具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及核能综合利用领域，特别涉及一种具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统及其运行方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的不断推进，我国城市集中供热面积大幅增加。目前我国城市冬季供暖大多采用燃煤热电联产、区域燃煤锅炉的方式，而燃烧煤炭产生大量的二氧化碳、氮硫化物、粉尘颗粒物，使得北方地区冬季深受雾霾困扰，严重危害人民出行安全和身体健康。
3.在碳达峰、碳中和目标下，我国能源系统将继续加快清洁低碳转型。核能具有生产过程不排放温室气体、全寿期碳排放量小、能量密度高、无间歇性等优点，在双碳目标下，核能综合利用将有更多的发展机遇。相比于其他供暖方式，核能供热具有清洁低碳、运行稳定、经济可行等多重优势，是当前不可多得、可实现替代一次能源，满足大规模集中供暖基本负荷需求的重要供热形式。低温供热堆作为一种核能供热形式，具有可靠性高、技术成熟、系统简单、运行稳定、占地面积小等优点，将其用于居民供热，可有效降低碳排放，改善我国能源结构。
4.由于居民采暖热负荷存在季节波动性和日夜周期性变化的现象，即在采暖季的不同时期以及同一天的不同时刻，采暖热负荷都存在较大的差异。鉴于采暖热负荷存在周期性变化的时变特性，需要热负荷供给侧频繁调节出力大小，而低温供热堆为了保证运行的安全稳定，不宜频繁调节堆芯输出功率。为了有效解决供热堆与热负荷供需之间的矛盾，需要增加日内储热调峰装置以及跨季节储热调峰装置，分别实现日内调峰以及跨季节调峰。
5.此外，供热堆若只用于供热，其设备年利用小时数有限，而且需要考虑非供热季的余热排出问题，可考虑在夏季使用供热堆的热水驱动吸收式制冷机进行供冷，从而实现供热堆的综合运用。由于用户侧的冷负荷需求也具有时变特性，也可以通过相应的储热装置进行供冷调峰。
6.在设计供热堆冷热联供系统时，由于供热堆初始投资费用较高，且冷热负荷存在峰谷值，要根据所在区域的冷热负荷情况来为机组各设备选取合适的容量，从而获得经济性最佳的系统配置，所以对供热堆冷热联供系统进行定容优化十分必要。


技术实现要素：

7.本发明针对供热堆年利用时长低、需求侧冷热负荷具有时变特性的问题，提供一种具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统及其运行方法，并提出相应的系统定容优化方法。在非供暖季以及非供冷季，供热堆三回路输出的热量通过地埋管装置进行跨季节储热。在夏季供冷初末期，供冷负荷较低时，供热堆部分功率运行即可满足用户端的冷负荷需求，此时只需要进行日内调峰供冷；在夏季供冷高峰期，供热堆满负荷运行都满足不了用户端冷负荷需求的时候，还需要根据用户不同时期的冷负荷需求，同时进行跨季节调峰以及日
内调峰。在冬季供热初末期，供热负荷较低时，供热堆部分功率运行即可满足用户端的热负荷需求，此时只需要进行日内调峰供热；在冬季供热高峰期，供热堆满负荷运行满足不了用户端冷负荷需求的时候，需要根据用户实际热负荷需求，同时进行跨季节调峰以及日内调峰。为了保证系统能够满足极端工况的供热供冷需求，同时增加备用热源，系统同时配备了燃气锅炉参与调峰，燃气锅炉的烟气余热仍然可用于驱动地源吸收式热泵，为用户供给热水，实现能量梯级利用。本发明提出的储热调峰冷热联供系统，不仅可以降低系统初始投资，还可实现供热堆的高效综合利用。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统，包括低温供热堆1、第一循环水泵2、第一换热器3、第二循环水泵4、第二换热器5、日内储热热水储热罐 6、第一阀门7、第二阀门8、第三循环水泵9、第三阀门10、第四阀门11、第四循环水泵12、第五阀门13、跨季节储热地埋管装置14、第六阀门15、第五循环水泵16、第七阀门17、第八阀门18、第六循环水泵19、第九阀门20、吸收式制冷机21、第十阀门22、第十一阀门23、第七循环水泵24、第十二阀门25、第十三阀门26、燃气锅炉27、旁路阀门28、烟气型地源吸收式热泵29和采暖热用户 30；
10.所述低温供热堆1一回路的热侧出口通过连接管依次与第一循环水泵2、第一换热器3热侧入口相连通，将热量传输给二回路，第一换热器3二回路的热侧出口通过连接管依次与第二循环水泵4、第二换热器5热侧入口相连通，将热量传输给三回路，第二换热器5三回路的热侧出口通过连接管依次与第四阀门11、第四循环水泵12相连通；第四循环水泵12出口分为四路，第一路通过连接管依次与第五阀门13和跨季节储热地埋管装置14热侧入口相连通；第二路通过连接管依次与第二阀门8和日内储热热水储热罐6热侧入口相连通；第三路通过连接管依次与第十阀门22和采暖热用户30进口相连通；第四路通过连接管依次与第八阀门18、第六循环水泵19和吸收式制冷机21进口相连通；日内储热热水储热罐6冷侧出口通过第一阀门7与第二换热器5冷侧入口相连通，日内储热热水储热罐6热侧出口通过通过第三阀门10、第三循环水泵9与采暖热用户30进口相连通；
11.采暖热用户30出口、吸收式制冷机21出口分别通过第十一阀门23、第九阀门20与三回路的冷侧回水相连通；三回路的冷侧回水分为四路，第一路通过连接管依次与第十二阀门25和燃气锅炉27冷侧入口相连通；第二路通过连接管依次与第一阀门7和日内储热热水储热罐6冷侧入口相连通；第三路通过连接管依次与第七阀门17和跨季节储热地埋管装置14冷侧入口相连通；第四路通过连接管与第二换热器5冷侧进口相连通；跨季节储热地埋管装置14热侧出口依次通过第六阀门15、第五循环水泵16与三回路热侧供水相连通；燃气锅炉27冷侧出口依次通过第十三阀门26、第七循环水泵24与三回路热侧供水相连通；燃气锅炉27烟气出口连通烟气型地源吸收式热泵29。
12.所述的具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统的运行方法，在对日内储热热水储热罐6进行储热时，第四循环水泵12出口热水通过第二阀门8进入日内储热热水储热罐6热侧入口，进行储热，同时日内储热热水储热罐6冷侧出口有同等容积的冷水通过第一阀门7流出日内储热热水储热罐6，然后流向第二换热器5冷侧入口；在对日内储热热水储热罐6进行放热时，日内储热热水储热罐6 储存的热水依次通过第三阀门10、第三循环水泵9与三回路热侧供水汇合，然后输送到用户侧进行放热，实现供热或者供冷，同时三回路冷侧回水有同等容积的冷水通过第一阀门7返回热水储热罐6冷侧入口。
13.在使用跨季节储热地埋管装置14进行储热时，第四循环水泵12出口热水通过第五阀门13进入跨季节储热地埋管装置14，与土壤进行换热，将热量储存在地埋管周围的土壤中，然后放过热的冷水通过第七阀门17返回三回路冷水侧；在使用跨季节储热地埋管装置14进行放热时，三回路冷侧回水通过第七阀门17 进入跨季节储热地埋管装置14吸热升温后，依次通过第六阀门15、第五循环水泵16与三回路热侧供水相连通，然后进行供热或者供冷。
14.所述三回路冷侧回水通过第十二阀门25进入燃气锅炉27进行加热，加热后的热水依次通过第十三阀门26、第七循环水泵24与三回路热侧供水相连通，然后进行供热或者供冷，同时三回路冷侧有同等容积的冷水通过第十二阀门25返回燃气锅炉27。另一方面，燃气锅炉产生的烟气温度可达120℃—180℃，这部分余热可用来驱动地源吸收式热泵29，制取满足生活要求的中低温热水。
15.所述的具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统的定容优化方法，根据供热供冷区域的各用户类型，结合用户所处区域的历年气象资料，从而得到统计规律下的每日以及逐时冷热负荷变化特性。根据得到的用户冷热负荷变化特性，可对系统的各设备容量进行初步的配置。在已知低温供热堆1、日内储热热水储热罐 6、跨季节储热地埋管装置14、燃气锅炉27、吸收式制冷机21等各设备初始投资费用、运行维护费用的前提下，结合年值费用法以及动态投资回收期等多种经济性评价指标，使用智能算法对整个系统优化分析，从而得到经济性最佳的系统配置方案。
16.本发明所述的具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统，通过日内调峰储热罐和跨季节储热地埋管装置分别进行日内储热调峰、跨季节储热调峰，同时兼顾了冷热负荷在不同季节和日内不同时刻的变化特性，实现了热源供给侧与冷热负荷需求侧的精确匹配，不仅保证了机组的高效灵活运行，还降低了系统的初始投资。相比常规的热水储热罐，使用地埋管进行大规模跨季节储热的成本更低，使用地埋管进行跨季节调峰可大幅提高系统经济性。本发明使用燃气锅炉进行参与冷热负荷的调峰，可提高整个冷热联供系统的可靠性，而且烟气余热利用实现了热量的梯级利用，提高了能源利用效率，节能减排效果显著。在设计供热堆冷热联产系统时，本发明提出的定容优化方法可获得经济性最佳的系统配置方案。
附图说明
17.图1为具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
19.如图1所述，本实施方式所述的具备储热调峰功能的供热堆冷热联供系统，包括低温供热堆1、第一循环水泵2、第一换热器3、第二循环水泵4、第二换热器5、日内储热热水储热罐6、第一阀门7、第二阀门8、第三循环水泵9、第三阀门10、第四阀门11、第四循环水泵12、第五阀门13、跨季节储热地埋管装置 14、第六阀门15、第五循环水泵16、第七阀门17、第八阀门18、第六循环水泵 19、第九阀门20、吸收式制冷机21、第十阀门22、第十一阀门23、第七循环水泵24、第十二阀门25、第十三阀门26、燃气锅炉27、旁路阀门28、烟气型地源吸收式热
泵29和采暖热用户30；
20.在非供暖季以及非供冷季，打开第四阀门11、第五阀门13、第七阀门17、第四循环水泵12，低温供热堆三回路热侧供水依次通过第四阀门11、第四循环水泵12、第五阀门13进入跨季节储热地埋管装置14中，将热量全部储存在跨季节储热地埋管装置14周围的土壤中，放过热的冷水通过第七阀门17返回三回路冷水侧。
21.在夏季供冷初末期，供冷负荷较低时，低温供热堆部分功率运行即可满足用户端的冷负荷需求，此时只需要进行日内调峰供冷。在夜晚冷负荷较低时，打开第一阀门7、第二阀门8、第四阀门11、第八阀门18、第九阀门20，开启第四循环水泵12、第六循环水泵19，三回路热侧供水分成两路，一路流向日内储热热水储热罐6进行储热，一路流向吸收式制冷机21进行制冷；在白天冷负荷较高时，打开第一阀门7、第三阀门10、第四阀门11、第八阀门18、第九阀门20，关闭第二阀门8，开启第三循环水泵9、第四循环水泵12、第六循环水泵19，日内储热热水储热罐6将储存的热水与三回路热侧供水进行汇合，汇合之后的热水供给吸收式制冷机21进行制冷。
22.在夏季供冷高峰期，供热堆满负荷运行都满足不了用户端冷负荷需求的时候，需要根据用户在供冷季不同时期的冷负荷需求，同时进行跨季节调峰以及日内调峰。在夜晚冷负荷较低时，开启第一阀门7、第二阀门8、第四阀门11、第六阀门15、第七阀门17、第八阀门18、第九阀门20，开启第四循环水泵12、第五循环水泵16、第六循环水泵19，此时日内储热热水储热罐6进行储热，跨季节储热地埋管装置14进行放热；在白天冷负荷较高时，打开第一阀门7、第三阀门 10、第四阀门11、第六阀门15、第七阀门17、第八阀门18、第九阀门20，开启第三循环水泵9、第四循环水泵12、第五循环水泵16、第六循环水泵19，日内储热热水储热罐6将储存的热水以及在跨季节储热地埋管装置14吸收土壤储存热量的热水与三回路热侧供水进行汇合，汇合之后的热水供给吸收式制冷机21 进行制冷，从而实现了系统供冷的日内调峰以及跨季节调峰。
23.在冬季供热初末期，供热负荷较低时，供热堆部分功率运行即可满足用户端的热负荷需求，此时只需要进行日内调峰供热。在白天热负荷较低时，打开第一阀门7、第二阀门8、第四阀门11、第十阀门22、第十一阀门23，开启第四循环水泵12，三回路热侧供水分成两路，一路流向日内储热热水储热罐6进行储热，一路流向采暖热用户30进行供热；在夜晚热负荷较高时，打开第一阀门7、第三阀门10、第四阀门11、第十阀门22、第十一阀门23，关闭第二阀门8，开启第三循环水泵9、第四循环水泵12，日内储热热水储热罐6将储存的热水与三回路热侧供水进行汇合，汇合之后的热水供给采暖热用户30进行供热。
24.在冬季供热高峰期，供热堆满负荷运行都满足不了用户端冷负荷需求的时候，需要根据用户实际热负荷需求，同时进行跨季节调峰以及日内调峰。在白天热负荷较低时，开启第一阀门7、第二阀门8、第四阀门11、第六阀门15、第七阀门 17、第十阀门22、第十一阀门23，开启第四循环水泵12、第五循环水泵16，此时日内储热热水储热罐6进行储热，跨季节储热地埋管装置14进行放热；在夜晚热负荷需求较高时，打开第一阀门7、第三阀门10、第四阀门11、第六阀门 15、第七阀门17、第十阀门22、第十一阀门23，开启第三循环水泵9、第四循环水泵12、第五循环水泵16，日内储热热水储热罐6将储存的热水以及在跨季节储热地埋管装置14吸收了土壤热量的热水与三回路供水侧热水进行汇合，汇合之后的热水供给采暖热用户30进行供热，同时实现了日内供热调峰以及跨季节供热调峰。
25.为了保证系统能够满足极端工况的供热供冷需求，同时增加备用热源，系统同时配备了燃气锅炉参与供热供冷调峰。在使用燃气锅炉27进行调峰时，三回路冷侧回水通过第十二阀门25进入燃气锅炉27加热升温，然后依次通过第十三阀门26、第七循环水泵24与三回路热侧供水汇合，然后进行供热或供冷。此外，燃气锅炉的烟气余热仍然可用于驱动地源吸收式热泵，为用户供给热水，实现能量梯级利用。