功能(如新技術開發區、工業園區、綜合商務區、居民區等)和負荷特點，因地制宜地選擇一種、兩種、或三種上述元素的組合，完成模塊化的空間布局。時間上的優化調度是指根據用戶的負荷變化和公用供能系統的峰谷價格變化進行各元素的供能比例分配和相為補充，實現城鎮供能最小運行費用。管理中心還承擔城鎮內部系統與外部公用供能網絡的連接和能量交換，相互支撐，也是城鎮冷、熱、電供應的聯供聯調平臺，承擔自然與人為極端狀態下的應急措施，實現城鎮安全穩定供能與節能減排目標。管理中心的功能另一個功能是建立良好的政策環境，開展綠色低碳生活的宣傳教育，將高效資源利用技術與綠色生態文化相融合，向居民灌輸環境保護意識，倡導綠色生活方式，建成具有自我調節、自我完善、自我升級的低碳、生態、文化的智能城鎮。
[0013]一核三元素供能系統的設計是應用能流網絡的優化方法。這種設計對於傳統的以單項能源的供求平衡(如電力、燃氣、或熱力等單項能源供求平衡)為基礎的設計而言是設計理念和設計方法上的根本變革。這種供能系統的目標不是簡單地供求平衡，而是能源、環境、經濟、生態的協調發展。採用設計方法是從一次能源轉化為二次能源，再輸運和分配到用戶利用的各種過程和技術不是相互獨立而是根據能源梯級利用原理建立的多能源互補、多技術交叉的複雜連結關係。只有通過能流網絡和基本氣動熱力學定律來建立這種複雜的內部聯繫，借用矩陣數值解法進行整個能源系統的優化設計。
[0014]能流網絡可簡化表示為負荷層、轉化層、資源層三層。負荷層根據城鎮的冷、熱、電、工業蒸汽、生活熱水的需求，以負荷調研結果作為已知的輸入數據；資源層是根據城鎮的資源調研給出各種資源的儲藏量或可用量，作為能源系統設計的限制條件；中間的轉化層是從資源轉化成用戶負荷所應用的各種技術、工藝流程、和轉化設備，這一層是設計工作的核心內容。能流網絡三層之間的聯線表示各種「轉化過程」，這些過程對應著能量守恆、質量守恆、過程損失、分配比例等氣動熱力學定律和優化準則，建立了三層之間的量化關係和數值求解的依據，通過編制的計算程序進行設計。求解過程從已知的負荷層開始，求解方向與實際的能流方向相反，自上而下，算出各種轉化設備的容量、各種資源的需求量、各種與資源的有害氣體排放量、系統投資與運行成本等宏觀參數。
[0015]能流網絡方法既可用於城鎮供能系統的總體方案，此時的轉化層表示為三個元素子系統，也可用於各個元素子系統的設計。在用於各元素子系統設計時，負荷層是應用該子系統的城鎮某個區域的冷熱電負荷，轉化層和資源層將隨子系統的不同而改變，各層間的過程聯繫也相應改變。設計冷熱電三聯供元素時，轉化層是各種發電機組和餘熱利用機組等，資源層是天然氣和各種非常規天然氣清潔能源；設計可再生能源及耦合系統元素時，轉化層是各種可再生能源轉化設備及耦合設備，資源層是各種可再生能源；設計中低溫總線系統元素時，轉化層是管網、泵站、和用戶終端熱泵系統，資源層是各種自然界及生活生產活動產生的中低溫熱源。無論設計總體系統或是設計元素子系統，所依據的氣動熱力學定律、基本算法、計算的順序都是不變的，所以可編程通用的計算程序，採用虛擬變量置換方法完成整體系統或子系統的設計。
[0016]本發明的有益效果如下:
這種供能系統具有因地制宜、靈活多樣、安全可靠、節能減排、持續發展的特點，是對傳統的以集中供能和熱電分供為特徵的供能方式在能源發展方式上的一次深化改革。適用我國新型城鎮化發展和改善大氣環境的需求，具有普遍的實用意義和可持續發展的長遠意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是一核三元素供能系統的結構示意圖。
[0018]圖2是燃氣輪機冷熱電三聯供系統示意圖。
[0019]圖3是可再生能源及其與清潔能源耦合的資源綜合利用系統示意圖。
[0020]圖4是城鎮總線系統示意圖。
[0021]圖5是城鎮智能管理中心示意圖。
[0022]圖6是供能系統能流網絡不意圖。
[0023]圖7是城鎮供能方案實施步驟流程圖。
[0024]【具體實施方式】:
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖例，進一步闡述本發明。[0025]圖1是一核三元素供能系統的結構示意，也是本發明的說明書附圖，概括了本發明的核心內容。
[0026]圖2是燃氣輪機冷熱電三聯供系統示意，可作為清潔能源的高效利用的冷熱電三聯供技術的一種典型系統。冷熱電三聯供系統隨著用戶負荷需求、工藝流程、發電機組類型等不同的情況有多種多樣的系統配置和規模，可以是樓宇型或是區域型的分布式能源。附圖2所示的典型系統中，餘熱直燃機是溴化鋰吸收式空調機組，可根據項目情況需要選用帶補燃機型和純餘熱兩種機組。調峰設備可根據項目實際需要選擇直燃機、電制冷機以及燃氣鍋爐。其中，經過壓氣機壓縮的高壓空氣在燃燒室內與噴入的燃料混合燃燒產生高溫高壓燃氣後，驅動燃氣渦輪機旋轉，帶動發電機發電，並排出450?600°C高溫煙氣。餘熱直燃機夏季利用高溫煙氣的餘熱進行製冷、冬季制熱。當夏季餘熱製冷量不能滿足用戶所需冷量時，可選取帶補燃的直燃機以補燃方式增加製冷量，仍不能滿足用戶供冷需求時，啟動調峰設備如電制冷機進行製冷。冬季工況時，如餘熱直燃機制熱量不能滿足用戶需求，可以補燃方式增加直燃機供熱量，如不帶補燃，則直接啟動燃氣鍋爐等調峰設備供熱，滿足用戶的供熱需求。
[0027]附圖3中是所述第二種供能子系統的示意，即城鎮各種可再生能源與清潔能源的耦合供能系統，包括太陽能發電、太陽能供熱、地源熱泵、水源熱泵、及城市垃圾及汙水處理資源化利用等，這些可再生能源與天然氣三聯供和燃氣鍋爐的產出經過參數的匹配處理後，分別連接到城鎮內部的冷、熱、電管網，並有統一接口與外部公用供能網絡銜接。智能管理中心承擔整體系統的優化調度，通過內部管網為工業、商業、民用各類用戶安全穩定提供冷、熱、電、蒸汽、生活熱水各種負荷。這種耦合供能系統具有因地制宜、靈活多樣、安全可靠、節能減排、不斷升級可持續發展的特點。
[0028]附圖4是城鎮總線系統供能示意，城鎮低溫熱源多種多樣，圖中舉例的低溫熱源來自於土壤、地表水、城鎮的各種低溫冷卻水，這些熱源水通過泵站升壓後輸送到環形總線的進水管網，再經過區域用戶端的熱泵升溫後供用戶採暖。用戶採暖後的回水排放到環形總線的排水管網，再回灌到低溫水源完成低溫熱源的循環利用。由於低溫水源的水溫和壓力存在差異，必須對總線系統所含各熱源、管路、泵站與換熱器網絡進行參數的調整和匹配，最大限度減少輸送混合損失。在用戶端要配置能源品位的提升裝置，如熱泵等，把管網輸送來的低溫熱水提升溫度後滿足供用戶採暖或製冷的需要。這種總系供能方式為利用城鎮大量的自然和生活生產活動生成的中低溫熱源開闢了廣闊的利用空間。
[0029]圖5是城鎮智能管理中心結構示意，表示為上下兩層結構。下層是能源系統的三個子系統的控制專網及其工作平臺，即冷熱電三聯供控制專網、可再生能源專網、中低溫總線專網。上層是能源系統的管理中心總站，總站是整個城鎮能源系統的最上層控制。上下兩層之間通過網絡連接傳遞數據信息，正常時期總站主要對各子系統的相對獨立運行進行在線檢測，在遭受自然或人為災害的極端條件下，總站要發揮各子系統之間的聯供聯調和採取應急措施的作用，保證城鎮總體的安全供能。控制總站還要與城鎮的政務專網相連接，接受政府主管部門的監督。
[0030]圖6是供能系統能流網絡結構示意。能流網絡的結構、功能、應用方式已經在
【發明內容】
中介紹。此處意在強調如圖中連接各層間的有向線段的方向所示，能源系統的能流方向是資源一轉化一負荷，但利用能流網絡程序來求解能源系統時的計算方向與之相反，為負荷一轉化一資源。各層間表示各種關聯過程的有向線段的數量和分布情況均隨具體的能源系統而改變。
[0031]圖7表示了「一核三元素」供能系統設計的實施步驟，可分為A、B、C、D四個順序模塊:
(A)項目下達和現場調研。包括調研城鎮的冷熱電負荷需求、資源稟賦、技術條件、財政狀況各的目前現狀及發展預測。
[0032](B)設定城鎮發展量化目標。可以在設定不同的技術發展和政策發展條件三個等級的量化目標，即常規目標、超常目標、跨越目標。同時預測三個目標下相應的負荷需求，作為能源系統設計主要依據。
[0033](C)核心模塊設計。該模塊以是方案實施步驟的中心環節，用能流網絡方法和電腦程式進行供能系統的優化方法，包括整體設計和各個元素模塊(子系統)設計，得到供能系統整體和各個子系統的系統集成、運行模式、成本效益、節能減排效果等。整體設計內容是根據城鎮自然條件、資源分布、產業布局、人口密度等因素，因地制宜地在城鎮規劃面積內進行三種供能元素的空間布局，確定每種元素的數量和容量，求得總體的優化。在總體設計的基礎上進行每個元素的深化設計，包括該元素的工藝流程、系統集成、運行方式、成本、節能減排量等，得到各個子系統的優化。綜合各模塊的設計結果將最終得城鎮整體供能系統的能量平衡、各種資源的消耗、總成本、對環境的總影響，然後進入下一個檢驗模塊，檢驗是否達到預定目標。
[0034](D)目標檢驗並通過迭代計算達到預定目標。繼之，進行各項後續工作，如城鎮所有能源站的布局優化、與外部公用供能網絡的接網設計，施工圖設計、形成設計文件等。
[0035]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種基於資源綜合利用的新型城鎮一核三元素供能系統，其特徵在於，包括: 一個元素是清潔能源分布式冷熱電三聯供系統，通過燃燒清潔能源發電及發電後餘熱的梯級利用，提供工業蒸汽或空間的採暖或製冷；一個元素是耦合供能系統，由各種可再生資源與清潔能源相結合，實現在工藝流程、轉化設備、優化控制各層面的有機結合，形成的耦合供能系統；一個元素是總線系統，由工業餘能利用、城市汙水及垃圾處理資源化利用、及城鎮的大量中低溫熱源的匯集，通過城鎮統一的管網、泵站、換熱站等基礎設施輸送到用戶加以利用的供能系統；一個核心是能源管理中心，通過智能化信息網絡，對三元素之間形成空間上的交聯組合和時 間上的優化調度運行。
2.根據權利要求1所述的基於資源綜合利用的新型城鎮一核三元素供能系統，其特徵在於:所述清潔能源分布式冷熱電三聯供系統是各種清潔能源，包括天然氣和各種非常規天然氣清潔能源的高效利用，由各種類型的發電機組、餘熱利用機組、負荷調峰設備組成的不同容量、不同工藝流程、適用於工業、商業、民用各種用戶的分布式供能系統；所述可再生能源及其耦合系統是由太陽能、風能、地熱能、生物質能、小水電等各種可再生能源與天然氣清潔能源構成的多能源互補和多技術交叉的耦合供能系統；所述的總線系統是指由工業餘能、城市汙水及垃圾資源化、及城鎮的大量自然界與生活生產活動的低溫熱源匯集在一起，通過城鎮統一的管網、泵站、換熱站等基礎設施輸送到用戶加以利用的供能系統；上述三個系統通過能源管理中心構成空間上交聯組合、在時間上優化調度的城鎮供能系統。
3.根據權利要求1所述的供能系統的優化方法，其特徵在於，其方法為:採用能流網絡法，能流網絡由負荷層、轉化層、資源層三層構成了能源系統的物理模型和數據關聯；負荷層根據城鎮的冷、熱、電、工業蒸汽、生活熱水的需求，以負荷調研結果作為已知的輸入數據；資源層是根據城鎮的資源調研給出各種資源的儲藏量和可用量，作為能源系統設計的限制條件；中間的轉化層是從資源轉化成用戶負荷所應用的各種技術、工藝流程、和轉化設備；能流網絡三層之間的轉化過程遵循著能量守恆、質量守恆、過程損失、和設定的分配比例等氣動熱力學定律和優化準則，從而建立了三層之間的量化關係和數值求解的依據，通過編制的計算程序進行優化設計；求解過程從已知的負荷層開始，求解方向與實際的能流方向相反，自上而下，算出各種轉化設備的容量、各種資源的需求量、各種與資源相關的有害氣體排放量、系統投資和運行成本各種宏觀參數；所述負荷層、資源層、轉化層組成的三層結構中，每層中包含內容的數量與名稱，三層之間存在關聯關係均隨不同城鎮或區域的具體情況而改變。
4.根據權利要求3所述的供能系統的優化方法，其特徵在於，所述優化方法的具體步驟如下: (A)項目下達和現場調研:包括調研城鎮的冷熱電負荷需求、資源稟賦、技術條件、財政狀況各的目前現狀及發展預測； (B)設定城鎮發展量化目標:設定對應不同的技術發展和政策發展條件的三個等級的量化目標，即常規目標、超常目標和跨越目標；同時預測三個目標下相應的負荷需求，作為能源系統設計主要依據； (C)核心模塊設計:該模塊以是方案實施步驟的中心環節，用能流網絡方法和電腦程式進行供能系統的優化方法，包括整體設計和各個元素模塊設計，得到供能系統整體和各個子系統的系統集成、運行模式、成本效益和節能減排效果；整體設計內容是根據城鎮自然條件、資源分布、產業布局和人口密度因素，因地制宜地在城鎮規劃面積內進行三種供能元素的空間布局，確定每種元素的數量和容量，求得總體的優化；在總體設計的基礎上進行每個元素的深化設計，包括該元素的工藝流程、系統集成、運行方式、成本和節能減排量，得到各個子系統的優化；綜合各模塊的設計結果將最終得到城鎮整體供能系統的能量平衡、各種資源的消耗、總成本和對環境的總影響，然後進入下一個檢驗模塊，檢驗是否達到預定目標。
5.(D)目標檢驗並通過迭代計算達到預定目標:繼之，進行各項後續工作，包括城鎮所有能源站的布局優化、與外部公用供能網絡的接網設計，施工圖設計和形成設計文件。
6.根據權利要求4所述的供能系統和優化方法，其特徵在於，分布式冷熱電三聯供系統中，通過燃燒清潔能源發電後的餘熱進行的梯級利用，根據用戶負荷需求、發電機組類型、工藝流程、投資強度、節能減排目標的多種因素決定了多種多樣的系統配置和系統規模，包括區域型分布式能源和樓宇型分布式能源所有類型。
7.根據權利要求4所述的供能系統和優化方法，其特徵在於，城鎮分布式能源系統中天然氣清潔能源與各種可再生能源的耦合供能系統中包括各種可能的耦合方式，包括資源的耦合、工藝流程的耦合 供能設備的耦合、運行方式的耦合、控制系統的耦合、與公用電網銜接的各個層面上的耦合。
8.根據權利要求4所述的供能系統和優化方法，其特徵在於，城鎮分布式能源系統中包括城鎮中一切可利用的自然界和生活生產活動產生的大量中低溫熱源，通過總線系統方式為用戶供能，作為城鎮整體能源系統的一種重要組成部分。
【文檔編號】F02C6/18GK103982299SQ201410130490
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】汪慶桓, 馮江華 申請人:北京恩耐特分布能源技術有限公司