一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统

1.本实用新型涉及一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，属于热电联产和集中供热技术领域。

背景技术：

2.随着2030年碳达峰和2060年碳中和的国家决策目标的确立，我国未来能源革命必然要求更大幅度的降低能耗、特别是降低化石能源耗费，并建立起以清洁电力及热力供应为中心的电力、热力生产、输配和使用的智能联合运行体系。在此时代背景下，电力、热力领域也必然需要呼唤革命性的技术创新和工程实现形式。
3.其中就供热热源及热力供应体系而言，必须全面优化改革原有以化石能源供热为主的技术体系，充分利用高耗能工业企业的各类余热资源，和太阳能、地热能空气能等自然能源及其热泵供热方式，成为大幅降低化石能源供热的主要替代形式之一，并在其热源的供应所及范围内承担局域性供热需求；同时，保留部分化石能源及其热电联产的供热形式，建立起多源互补的集中供热生产、输配与使用体系，并与前述局域性、分布式供热系统和分布式蓄热、跨季节蓄热等有机结合，必要时进行互联互通互补，并需要建立起与其相适应的新型智能运行服务热网系统。
4.其中，根据有关研究和报道，未来碳中和体系下，估算主要的余热资源来源及其规模如下。核电余热：我国未来将在东部沿海地区建成2亿kw的核电，其中至少有1亿kw建设于从连云港到大连的北方沿海地区。发电量预计为7500-8000亿kwh。按照热电比1.2计算，全年可产生热量约为32亿gj。火电余热：为了保证大规模可再生能源接入条件下的电网稳定性，预计未来我国将保留6亿kw的火电，年发电量1.5万亿kwh，考虑到其中一半位于北方地区，冬季提供余热量约为18亿gj。工业余热：未来我国保留的冶金、化工、建材生产过程中产生的工业余热约为15亿gj。对上述热量进行利用，考虑能够回收其中70％，则可用于城镇供热的热量约为45亿gj(其中16亿gj是在非采暖季进行储存，供暖季提取进行供热)。结合垃圾焚烧，中水水源热泵等技术，能够实现55亿gj的总供热量。其余部分的供热量缺口可考虑以各种类型的热泵为主的分散式采暖方式提供。
5.就电源及电力供应体系而言，各类零碳电源——风光水核及生物质等将提供约80％乃至更大比例的电力输出，而目前高能耗高污染高排放的化石能源电厂的供电比例必将下降到约 20％乃至更低，但考虑到除核电外的其它零碳电源往往具有季节性、间歇性、功率变化大等不利影响，则要求：其一，尽可能通过就地消费或蓄存以更大比例的在周边区域进行消纳，余电上公共电网、或不足时由公共电网补充供电，从而最大可能地降低公共电网的长输供电需求、实现最佳的电网供需平衡；其二，便于进行大幅度调峰运行的火电厂将越来越成为整个公共电网的调峰电源，并发挥消纳公共电网波动、起到供需平衡的主力军角，同时还需满足所需承担的供热需求。从而火电厂在碳中和条件下的电力供应体系的功能定位决定了火电厂必须具有全面的热电解耦和运行灵活性调整能力，而目前已有的热电解耦技术均不能完全满足新时代的火电厂灵活性调整需求，必须开发全面热电解耦的火
电灵活性技术方式。
6.目前常用的热电解耦方案及其主要问题汇总如下：储热方案、电锅炉方案，占地及投资规模很大，无法全面深度解耦；低压缸零出力改造，包括光轴方案，和直接调小或关闭低压缸进汽量、另引少量冷却汽对末级和排汽口进行冷却的方案，对增加供热量影响不大，且需配套进行季节切换；高、低旁联合配汽方案，问题在于低发电负荷率时因汽机进汽量大幅减少而导致再热器进汽压力大幅降低，从而体积流量大幅增大、使得再热器通流能力及换热量大幅降低，再热器出口烟温难以有效降低、导致再热器及其后的受热面超温、损毁；汽缸打孔抽汽、低真空循环水供暖等都无法有效降低发电负荷率；直接由主蒸汽打孔抽汽、或高压缸排汽出口的再热器冷段管道(冷再)打孔抽汽、或再热器出口的热段(热再)打孔抽汽，虽可大幅度降低发电负荷率，但抽汽量较大时必然存在再热器过热、汽轮机轴向推力超限等一系列安全性问题。
7.由清华大学和北京清大天工能源技术研究所联合开发的“基于引射式热电解耦技术”等系列化专利技术成果，采用了基于引射式热电解耦装置、引射式热泵等技术措施，将可实现完备的热电解耦功能，可完美对接及支撑碳中和条件下的智能热网和智能电网的源网一体化生产、供应及调节体系。

技术实现要素：

8.本实用新型的目的和任务是，针对上述碳中和条件下的电力和热力需求特点要求、资源凛赋、供应体系与要求，在所述清华大学和北京清大天工能源技术研究所已有的火电厂引射式热电解耦专利或专有技术的基础上，构建起全新的基于火电厂热电联产全面灵活性调整及生产供应体系，为构建碳中和条件下的智能热网和智能电网提供基础性技术条件和保障。
9.本实用新型的具体描述是：一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，包括锅炉及余热回收子系统a1、汽轮机及热电解耦子系统a2、热电智能输配子系统a3及连接管路，其特征在于：锅炉及余热回收子系统a1除了包括锅炉本体1、送风机4、除尘器 10、引风机9、脱硫塔8外，还设置有水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6，汽轮机及热电解耦子系统a2除了包括高压缸11、中压缸12、低压缸13、发电机14、凝汽器15、低加16、除氧器17、高加18、冷却塔19外，还设置有高压引射器20、中压引射热泵26、低压引射热泵28及其配套解耦部件及连接管路，热电智能输配子系统a3包括零碳发电组、热电用户组及其连接管路，其中零碳发电组包括光电装置e1、风电装置e2、核电装置e3、生物质热电装置e4和水电装置e5，热电用户组包括第一周边热电用户u1、第二周边热电用户u2、第三周边热电用户u3、第四周边热电用户u4、第五热电用户u5；其中所述的高压缸11的进口除与锅炉本体1的过热器3的出口、原高旁管阀23的进口相连外，还经过新增高压旁路阀24与高压引射器20的驱动蒸汽进口相连，高压引射器20的低压蒸汽进口除与高压缸11的排汽口、原高旁管阀23的出口相连外，还与冷再止回阀22的进口相连，高压引射器20的引射排汽出口与主汽减温器21的蒸汽进口相连，主汽减温器21的蒸汽出口分别与冷再止回阀22的出口、锅炉本体1的再热器2的进口相连，再热器2的蒸汽出口除与中压缸12的蒸汽进口相连外，还与高压减温减压器25的进口相连；高压减温减压器25的出口与第一热用户y1相通、并与中压引射热泵26的驱动蒸汽进口相连，中压引射热泵26的中压冷凝器27设置有引射排汽
进口、凝结水c的出口、被加热水进口、被加热水出口，中压引射热泵26的低压蒸汽进口除与中压缸12的排汽口、低压缸13的进汽口和热网加热器 30的蒸汽进口相连外，还与第二热用户y2相通；中压缸12的排汽口还与低加16的进汽口、除氧器17的进汽口、低压引射热泵28的驱动蒸汽进口相连，低压引射热泵28的低压蒸汽进口与低压缸13的排汽口和凝汽器15的进汽口相连，低压引射热泵28的低压冷凝器29设置有引射排汽进口、凝结水的出口、被加热水进口、被加热水出口，其中凝结水的出口与凝汽器15的凝结水出口、低加16的凝结水进口相连；凝汽器15的被加热水进口分别与冷却塔 19的冷却水出口、水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6的余热板换5的被加热水进口和热网回水h的回水母管32的电厂回水进口相连，凝汽器15的被加热水出口与低压冷凝器29 的被加热水进口相连，低压冷凝器29的被加热水出口分别与热网加热器30的被加热水进口和余热板换5的被加热水出口相连，热网加热器30的被加热水出口与中压冷凝器27的被加热水进口相连，中压冷凝器27的被加热水出口与热网供水g的供水母管31的电厂供水进口相连；发电机14的电力公共输出端口与公共电网主线w的电厂进口端相连；公共电网主线 w还分别与光电装置e1、风电装置e2、核电装置e3、生物质热电装置e4和水电装置e5的电力公共输出端口相连，光电装置e1的电力局域输出端与第一周边热电用户u1的电力输入端相连，风电装置e2的电力局域输出端与第二周边热电用户u2的电力输入端相连，核电装置e3的电力局域输出端与第三周边热电用户u3的电力输入端相连，生物质热电装置 e4的电力局域输出端与第四周边热电用户u4的电力输入端相连，公共电网主线w还与第五热电用户u5的电力输入端相连；供水母管31还分别与第一周边热电用户u1的供水进口、第二周边热电用户u2的供水进口、第五热电用户u5的供水进口、第三周边热电用户u3的供水进口及核电装置e3的供水出口、第四周边热电用户u4的供水进口及生物质热电装置e4的供水出口相连，回水母管32还分别与第一周边热电用户u1的回水出口、第二周边热电用户u2的回水出口、第五热电用户u5的回水出口、第三周边热电用户u3的回水出口及核电装置e3的回水进口、第四周边热电用户u4的回水出口及生物质热电装置e4的回水进口相连。
10.水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6的烟气余热回收一体化机组7设置有室外空气k 的进口、空气出口、烟气进口和洁净烟气yp的出口，其中的空气出口与送风机4的空气进口相连，送风机4的空气出口与锅炉本体1的空气进口相连，锅炉本体1的烟气出口经除尘器 10、引风机9、脱硫塔8与烟气余热回收一体化机组7的烟气进口相通，烟气余热回收一体化机组7的高温余热水出口与余热板换5的高温侧进口相连，余热板换5的高温侧出口与烟气余热回收一体化机组7的喷淋水进口相连。
11.高压引射器20、中压引射热泵26和低压引射热泵28均采用无级调节联调型结构。
12.本实用新型的技术效果和优势是：针对碳中和条件下的热电生产与输配供应体系，以采用引射方式热电解耦的热电厂作为能源生产输配和智能调节的核心枢纽，对集中供热和供电网络进行智能化调节，并具有基础性地位。其供热灵活性的实现方式：设置高压引射解耦装置、中压和低压引射热泵，实现最大幅度的供热。其供电灵活性的实现方式：可根据未来电网调峰需要，供电负荷率的变化范围0～100％。匹配电力供应和热力供应体系的调峰需求，调整热电联产系统的电力和热力输出，为构建智能化体系提供基础性技术条件和保障。同时，针对化石能源数量级下降的时代要求，为火电厂在双碳时代条件下的未来生存价值和发展方向提供基础性技术支撑作用。
附图说明
13.图1是本实用新型的系统示意图。
14.图1中各部件编号与名称如下。
15.锅炉本体1、再热器2、过热器3、送风机4、余热板换5、水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6、烟气余热回收一体化机组7、脱硫塔8、引风机9、除尘器10、高压缸11、中压缸12、低压缸13、发电机14、凝汽器15、低加16、除氧器17、高加18、冷却塔19、高压引射器20、主汽减温器21、冷再止回阀22、原高旁管阀23、新增高压旁路阀24、高压减温减压器25、中压引射热泵26、低压引射热泵28、低压冷凝器29、热网加热器30、供水母管 31、回水母管32、锅炉及余热回收子系统a1、汽轮机及热电解耦子系统a2、热电智能输配子系统a3、凝结水c、光电装置e1、风电装置e2、核电装置e3、生物质热电装置e4和水电装置e5、热网供水g、热网回水h、室外空气k、第一周边热电用户u1、第二周边热电用户u2、第三周边热电用户u3、第四周边热电用户u4、第五热电用户u5、公共电网主线w、第一热用户y1、第二热用户y2、洁净烟气yp。
具体实施方式
16.图1是本实用新型的系统示意图和实施例。
17.本实用新型的具体实施例如下。
18.一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，包括锅炉及余热回收子系统 a1、汽轮机及热电解耦子系统a2、热电智能输配子系统a3及连接管路，锅炉及余热回收子系统a1除了包括锅炉本体1、送风机4、除尘器10、引风机9、脱硫塔8外，还设置有水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6，汽轮机及热电解耦子系统a2除了包括高压缸11、中压缸12、低压缸13、发电机14、凝汽器15、低加16、除氧器17、高加18、冷却塔19外，还设置有高压引射器20、中压引射热泵26、低压引射热泵28及其配套解耦部件及连接管路，热电智能输配子系统a3包括零碳发电组、热电用户组及其连接管路，其中零碳发电组包括光电装置e1、风电装置e2、核电装置e3、生物质热电装置e4和水电装置e5，热电用户组包括第一周边热电用户u1、第二周边热电用户u2、第三周边热电用户u3、第四周边热电用户u4、第五热电用户u5；其中所述的高压缸11的进口除与锅炉本体1 的过热器3的出口、原高旁管阀23的进口相连外，还经过新增高压旁路阀24与高压引射器 20的驱动蒸汽进口相连，高压引射器20的低压蒸汽进口除与高压缸11的排汽口、原高旁管阀23的出口相连外，还与冷再止回阀22的进口相连，高压引射器20的引射排汽出口与主汽减温器21的蒸汽进口相连，主汽减温器21的蒸汽出口分别与冷再止回阀22的出口、锅炉本体1的再热器2的进口相连，再热器2的蒸汽出口除与中压缸12的蒸汽进口相连外，还与高压减温减压器25的进口相连；高压减温减压器25的出口与第一热用户y1相通、并与中压引射热泵26的驱动蒸汽进口相连，中压引射热泵26的中压冷凝器27设置有引射排汽进口、凝结水c的出口、被加热水进口、被加热水出口，中压引射热泵26的低压蒸汽进口除与中压缸12的排汽口、低压缸13的进汽口和热网加热器30的蒸汽进口相连外，还与第二热用户 y2相通；中压缸12的排汽口还与低加16的进汽口、除氧器17的进汽口、低压引射热泵28 的驱动蒸汽进口相连，低压引射热泵28的低压蒸汽进口与低压缸13的排汽口和凝汽器15的进汽口相连，低压引射热泵28的低压冷凝器29设置有引射排汽进口、凝结水的出口、被加热水进口、被加热水出口，其中凝结
水的出口与凝汽器15的凝结水出口、低加16的凝结水进口相连；凝汽器15的被加热水进口分别与冷却塔19的冷却水出口、水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6的余热板换5的被加热水进口和热网回水h的回水母管32的电厂回水进口相连，凝汽器15的被加热水出口与低压冷凝器29的被加热水进口相连，低压冷凝器29的被加热水出口分别与热网加热器30的被加热水进口和余热板换5的被加热水出口相连，热网加热器30的被加热水出口与中压冷凝器27的被加热水进口相连，中压冷凝器27的被加热水出口与热网供水g的供水母管31的电厂供水进口相连；发电机14的电力公共输出端口与公共电网主线w的电厂进口端相连；公共电网主线w还分别与光电装置e1、风电装置e2、核电装置e3、生物质热电装置e4和水电装置e5的电力公共输出端口相连，光电装置e1的电力局域输出端与第一周边热电用户u1的电力输入端相连，风电装置e2的电力局域输出端与第二周边热电用户u2的电力输入端相连，核电装置e3的电力局域输出端与第三周边热电用户u3的电力输入端相连，生物质热电装置e4的电力局域输出端与第四周边热电用户u4的电力输入端相连，公共电网主线w还与第五热电用户u5的电力输入端相连；供水母管31还分别与第一周边热电用户u1的供水进口、第二周边热电用户u2的供水进口、第五热电用户u5的供水进口、第三周边热电用户u3的供水进口及核电装置e3的供水出口、第四周边热电用户u4的供水进口及生物质热电装置e4的供水出口相连，回水母管32还分别与第一周边热电用户u1的回水出口、第二周边热电用户u2的回水出口、第五热电用户u5的回水出口、第三周边热电用户u3的回水出口及核电装置e3的回水进口、第四周边热电用户u4的回水出口及生物质热电装置e4的回水进口相连。
19.水蒸气载热循环式烟气余热回收模块6的烟气余热回收一体化机组7设置有室外空气k 的进口、空气出口、烟气进口和洁净烟气yp的出口，其中的空气出口与送风机4的空气进口相连，送风机4的空气出口与锅炉本体1的空气进口相连，锅炉本体1的烟气出口经除尘器 10、引风机9、脱硫塔8与烟气余热回收一体化机组7的烟气进口相通，烟气余热回收一体化机组7的高温余热水出口与余热板换5的高温侧进口相连，余热板换5的高温侧出口与烟气余热回收一体化机组7的喷淋水进口相连。
20.高压引射器20、中压引射热泵26和低压引射热泵28均采用无级调节联调型结构。
21.需要说明的是，本专利在前述由清华大学和北京清大天工能源技术研究所联合开发的“基于引射式热电解耦技术”及其系列化专利和专有技术及其专用设备的基础上，提出了具有创新性的自动实现电力和热力的生产供应及其热电联产系统全负荷热电解耦及灵活性改造的技术系统构成，而按照此一总体解决方案可有不同的具体实施措施和不同结构的具体实施装置，上述具体实施方式仅仅是其中的一种或数种而已，任何其它类似的简单变形的实施方式，均落入本专利的保护范围。

技术特征：

1.一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，包括锅炉及余热回收子系统(a1)、汽轮机及热电解耦子系统(a2)、热电智能输配子系统(a3)及连接管路，其特征在于：锅炉及余热回收子系统(a1)除了包括锅炉本体(1)、送风机(4)、除尘器(10)、引风机(9)、脱硫塔(8)外，还设置有水蒸气载热循环式烟气余热回收模块(6)，汽轮机及热电解耦子系统(a2)除了包括高压缸(11)、中压缸(12)、低压缸(13)、发电机(14)、凝汽器(15)、低加(16)、除氧器(17)、高加(18)、冷却塔(19)外，还设置有高压引射器(20)、中压引射热泵(26)、低压引射热泵(28)及其配套解耦部件及连接管路，热电智能输配子系统(a3)包括零碳发电组、热电用户组及其连接管路，其中零碳发电组包括光电装置(e1)、风电装置(e2)、核电装置(e3)、生物质热电装置(e4)和水电装置(e5)，热电用户组包括第一周边热电用户(u1)、第二周边热电用户(u2)、第三周边热电用户(u3)、第四周边热电用户(u4)、第五热电用户(u5)；其中所述的高压缸(11)的进口除与锅炉本体(1)的过热器(3)的出口、原高旁管阀(23)的进口相连外，还经过新增高压旁路阀(24)与高压引射器(20)的驱动蒸汽进口相连，高压引射器(20)的低压蒸汽进口除与高压缸(11)的排汽口、原高旁管阀(23)的出口相连外，还与冷再止回阀(22)的进口相连，高压引射器(20)的引射排汽出口与主汽减温器(21)的蒸汽进口相连，主汽减温器(21)的蒸汽出口分别与冷再止回阀(22)的出口、锅炉本体(1)的再热器(2)的进口相连，再热器(2)的蒸汽出口除与中压缸(12)的蒸汽进口相连外，还与高压减温减压器(25)的进口相连；高压减温减压器(25)的出口与第一热用户(y1)相通、并与中压引射热泵(26)的驱动蒸汽进口相连，中压引射热泵(26)的中压冷凝器(27)设置有引射排汽进口、凝结水(c)的出口、被加热水进口、被加热水出口，中压引射热泵(26)的低压蒸汽进口除与中压缸(12)的排汽口、低压缸(13)的进汽口和热网加热器(30)的蒸汽进口相连外，还与第二热用户(y2)相通；中压缸(12)的排汽口还与低加(16)的进汽口、除氧器(17)的进汽口、低压引射热泵(28)的驱动蒸汽进口相连，低压引射热泵(28)的低压蒸汽进口与低压缸(13)的排汽口和凝汽器(15)的进汽口相连，低压引射热泵(28)的低压冷凝器(29)设置有引射排汽进口、凝结水的出口、被加热水进口、被加热水出口，其中凝结水的出口与凝汽器(15)的凝结水出口、低加(16)的凝结水进口相连；凝汽器(15)的被加热水进口分别与冷却塔(19)的冷却水出口、水蒸气载热循环式烟气余热回收模块(6)的余热板换(5)的被加热水进口和热网回水(h)的回水母管(32)的电厂回水进口相连，凝汽器(15)的被加热水出口与低压冷凝器(29)的被加热水进口相连，低压冷凝器(29)的被加热水出口分别与热网加热器(30)的被加热水进口和余热板换(5)的被加热水出口相连，热网加热器(30)的被加热水出口与中压冷凝器(27)的被加热水进口相连，中压冷凝器(27)的被加热水出口与热网供水(g)的供水母管(31)的电厂供水进口相连；发电机(14)的电力公共输出端口与公共电网主线(w)的电厂进口端相连；公共电网主线(w)还分别与光电装置(e1)、风电装置(e2)、核电装置(e3)、生物质热电装置(e4)和水电装置(e5)的电力公共输出端口相连，光电装置(e1)的电力局域输出端与第一周边热电用户(u1)的电力输入端相连，风电装置(e2)的电力局域输出端与第二周边热电用户(u2)的电力输入端相连，核电装置(e3)的电力局域输出端与第三周边热电用户(u3)的电力输入端相连，生物质热电装置(e4)的电力局域输出端与第四周边热电用户(u4)的电力输入端相连，公共电网主线(w)还与第五热电用户(u5)的电力输入端相连；供水母管(31)还分别与第一周边热电用户(u1)的供水进口、第二周边热电用户(u2)的供水进口、第五热电用户(u5)的供水进口、
第三周边热电用户(u3)的供水进口及核电装置(e3)的供水出口、第四周边热电用户(u4)的供水进口及生物质热电装置(e4)的供水出口相连，回水母管(32)还分别与第一周边热电用户(u1)的回水出口、第二周边热电用户(u2)的回水出口、第五热电用户(u5)的回水出口、第三周边热电用户(u3)的回水出口及核电装置(e3)的回水进口、第四周边热电用户(u4)的回水出口及生物质热电装置(e4)的回水进口相连。2.如权利要求1所述的基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，其特征在于所述的水蒸气载热循环式烟气余热回收模块(6)的烟气余热回收一体化机组(7)设置有室外空气(k)的进口、空气出口、烟气进口和洁净烟气(yp)的出口，其中的空气出口与送风机(4)的空气进口相连，送风机(4)的空气出口与锅炉本体(1)的空气进口相连，锅炉本体(1)的烟气出口经除尘器(10)、引风机(9)、脱硫塔(8)与烟气余热回收一体化机组(7)的烟气进口相通，烟气余热回收一体化机组(7)的高温余热水出口与余热板换(5)的高温侧进口相连，余热板换(5)的高温侧出口与烟气余热回收一体化机组(7)的喷淋水进口相连。3.如权利要求1所述的基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，其特征在于所述的高压引射器(20)、中压引射热泵(26)和低压引射热泵(28)均采用无级调节联调型结构。

技术总结

一种基于引射热电解耦的碳中和智能热电联产及输配系统，属于热电联产与集中供热技术领域。针对碳中和条件下的热电生产与输配供应体系，以采用引射方式热电解耦的热电厂作为能源生产输配和智能调节的核心枢纽，对集中供热和供电网络进行智能化调节。该系统设置高压引射解耦装置、中压引射热泵和低压引射热泵实现最大幅度供热、消除冷端损失、提高供热灵活性；并实现热电联产供电负荷率的变化范围0～100%，以匹配电网调峰需求，且可准实时零活切换及加减热电负荷。本专利切合碳中和电力和热力供应体系的调节需求，为构建智能化体系提供基础性技术条件和保障，并为火电厂在双碳时代条件下的未来生存价值和发展方向提供基础性技术支撑作用。技术支撑作用。技术支撑作用。