技术领域
[0001] 本
发明提出一种基于末端电热泵混水供热的生物质热电联产运行方法，属于生物质
能源利用技术领域。
背景技术
[0002] 生物质作为
可再生能源的重要组成部分，对于保障能源安全、减少
温室气体
碳排放等具有重要意义。我国2017年生物质发电项目共有747个，累计装机容量达1476.2万kW，发电替代燃
煤约2200万吨，而根据统计，我国生物质发电可替代燃煤的潜
力每年4.6亿吨标煤，所以生物质发电具有广阔的发展前景。
[0003] 但目前生物质电厂由于受生物质资源分布不均匀和原料收集半径的制约，发电成本较高，往往只能依靠补贴维持运行。而常规的生物质热电联产在发电的同时进行
集中供热，牺牲了抽汽做功发电的能力，虽然经济性优于单纯的生物质
发电厂，但由于热电比较低，经济性依然较差。
[0004] 与此同时，生物质电厂内大量的余热尚未被合理利用，散失到环境中造成能源的浪费。如生物质
锅炉燃烧产生的烟气，经过处理后仍在50℃以上直接排放至大气中，烟气中的冷凝
潜热未被充分利用；还有
汽轮机的乏汽，通过空冷或水冷换热器冷却为
凝结水后再返回生物质锅炉，这部分热量也白白损失掉了。对于纯凝发电的生物质电厂，这两部分余热约占
燃料输入热量的70％以上。
[0005] 此外传统生物质电厂的运行方法仅仅通过调节抽汽量的方式来调节其供热量，无法实现对余热回收量的控制，也不适用于烟气和乏汽余热回收的生物质热电联产系统。因此对于回收烟气和乏汽余热的生物质热电联产系统，需要提出适宜的运行方法来最大程度发挥其节能优势。
发明内容
[0006] 本发明的目的是解决可同时回收乏汽和烟气余热的生物质热电联产系统在采暖季如何进行运行调节的关键问题，提出一种基于末端电热泵混水供热的生物质热电联产运行方法，本发明能够在运行过程中最大程度地利用生物质电厂余热，采暖季供热构成中余热占比可达80％以上。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 本发明提出的一种基于末端电热泵混水供热的生物质热电联产运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] 步骤1：搭建生物质热电联产系统
[0010] 搭建的所述生物质热电联产系统包括生物质锅炉、汽轮机、乏汽换热器、凝汽器、
冷却塔、锅炉给水加热器、
脱硫塔、余热回收塔、烟气喷淋水换热器、烟囱、
电网、末端电热泵、用户换热器以及连接管路和
阀门；各设备的连接关系为：
[0011] 所述生物质锅炉的高温
蒸汽出口与汽轮机的蒸汽入口相连，汽轮机的乏汽出口分别通过带有阀门的管道与乏汽换热器和凝汽器的高温侧乏汽入口相连，乏汽换热器和凝汽器的高温侧出水口汇合后依次通过锅炉给水加压泵、锅炉给水加热器与生物质锅炉的上水入口相连，汽轮机的抽汽出口与锅炉给水加热器的进汽口相连；冷却塔与凝汽器的低温侧通过带有冷却
水循环泵的管道连通并形成环路；生物质锅炉的烟气出口依次通过脱硫塔和余热回收塔与烟囱连通，余热回收塔塔底的喷淋水池的喷淋水出口通
过喷淋水
循环泵与烟气喷淋水换热器高温侧的入水口相连，烟气喷淋水换热器高温侧的出水口与余热回收塔塔顶的喷淋管相连；
[0012] 泵的
冷凝器出水口与乏汽换热器低温侧的出水口汇合后与用户换热器的入水口相连；用户换热器的出水口分为两个支路，第一支路通过混水泵与末端电热泵的冷凝器入水口相连，第二支路与末端电热泵的
蒸发器入水口相连；末端电热泵的
蒸发器出水口通
过热网循环泵与烟气喷淋水换热器低温侧的入水口相连，烟气喷淋水换热器低温侧的出水口与乏汽换热器低温侧的进水口相连；
[0013] 所述汽轮机发电送入电网，同时末端电热泵从电网接电作为驱
动能源；
[0015] 根据步骤1搭建的生物质热电联产系统应用所在地的室外气象参数确定采暖期室外设计
温度t′w、采暖期室外日平均温度tp,j以及供暖期总天数Nzh；根据相关供热规范确定采暖季
室内设计温度tn；根据热网设计温度或以往采暖季的采暖期室外设计温度t′w下用户换热器的进出水温度确定用户换热器的设计进出水温度t′g和t′h；
[0016] 步骤3：根据热用户的设计热负荷Q及步骤2设定的基础参数确定生物质热电联产系统在采暖期室外设计温度t′w条件下的系统参数，并令系统参数中的如下参数在生物质热电联产系统的运行调节过程中保持不变：汽轮机的总乏汽量qd，末端电热泵的蒸发器水流量qe、末端电热泵的冷凝器水流量qc，末端电热泵的蒸发器出水温度te2，烟气喷淋水换热器的低温侧出水温度ty2，和烟囱的排烟温度tex；
[0017] 步骤4：根据室外
环境温度tw、步骤2和步骤3中的相关参数估算供给用户换热器的热水温度tg，并估算用户换热器的回水温度th，具体计算公式如下：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中，b为热负荷指数，μ为修正系数，采暖季均为常量；是供暖相对负荷比；tw为室外环境温度；
[0024] 步骤5：根据末端电热泵的蒸发器出水温度te2、估算的用户换热器的回水温度th、末端电热泵的蒸发器水流量qe、末端电热泵的冷凝器水流量qc，以及末端电热泵的性能曲线，确定末端电热泵的冷凝器出水温度tc2和实际性能系数COP；
[0025] 步骤6：按照步骤5最终计算得到的末端电热泵的冷凝器出水温度tc2，对末端电热泵进行调节；
[0026] 步骤7：按照下式计算得到乏汽换热器低温侧的出水温度tf2：
[0027]
[0028] 根据乏汽换热器低温侧的出水温度tf2和固定的换热温差Δt1，得出乏汽换热器高温侧进口乏汽温度为td1＝tf2+Δt2；
[0029] 按照汽轮机设计的乏汽干度x，根据水蒸气物性查得乏汽换热器高温侧进口乏汽压力pd，并由此对汽轮机的乏汽压力进行调节；
[0030] 步骤8：根据烟气喷淋水换热器的低温侧出水温度ty2和末端电热泵的蒸发器水流量qe、以及乏汽换热器低温侧的出水温度tf2，按照下式计算出乏汽换热器的供热量Qd：
[0031] Qd＝cqe(tf2-ty2)
[0033] 步骤9：根据乏汽换热器的供热量Qd、乏汽换热器高温侧进口乏汽温度td1、乏汽换热器高温侧进口乏汽压力pd和乏汽换热器低温侧出口凝水温度td2＝ty2+Δt2，得到进入乏汽换热器的乏汽量qd1；按照该乏汽量qd1通过乏汽管路上的阀门对汽轮机进入凝汽器和乏汽换热器的乏汽量占比进行调节，控制进入乏汽换热器高温侧的乏汽量为qd1，进入凝汽器高温侧的乏汽量为qd2＝qd-qd1；
[0034] 步骤10：按照凝汽器的乏汽进气量qd2控制
冷却水循环泵的运转。
[0035] 本发明所提出的运行方法与常规生物质热电联产系统只能控制抽汽流量的运行方法相比，具有以下优点：
[0036] 1、设定热网回水温度在整个采暖季维持较低水平不变，使得回收烟气余热量和排烟温度不变，能够稳定
回收利用烟气余热；
[0037] 2、整个采暖季保持生物质锅炉负荷和汽轮机主蒸汽量不变，通过调节乏汽的压力和进入乏汽换热器的流量来控制乏汽换热器供热量，使得锅炉长时间高负荷和高效率运行；
[0038] 3、乏汽压力随着室外环境温度升高而不断降低，可以最大程度的提升生物质热电联产系统的发电量。
[0039] 4、采用本方法后整个采暖季供热构成中余热占比在80％以上，可实现最大程度地利用生物质电厂余热。
附图说明
[0040] 图1为本发明对应的可同时回收乏汽和烟气余热的生物质热电联产系统流程示意图。
[0041] 图2为本发明提出的采暖季末端电热泵冷凝器出口温度、乏汽换热器低温侧出口温度和用户换热器进口温度，随室外温度变化的调节曲线示意图。
[0042] 图3为本发明提出的采暖季汽轮机乏汽压力随室外温度变化的调节曲线示意图。
[0043] 图4为采用本发明提出的运行方法后，整个采暖季的热负荷组成示意图。
[0044] 图中符号：
[0045] 1—生物质锅炉，2—汽轮机，3—乏汽换热器，4—凝汽器，5—冷却塔，6—锅炉给水加热器，7—脱硫塔，8—余热回收塔，9—烟气喷淋水换热器，10—烟囱，11—末端电热泵，12—用户换热器，13—混水泵，14—热网循环泵，15—冷却水循环泵，16—锅炉给水加压泵，
17—喷淋水循环泵，18—电网。
具体实施方式
[0046] 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。
[0047] 本发明提出的一种基于末端电热泵混水供热的生物质热电联产运行方法，包括以下步骤：
[0048] 步骤1：搭建生物质热电联产系统
[0049] 按照图1所示结构(图中直线所示线路为水路，虚线所示线路为汽路，点画线所示线路为
电路)搭建生物质热电联产系统，包括生物质锅炉1、汽轮机2、乏汽换热器3、凝汽器4、冷却塔5、锅炉给水加热器6、脱硫塔7、余热回收塔8、烟气喷淋水换热器9、烟囱10、电网
18、末端电热泵11、用户换热器12以及连接管路和阀门；各设备的连接关系为：
[0050] 生物质锅炉1的高温蒸汽出口与汽轮机2的蒸汽入口相连，汽轮机2的乏汽出口分别通过带有阀门的管道与乏汽换热器3和凝汽器4的高温侧乏汽入口相连，乏汽换热器3和凝汽器4的高温侧出水口汇合后依次通过锅炉给水加压泵16、锅炉给水加热器6与生物质锅炉1的上水入口相连，汽轮机2的抽汽出口与锅炉给水加热器6的进汽口相连；冷却塔5与凝汽器4的低温侧通过带有冷却水循环泵15的管道连通并形成环路，具体地，冷却塔5的冷却水出口通过带阀门和冷却水循环泵15的管道与凝汽器4的低温侧进水口相连，凝汽器4的低温侧出水口通过带有阀门的管道与冷却塔5的冷却水入口相连；生物质锅炉1的烟气出口依次通过脱硫塔7和余热回收塔8与烟囱10连通，余热回收塔8塔底的喷淋水池的喷淋水出口通过设有喷淋水循环泵17和阀门的管道与烟气喷淋水换热器9高温侧的入水口相连，烟气喷淋水换热器9高温侧的出水口通过带阀门的管道与余热回收塔8塔顶的喷淋管相连；
[0051] 末端电热泵11的冷凝器出水口与乏汽换热器3低温侧的出水口汇合后与用户换热器12的入水口相连；用户换热器12的出水口分为两个支路，第一支路通过设有阀门和混水泵13的管道与末端电热泵11的冷凝器入水口相连，第二支路通过设有阀门的管道与末端电热泵11的蒸发器入水口相连；末端电热泵11的蒸发器出水口通过设有热网循环泵14和阀门的管道与烟气喷淋水换热器9低温侧的入水口相连，烟气喷淋水换热器9低温侧的出水口通过设有阀门的管道与乏汽换热器3低温侧的进水口相连；进一步地，在末端电热泵11的蒸发器出水口、入水口之间还通过带阀门的管道连通，烟气喷淋水换热器9低温侧的出水口、入水口之间还通过带阀门的管道连通，用于在电热泵事故状态下直接将用户换热器12的出水口和乏汽换热器3的低温侧的进水口通过带阀门和热网循环泵14的管道相连，保障基础供热需求。
[0052] 汽轮机2发电送入电网18，同时末端电热泵11从电网18接电作为驱动能源。
[0053] 步骤2：基础参数设定
[0054] 根据步骤1搭建的生物质热电联产系统应用所在地的室外气象参数确定采暖期室外设计温度t′w、采暖期室外日平均温度tp,j以及供暖期总天数Nzh；根据相关供热规范(本
实施例采用《民用建筑供暖通
风与空气调节设计规范》等供热规范)确定采暖季室内设计温度tn；根据热网设计温度或以往采暖季的采暖期室外设计温度t′w下用户换热器的进出水温度确定用户换热器的设计进出水温度t′g和t′h。本实例的生物质热电联产系统应用于北京，设定t′w＝-9℃，tp,j＝-1.6℃，Nzh＝120天，tn＝18℃，t′g＝60℃，t′h＝45℃。
[0055] 步骤3：根据热用户的设计热负荷Q及步骤2设定的基础参数确定生物质热电联产系统在采暖期室外设计温度t′w条件下的系统参数(如设计工况下末端电热泵11的性能系数COP′等)，并令系统参数中的如下参数在生物质热电联产系统的运行调节过程中保持不变：包括汽轮机2的总乏汽量qd，末端电热泵11的蒸发器水流量qe、末端电热泵11的冷凝器水流量qc，末端电热泵11的蒸发器出水温度te2，烟气喷淋水换热器9的低温侧出水温度ty2，和烟囱10的排烟温度tex。
[0056] 步骤4：根据室外环境温度tw、步骤2和步骤3中得到的相关参数估算供给用户换热器12的热水温度tg，并估算用户换热器12的回水温度th，用于后续运行调节计算，具体计算公式如下：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中，tg为估算的供给用户换热器12的热水温度；th为估算的用户换热器12的回水温度；tn为步骤2中设定的采暖室内设计温度；t′g是步骤2中设定的用户换热器12的设计供水温度；t′h是步骤2中设定的用户换热器12的设计回水温度；b为热负荷指数，μ为修正系数，采暖季均为常量；是供暖相对负荷比；tw为室外环境温度；t′w为步骤2中设定的采暖期室外设计温度。
[0063] 步骤5：根据前述得出的末端电热泵11的蒸发器出水温度te2、估算的用户换热器12的回水温度th、末端电热泵11的蒸发器水流量qe和末端电热泵11的冷凝器水流量qc，经查末端电热泵11的性能曲线，确定末端电热泵11的冷凝器出水温度tc2和实际性能系数COP。具体计算过程如下：
[0064] 首先根据当前末端电热泵11的性能系数COPi、末端电热泵11的蒸发器出水温度te2和估算的用户换热器回水温度th，计算出末端电热泵11的冷凝器出水温度tc2,i，其中，设定起始末端电热泵11的性能系数COP1＝COP′；然后根据末端电热泵11的冷凝器出水温度tc2,i、末端电热泵11的蒸发器出水温度te2和估算的用户换热器回水温度th，按照末端电热泵11的性能曲线，可以查得末端电热泵11的实际供热性能系数COPi+1，并利用COPi+1再计算另一组tc2,i+1，
角标i表示对应的
迭代的次数，进行连续迭代计算，直到前后两次计算的COP之差的绝对值在设定
阈值k(根据计算
精度设定，如k＝0.2)以内，迭代结束。具体按照下式计算：
[0065]
[0066] COPi+1＝f(th,tc2,i,te2)
[0067] |COPi-COPi+1|≤k
[0068] 步骤6：按照步骤5最终计算得到的末端电热泵11的冷凝器出水温度tc2，对末端电热泵11进行调节；
[0069] 步骤7：按照下式计算得到乏汽换热器3低温侧的出水温度tf2：
[0070]
[0071] 根据乏汽换热器3低温侧的出水温度tf2和固定的换热温差Δt1(如3℃)，得出乏汽换热器3高温侧进口乏汽温度为td1＝tf2+Δt2；
[0072] 按照汽轮机2设计的乏汽干度x(如x＝0.9)，根据水蒸气物性可以查得乏汽换热器3高温侧进口乏汽压力pd，根据该乏汽换热器3高温侧进口乏汽压力pd对汽轮机2的乏汽压力进行调节。
[0073] 本实施例采暖季末端电热泵11的冷凝器出水温度tc2、乏汽换热器3低温侧的出水温度tf2和供给用户换热器12的热水温度tg随室外环境温度变化的调节曲线如图2所示，采暖季乏汽换热器3高温侧进口乏汽压力pd随室外环境温度变化的调节曲线如图3所示。
[0074] 步骤8：根据步骤3设定的烟气喷淋水换热器9的低温侧出水温度ty2和末端电热泵11蒸发器水流量qe、以及步骤7确定的乏汽换热器3低温侧的出水温度tf2，按照下式计算出乏汽换热器3的供热量Qd：
[0075] Qd＝cqe(tf2-ty2)
[0076] 其中c为水的比热，取为4.1868kJ/(kg·K)。
[0077] 步骤9：根据计算得出的乏汽换热器3的供热量Qd、乏汽换热器3高温侧进口乏汽温度td1、乏汽换热器3高温侧进口乏汽压力pd和乏汽换热器3低温侧出口凝水温度td2＝ty2+Δt2(如3℃)，可以计算得出进入乏汽换热器3的乏汽量qd1，按照该乏汽量qd1，通过乏汽3管路上的阀门对汽轮机2进入凝汽器4和乏汽换热器3的乏汽量占比进行调节，控制进入乏汽换热器3高温侧的乏汽量为qd1，进入凝汽器4高温侧的乏汽量为qd2＝qd-qd1，其中qd为汽轮机2总乏汽量。
[0078] 步骤10：按照凝汽器4乏汽进气量qd2控制冷却水循环泵15的启停和台数(或
频率)。
[0079] 图4为采用本发明提出的运行方法后，整个采暖季的热负荷组成示意图，可见采用本运行方法后，在整个采暖季供热构成中，余热占87％，其中乏汽余热占68％，烟气余热占19％，剩余耗电占比13％，实现最大程度地利用生物质电厂余热。
[0080] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
