智慧能源多能互補(bǔ)清潔供熱技術(shù)的應(yīng)用

李 強(qiáng)

（中煤水文局集團(tuán)（天津）工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300000）

0 引言

多能互補(bǔ)清潔供熱技術(shù)以智能微網(wǎng)、天然氣三聯(lián)供和分布再生能源為依托，通過(guò)能源階梯利用與多能協(xié)同供應(yīng)方式，打造智慧能源模式，為城市發(fā)展助力。事實(shí)證明，該技術(shù)可以使常規(guī)模式難以避免的資源被大量浪費(fèi)等問(wèn)題得到有效解決，應(yīng)當(dāng)引起重視。

1 多能互補(bǔ)可行性

隨著社會(huì)的發(fā)展，可以用來(lái)對(duì)能源進(jìn)行監(jiān)控、管理與控制的技術(shù)趨于完善，如果從應(yīng)用形式的角度進(jìn)行分析，多能互補(bǔ)的效果得以實(shí)現(xiàn)所依托的基礎(chǔ)通常是綜合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用主要是通過(guò)自動(dòng)協(xié)調(diào)能源增進(jìn)程度的方式，確保運(yùn)行效果可以得到顯著提高[1]。這里要明確1點(diǎn)，綜合能源系統(tǒng)涉及的內(nèi)容較多，既包括常規(guī)的水電熱，還包括其他新型能源供給。在對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)該對(duì)產(chǎn)生能量到存儲(chǔ)能量的全過(guò)程加以重視，以對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化為前提，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性為目的，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的能源系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用的方式，確保能源利用率可以得到顯著提升，其生產(chǎn)成本也會(huì)隨之減少。

2 多能互補(bǔ)應(yīng)用研究

傳統(tǒng)的片區(qū)能源模式得運(yùn)行原理是以片區(qū)為載體，對(duì)各類能源進(jìn)行輸入或者輸出，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，該模式的不足也得到了直觀展示，即無(wú)法做到能源科學(xué)互補(bǔ)以及有效集約。由于該模式需要大量的設(shè)備作為依托，因此，能源及土地資源被浪費(fèi)的情況難以避免。除此之外，受道路等因素的影響，對(duì)輸送管網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)的效率難以提高，這并不利于城市的發(fā)展。

該文所研究的智慧能源模式的創(chuàng)新之處在于其以多能互補(bǔ)、因地制宜和統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)為指導(dǎo)原則，通過(guò)充分利用新能源及傳統(tǒng)能源的方式，對(duì)現(xiàn)有的功能設(shè)施進(jìn)行全面優(yōu)化，通過(guò)應(yīng)用智能微網(wǎng)、天然氣三聯(lián)供和分布再生能源，在實(shí)現(xiàn)能源階梯利用的基礎(chǔ)上，使多能協(xié)調(diào)供應(yīng)設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。其特點(diǎn)如下：在土地布局緊湊的前提下，借助現(xiàn)有的市政設(shè)施，通過(guò)處理并運(yùn)用所集成能源的方式，滿足燃?xì)庹{(diào)壓站、供電所等設(shè)施日常運(yùn)行的需求。

現(xiàn)階段，分布能源站和垃圾處理站在許多地區(qū)得到了大力推廣，下文將分別對(duì)二者進(jìn)行介紹。分布能源站驅(qū)動(dòng)能源主要為清潔能源，例如太陽(yáng)能或天然氣，低溫能源中常見(jiàn)的是污水源、空氣源和深淺層地源，可以通過(guò)多能互補(bǔ)的方式，加快能源利用模式向階梯利用過(guò)渡的速度，確保用戶所獲取的能源較之前更加穩(wěn)定、安全且高效。這里要明確一點(diǎn)，就是上文所提到能源，除了有眾所周知的電能外，還包括冷能和熱能。垃圾處理站的職責(zé)是對(duì)城市生活垃圾進(jìn)行分揀、處理和二次利用，基于高環(huán)保和高標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)焚燒垃圾所產(chǎn)生的蒸汽加以處理，并用處理后蒸汽發(fā)電、制冷或供熱[2]。事實(shí)證明，引入相關(guān)技術(shù)可以使垃圾外運(yùn)量得到大幅減少，這與當(dāng)今社會(huì)所倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保的理念高度契合。此外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)由污水處理站對(duì)廢水進(jìn)行處理，利用處理所得中水開(kāi)展綠化等方面。

3 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 替代燃煤鍋爐

3.1.1 改造方案

某大學(xué)以環(huán)保治理要求為依托，出蒸汽鍋爐替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐，對(duì)40萬(wàn)m2的校區(qū)進(jìn)行供熱的方案，該校購(gòu)入蒸汽鍋爐的數(shù)量及規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 蒸汽鍋爐配置情況

有關(guān)人員從該校的建設(shè)程序和大氣治理要求出發(fā)，先后多次前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察，根據(jù)勘察結(jié)果反復(fù)調(diào)整改造方案，保證給出方案與學(xué)校的改造需求相符，即基于燃?xì)忮仩t和空氣能源熱泵，通過(guò)集成優(yōu)化及多能互補(bǔ)的方式，高效完成改造燃煤鍋爐房的相關(guān)工作。

3.1.2 改造內(nèi)容

結(jié)合該校供熱負(fù)荷區(qū)和鍋爐房規(guī)?？芍?，要想充分利用該場(chǎng)地，關(guān)鍵是以汽水熱力站為基礎(chǔ)，對(duì)能源站進(jìn)行新建，并保證新建能源站均有長(zhǎng)期運(yùn)行所需系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，例如自控系統(tǒng)/用電系統(tǒng)/熱力系統(tǒng)/空氣源熱泵[3]?？紤]多方因素，最終該校選擇對(duì)3座能源站進(jìn)行了建設(shè)，各能源站規(guī)模及參數(shù)配置情況見(jiàn)表2。

表2 新建能源站規(guī)模及參數(shù)配置

3.1.3 改造效果

經(jīng)過(guò)改造的設(shè)備正式投入運(yùn)行后，由技術(shù)人員對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行了為期1年的跟蹤記錄，整理后的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改造后設(shè)備運(yùn)行效果

由表3數(shù)據(jù)可知，該項(xiàng)目平均每年可節(jié)約標(biāo)煤重量約8 000 t，二氧化碳排放量能夠減少近16 000 t，二氧化硫排放量比之前減少了2.5 t左右。另外，煙塵排放量的變化也十分明顯，改造后煙塵排放量與改造前排放量的差值約為4.5 t。

3.2 污水源熱泵供熱

3.2.1 改造計(jì)劃

某水質(zhì)凈化廠為當(dāng)?shù)匚鬯礋岜脩?yīng)用示范點(diǎn)，有關(guān)人員計(jì)劃對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，制定的改造計(jì)劃如下：首先，購(gòu)入污水源熱泵機(jī)組，取代了原有熱源，為凈水設(shè)備運(yùn)行提供支持；其次，對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和配套余熱回收裝置進(jìn)行安裝，前者功率為1 000 kW，后者為1 300 kW；再次，由于該場(chǎng)所在地區(qū)有極寒天氣存在，因此，需要引進(jìn)可起到調(diào)峰熱源作用的燃?xì)忮仩t；最后，將光伏發(fā)電系統(tǒng)加裝在屋面上即可。

3.2.2 改造內(nèi)容

3.2.2.1 燃?xì)忮仩t

能源站新購(gòu)入了1臺(tái)燃?xì)忮仩t，其規(guī)格為3.5 MW，其作用是保證即使有極寒天氣來(lái)臨，仍有調(diào)峰源熱可以保證供熱效果。燃?xì)忮仩t參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 燃?xì)忮仩t參數(shù)

基于燃?xì)忮仩t開(kāi)展的供暖工作，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：1） 便于操作。有關(guān)人員可以通過(guò)按鍵、顯示屏對(duì)鍋爐狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，使下一步操作更加明確。2） 安全可靠。處于運(yùn)行狀態(tài)的真空熱水鍋爐，由于內(nèi)部為負(fù)壓狀態(tài)，因此，即使存在操作失誤出現(xiàn)的超壓情況，仍舊能夠保證開(kāi)關(guān)電源在第一時(shí)間被切斷。3） 節(jié)能高效。真空運(yùn)行鍋爐的沸點(diǎn)較低，其熱效率較原有設(shè)備更高，且具有良好的換熱性，另外，真空密封爐體的輻射散熱較小[4]。4） 成本低、經(jīng)濟(jì)性佳。由于鍋爐無(wú)補(bǔ)水需求，因此，不需要對(duì)補(bǔ)水和處理水的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，將進(jìn)出水口和用戶進(jìn)行直接連接即可，可以大幅減少購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的成本隨之減少。

3.2.2.2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

能源站現(xiàn)有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組規(guī)格為1 000 kW，對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收的裝置，規(guī)格為1 300 kW，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能都可以通過(guò)電纜并入供電系統(tǒng)，為相關(guān)設(shè)備提供運(yùn)行所需要的電能。用電峰段，設(shè)備運(yùn)行所依托的電能來(lái)源為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，而用電谷段，向設(shè)備供電的主體轉(zhuǎn)為市電，這樣設(shè)計(jì)的目的是充分利用峰谷電價(jià)存在的差異，降低運(yùn)行成本。

該系統(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)調(diào)以熱定電，先保證發(fā)電量可以為能源站現(xiàn)有水泵及熱泵機(jī)組的日常運(yùn)行提供支持，再將多余電量并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。而處于運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)形成的煙氣，通常由回收裝置負(fù)責(zé)預(yù)熱及二次利用。

該發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量為1 000 kW，燃?xì)夂牧考s為270 m3/h，向外界所提供熱量參數(shù)為1 300 kW，其他參數(shù)見(jiàn)表5。假設(shè)當(dāng)?shù)夭膳竟灿?20 d，分為初寒期、嚴(yán)寒期和末寒期，并且前2個(gè)階段都可以通過(guò)量調(diào)節(jié)以及質(zhì)調(diào)節(jié)達(dá)到調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷的目的，那么機(jī)組出力僅為預(yù)設(shè)額度的80%。

表5 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)參數(shù)

該設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括3點(diǎn)：1） 以天然氣為主要燃料，借助天然氣三聯(lián)供方式，對(duì)能源進(jìn)行階梯利用，可以確保天然氣利用效率得到大幅提高。2） 有良好的安全性和環(huán)保性，可以通過(guò)削峰填谷的方式，為相關(guān)單位帶來(lái)更為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。3） 節(jié)能減排效果突出，在保證天然氣得到充分利用的前提下，應(yīng)用雙重削峰填谷的方式，保障能源供應(yīng)環(huán)節(jié)的安全。

3.2.2.3 空氣源熱泵

該項(xiàng)目計(jì)劃配備了2臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組，作為廠房冷源/熱源，機(jī)組規(guī)格為70 kW，其他參數(shù)見(jiàn)表6。由于該機(jī)組的熱媒為制冷劑，因此在溫度較低的冬季，只需消耗較少電能就能夠?qū)⒖諝鉄崮苻D(zhuǎn)化成高溫位熱能，用來(lái)對(duì)末端系統(tǒng)運(yùn)行所需要的循環(huán)水進(jìn)行加熱[5]。研究表明，該機(jī)組只需要1單位電能，就可以對(duì)2單位熱量進(jìn)行吸收，而末端所獲得熱量往往能夠達(dá)到3單位。

表6 空氣源熱泵參數(shù)

由項(xiàng)目運(yùn)行情況可知，空氣源熱泵有許多優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，供相關(guān)人員參考：1） 運(yùn)行范圍寬且出水溫度較高，通常能夠達(dá)到65 ℃左右，并且具備在-25 ℃低溫環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行的條件。2） 運(yùn)行成本較低且有良好的節(jié)能性，僅需要耗費(fèi)原有能源的30%，就能夠取得與原有能耗相同的效果。3） 無(wú)污染，燃燒不會(huì)產(chǎn)生外排物，社會(huì)效益良好。4） 環(huán)境因素所帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)，具有極為穩(wěn)定的性能，可以做到全天候運(yùn)行。5） 可以和水進(jìn)行熱量交換，不存在漏氣或者漏電等安全隱患。6） 機(jī)組結(jié)構(gòu)十分緊湊，重量輕且體積較小。7） 由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制機(jī)組啟停，且機(jī)組可根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷自行決定是否需要更改壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，在節(jié)約資源的基礎(chǔ)上，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性能。

3.2.2.4 污水源熱泵

城市污水主要為生活污水、工業(yè)廢水，污水熱源泵的特點(diǎn)是將城市污水轉(zhuǎn)化成建筑冷熱源，要想使主機(jī)長(zhǎng)期處于高效運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)鍵是有適宜的溫度和穩(wěn)定的水量。該項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)3臺(tái)水源熱泵機(jī)組進(jìn)行綜合應(yīng)用，并通過(guò)加設(shè)管殼換熱器的方式，保證熱源穩(wěn)定。

該機(jī)組的運(yùn)行原理如下：在溫度較高的夏季，將建筑物熱量向水源進(jìn)行轉(zhuǎn)移，溫度較低的水源可大量帶走建筑物熱量；在溫度偏低的冬季，先由水源負(fù)責(zé)對(duì)熱量進(jìn)行提取，再借助熱泵機(jī)組對(duì)熱量做提溫處理，并向建筑物內(nèi)部運(yùn)輸[6]。正常情況下，水源熱泵每消耗約1 kW能量，就可以向用戶提供4 kW冷量/熱量。

該項(xiàng)目所引入系統(tǒng)，主要包括補(bǔ)水定壓、熱水循環(huán)、污水循環(huán)和中介水循環(huán)，該文將各系統(tǒng)原理進(jìn)行介紹：1） 補(bǔ)水定壓。熱網(wǎng)補(bǔ)水所用水源為軟化水，由補(bǔ)水箱提供補(bǔ)水，經(jīng)由補(bǔ)水裝置向回水總管輸送。2） 熱水循環(huán)。在末端系統(tǒng)水溫達(dá)到45 ℃后，通過(guò)末端泵將其輸送至冷凝器內(nèi)部，由冷凝器對(duì)其做提熱處理，待水溫達(dá)到60 ℃，就可以進(jìn)入建筑內(nèi)部并對(duì)熱量進(jìn)行釋放，達(dá)到末端循環(huán)的目的。3） 污水循環(huán)。對(duì)污水進(jìn)行三級(jí)水處理所得中水和中介水做熱量交換處理。4） 中介水循環(huán)。先由中介水泵對(duì)中介水溫進(jìn)行提升，再將其運(yùn)輸至蒸發(fā)器內(nèi)部，待熱量傳遞到熱泵機(jī)組內(nèi)部且溫度大幅下降后，才可以向中介水管網(wǎng)回流，這一過(guò)程又被稱為“中介水循環(huán)”。

3.2.2.5 光伏發(fā)電與互補(bǔ)發(fā)電

3.2.2.5.1 光伏發(fā)電

廠房?jī)?nèi)部建立了光伏電站，該電站發(fā)電量可以滿足能源站辦公及日常運(yùn)行。目前，得到大范圍推廣與應(yīng)用的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，主要包括光熱電轉(zhuǎn)換和光電直接轉(zhuǎn)換，該項(xiàng)目所采用的技術(shù)為光熱電轉(zhuǎn)換，該技術(shù)強(qiáng)調(diào)基于太陽(yáng)能組件，經(jīng)由串并聯(lián)方式，獲得發(fā)電所需要的光伏陣列，借助直流配電設(shè)備對(duì)太陽(yáng)能做匯流處理，獲得僅需要進(jìn)行逆變就可以為日常生活及辦公所用的直流電，而直流電轉(zhuǎn)化成交流電所依托設(shè)備，主要為逆變器。

在外墻或是屋頂上對(duì)光伏陣列進(jìn)行安裝，既不需要占用有限的土地資源，同時(shí)還能夠?qū)⑽蓓敶蛟斐汕鍧嵉男⌒桶l(fā)電站，在節(jié)約電力支出的基礎(chǔ)上，使屋面隔熱性得到改善，即將光伏產(chǎn)品與能源站屋頂結(jié)合，使屋頂更節(jié)能。

3.2.2.5.2 互補(bǔ)發(fā)電

互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的組件較多，主要有燈桿、互補(bǔ)控制器、單晶硅太陽(yáng)能、免維護(hù)蓄電池和LED光源與燈具。風(fēng)力發(fā)電機(jī)基于磁懸浮技術(shù)，可基于磁懸浮技術(shù)+永磁發(fā)電機(jī)，使無(wú)噪聲、低風(fēng)速啟動(dòng)的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，只要有風(fēng)力作用，該電機(jī)就能長(zhǎng)期處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)磁力線進(jìn)行切割的方式，向廠房?jī)?nèi)部提供需要的交流電。

事實(shí)證明，與原有照明系統(tǒng)相比，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：1）既不需要開(kāi)挖電纜溝并對(duì)管線進(jìn)行敷設(shè)，也不需要對(duì)專用的輸變線路及其配套設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，遠(yuǎn)距離敷設(shè)使電能出現(xiàn)不必要損耗的問(wèn)題，因此而得到了有效解決。2）可以對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能在地域、時(shí)間等方面所存在互補(bǔ)特性加以利用，只要儲(chǔ)能裝置足夠，該系統(tǒng)便可經(jīng)由智能控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。3）該系統(tǒng)所采用直流電僅有24V，從根本上避免了意外觸碰導(dǎo)致安全事故發(fā)生的情況。另外，水電氣管道間存在沖突、供電持續(xù)性難以得到保障等市電照明系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題也迎刃而解。

3.2.3 改造效果

事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)該次改造，該項(xiàng)目平均每年可節(jié)約標(biāo)煤重量為2 750 t，二氧化碳排放量較之前減少了5 400 t左右，二氧化硫排放量也減少了約11 t。雖然相較于上1個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目煙塵排放量的變化并不明顯，但是改造前后的差值仍然能夠達(dá)到0.6 t，具有借鑒及推廣意義。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該文的分析可以看出，當(dāng)前，清潔能源得到了持續(xù)開(kāi)發(fā)，多能互補(bǔ)的清潔供熱技術(shù)逐漸引起了人們的關(guān)注，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)除了可以使能源得到階梯化應(yīng)用外，還能夠?yàn)橹腔勰茉茨Ｊ綐?gòu)建助力。未來(lái)該技術(shù)仍將是研究重點(diǎn)，圍繞其具體應(yīng)用進(jìn)行探討是很有必要的。