基于电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统及其调控方法

技术领域

本发明涉及废热回收技术领域，具体是基于电厂废热实现矿区碳中和供暖 的系统及其调控方法。

背景技术

对于工矿企业，解决非生产工艺用热的一般性建筑采暖需求，利用自身或 周边的废热资源供暖，是实现工矿企业供暖系统碳中和运行的有效途径。

以地下开采矿井为例，矿区在供暖方面的需求主要有三类：1.地面井筒防 冻需求(冬季)；2.地面建筑采暖需求(冬季)；3.地面洗浴热水加热需求(全 年)。

目前，在安徽、山东、河南、河北等中部地区，可以利用矿井生产过程中 产生的矿井排水、矿井回风、瓦斯发电等余热全部或部分的解决上述供暖需求。 而在山西、陕西、内蒙、甘肃、东北、青海、新疆等西部、北部严寒地区的矿 区采暖，自身的余热资源不足以满足上述需求，需要通过燃气锅炉、大吨位的 燃煤锅炉(根据国家环保政策40吨以下采暖锅炉逐渐淘汰停用)，甚至使用电 锅炉来解决。每年需要直接或间接消耗大量的化石燃料，排放大量的温室气体。

另一方面，在上述地区的矿区周边往往会建设采用间接空冷冷却的大中型 发电厂，即便部分煤矿企业通过投资供暖管道直接从电厂购买蒸汽或热水的方 式解决供暖需求，每年的运行和维护费用达到1000万以上，且电厂对外输出蒸 汽或高温热水影响(减少)了发电量，相当于间接的增加排放碳排放。

即使在现有清洁供暖技术中，采用热泵技术回收矿井自身余热(矿井回风、 矿井排水等)进行供暖，亦需要消耗相当于供热量1/3左右的电能，电能的使 用也等同于间接的增加了碳排放。

此外，根据热力发电厂朗肯循环的要求，发电厂需要将超过一半的热量通 过空冷塔以废热的形式排放至大气中。间接空冷系统冬季运行时为了避免空冷 散热器冻裂，进入散热器的水温一般控制在45℃以上。在矿区采用低温供暖技 术，45℃的热水即能够满足建筑采暖、洗浴热水加热和井筒防冻的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统及其 调控方法，以缓解现有矿区供暖技术中存在运行费用高，直接或间接碳排放量 大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于电厂废热实现矿区碳中 和供暖的系统，其特征在于：包括电厂废热供给设备、电厂汽轮机乏汽废热回 收设备、烟气废热回收装置以及锅炉排污扩容废热回收装置；其中，所述电厂 废热供给设备能够为所述电厂汽轮机乏汽废热回收设备、烟气废热回收装置、 锅炉排污扩容废热回收装置提供废热；

所述电厂汽轮机乏汽废热回收设备为空冷循环水废热回收装置或第二凝汽 器；

所述电厂汽轮机乏汽废热回收设备的输出端与烟气废热回收装置的输入端 相连接，所述烟气废热回收装置的输出端与锅炉排污扩容废热回收装置的输入 端相连接，所述锅炉排污扩容废热回收装置的输出端与供暖循环水泵的进口相 连接，所述供暖循环水泵的出口通过长距离输送送水管与用户设施的进口相连， 所述用户设施的出口连接井口防冻散热末端的输入端，所述井口防冻散热末端 的输出端连接至调峰热泵机组的蒸发器输入端，调峰热泵机组的蒸发器输出端 与矿区供暖回水管道连接，所述矿区供暖回水管道通过长距离输送回水管与电 厂汽轮机乏汽废热回收设备的输入端连接，从而构成一完整循环供暖系统。

进一步，作为优选，当所述电厂汽轮机乏汽废热回收设备为空冷循环水废 热回收装置时，所述电厂废热供给设备至少包括设置在电厂侧的凝汽器，所述 凝汽器能够将部分热量转移至空冷循环水，空冷循环水通过空冷散热器以及空 冷塔进行散热；

或者，空冷循环水通过空冷循环水废热回收装置将部分热量转移给供暖循 环水，且所述空冷循环水废热回收装置串联在烟气废热回收装置远离锅炉排污 扩容废热回收装置的一侧。

进一步，作为优选，当所述电厂汽轮机乏汽废热回收设备为第二凝汽器时， 所述电厂废热供给设备至少包括设置在电厂侧的凝汽器，所述凝汽器和第二凝 汽器并联设置，所述凝汽器能够将部分热量转移至空冷循环水，空冷循环水通 过空冷散热器以及空冷塔进行散热；

所述第二凝汽器能够将部分热量转移至供暖循环水。

进一步，作为优选，所述电厂废热供给设备还包括设置在电厂侧的锅炉， 所述锅炉还能够为烟气废热回收装置提供高温烟气，在烟气废热回收装置中烟 气将热量传递给供暖循环水；所述锅炉能够为锅炉排污扩容废热回收装置提供 高温排污扩容蒸汽，在锅炉排污扩容废热回收装置中排污扩容蒸汽将热量传递 给供暖循环水。

进一步，作为优选，所述用户设施包括设置在矿区供暖侧的供暖建筑低温 散热末端和洗浴热水箱盘管式热末端，其中，长距离输送送水管的出口与矿区 供暖水管道的进口相连，矿区供暖水管道的出口并联供暖建筑低温散热末端和 洗浴热水箱盘管式热末端。

进一步，作为优选，自供暖建筑低温散热末端与洗浴热水箱盘管式热末端 的回水，经自来水预热装置与井口防冻散热末端相连，所述自来水预热装置的 自来水侧出水管连接洗浴热水箱的补水口。

进一步，作为优选，所述空冷循环水废热回收装置的电厂侧的输入和输出 端分别装有阀门一、阀门二，用于非供暖季切断与电厂侧的空冷循环水的联系， 以及在供暖季根据矿区热负荷调节进入空冷循环水废热回收装置的流量。

进一步，作为优选，所述烟气废热回收装置的供热侧输入、输出端之间安 装有旁通管路和控制调节阀一；锅炉排污扩容废热回收装置供热侧输入、输出 端之间安装有旁通管路和控制调节阀二。

进一步，作为优选，矿区供暖侧的所述供暖建筑低温散热末端、洗浴热水 箱盘管式热末端、自来水预热装置、井口防冻散热末端以及调峰热泵机组的数 量均为一或者均为并联设置的多个；

电厂侧的所述空冷循环水废热回收装置、烟气废热回收装置、锅炉排污扩 容废热回收装置的数量均为一或者均为并联设置的多个。

基于电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统的调控方法，其特征在于：包括： 在供热期间，通过空冷循环水废热回收装置或第二凝汽器将空冷循环水热量转 移至供暖循环水；并且烟气废热回收装置以及锅炉排污扩容废热回收装置正常 运转，实现低温废热梯级加热回收，然后供暖循环水经过长距离输送送水管输 送至矿区供暖侧，从而依次为用户设施、防冻散热末端、调峰热泵机组供热， 实现低温供暖循环水热量梯级利用；供暖初期、供暖后期和常规供暖期，阀门 一全部打开，根据室外天气温度调节阀门二、控制调节阀一及控制调节阀二的 开启度，根据空冷循环水废热回收装置或第二凝汽器进口端的压力调节供暖循 环水泵的转速。极端供暖期，阀门一、阀门二全部打开，控制调节阀一及控制 调节阀二全部关闭，供暖循环水泵工频运行。

调峰热泵机组供暖初期、供暖后期和常规供暖天气停止运行，极端天气启 动运行。

在非供热期间，电厂余热回收装置停止运转并切断与电厂的联系，阀门一、 阀门二全部关闭，电厂废热的冷却循环水通过空冷散热器以及空冷塔排出，高 温烟气通过脱硫后经烟囱直接排向大气，排污扩容蒸汽通过管道排向大气。

与现有技术相比，本发明提供了基于电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统 及其调控方法，具有以下有益效果：

1.本发明实现了电厂废热资源的梯级回收和矿区供暖时将热能梯级利用， 长距离输送的供回水管路之间的温差达到50℃以上，具有良好的经济效益，并 且由于使用原本排空弃用的电厂废热解决矿区供暖需求，因此具有显著的节能 减排及碳中和效益。

2、本发明能够有效缓解当前西北部矿区普遍存在的缺热问题，同时由于矿 区供热回水温度低可达到2℃，直埋在冰冻线以下，回到电厂的回水温度可达到 0.5℃左右，在无结冰的风险前提下，可以降低电厂汽轮机的排汽压力及排汽温 度，提高汽轮机的发电量，减少火电厂发电标准煤耗(克/千瓦时)，对于600MW 机组，背压降低1kPa，供电煤耗降低约3g/(kW.h)，同时减少冬季及极寒天 气电厂需要经空冷塔的散热量，减小了了空冷散热器冻裂的风险，提高了电厂 的运行安全。

3、本发明由于通过在电厂废热回收侧和矿区低温热源使用侧同时采用低温 大温差供热技术，仅需对供水管路进行保温无补偿直埋，回水管道无保温直埋， 管道直径比常规10～20℃温差的低温供水管路的直径缩小一倍以上，因此大幅降 低了管道投资成本和运行维护成本，从而大幅提高供热的经济输送半径，经济 输送半径达50公里以上。

4.利用电厂废热实现矿区供暖，彻底解决了现有技术中存在的碳排放强度 高、数量大和运行费用高的问题，且在电厂侧和矿区侧分别采用低温梯级回收、 低温梯级利用技术，实现长距离输送管路系统的大温差运行，降低了管网投资 和循环水泵的能耗，节约了大量能源，综合运行费用低，对环境友好，可有效 减少对环境的污染，实现了矿区供暖系统的碳中和运行，推广使用后的经济效 益和社会效益突出。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图一；

图2为本发明的整体结构示意图二；

图中：1、空冷循环水废热回收装置；2、烟气废热回收装置；3、锅炉排污扩容 废热回收装置；4、供暖循环水泵；5、供暖建筑低温散热末端；6、洗浴热水箱 盘管式热末端；7、自来水预热装置；8、井口防冻散热末端；9、调峰热泵机组； 10-1、阀门一；10-2、阀门二；11-1、控制调节阀一；11-2、控制调节阀二； 12-1、锅炉；12-2、汽轮机；12-3、凝汽器；12-4、空冷散热器；12-5、空冷 塔；12-6、锅炉补水泵；12-7、空冷循环水泵；12-8、发电机；12-9、烟囱；13、长距离输送送水管；14、长距离输送回水管；15、井筒；16、井口房。

具体实施方式

实施例1：请参阅图1，本发明实施例中，提出了基于电厂废热实现矿区碳 中和供暖的系统，包括设置在电厂侧的空冷循环水废热回收装置1，烟气废热回 收装置2，锅炉排污扩容废热回收装置3，空冷循环水废热回收装置1的输出端 通过管道与烟气废热回收装置2的输入端相连接，烟气废热回收装置2的输出 端与锅炉排污扩容废热回收装置3的输入端相连接，锅炉排污扩容废热回收装 置3的输出端与供暖循环水泵4的进口相连接，供暖循环水泵4的出口与长距 离输送送水管道的进口相连接，长距离输送送水管13的出口与矿区供暖管道的 进口相连接，矿区供暖侧设置有供暖建筑低温散热末端5，供暖建筑低温散热末 端5的输入端与矿区供暖供水管道连接，矿区供暖侧还设置有洗浴热水箱盘管 式热末端6，洗浴热水箱盘管式热末端6输入端与矿区供暖供水管道连接，供暖 建筑低温散热末端5与洗浴热水箱盘管式热末端6之间为并联关系，供暖建筑 低温散热末端5与洗浴热水箱盘管式热末端6可以分别由若干个并联单元组成， 自供暖建筑低温散热末端5与洗浴热水箱盘管式热末端6的回水，进入自来水 预热装置7，自来水预热装置7的自来水侧出水管连接洗浴热水箱的补水口。自 来水预热装置7热源侧出水连接井口防冻散热末端8的输入端，井口防冻散热 末端8的输出端连接调峰热泵机组9的蒸发器输入端，调峰热泵机组9的蒸发器输出端与矿区供暖回水管道连接，自来水预热装置7、井口防冻散热末端8、 调峰热泵机组9之间的关系为依次串联的关系。供暖建筑低温散热末端5与洗 浴热水箱盘管式热末端6之间并联后的输出端再与自来水预热装置7串联。矿 区供暖回水管道与长距离输送回水管的进口连接，长距离输送回水管14的出口 与空冷循环水废热回收装置1的输入端连接，完成一个完整的系统循环流程。

在空冷循环水废热回收装置1的电厂侧的输入和输出端分别装有阀门10-1、 10-2，用于非供暖季切断与电厂空冷循环水的联系，供暖季根据矿区热负荷调 节进入空冷循环水废热回收装置1的流量。

烟气废热回收装置2的供热侧输入、输出端之间安装了旁通管路和控制调 节阀一11-1，锅炉排污扩容废热回收装置3供热侧输入、输出端之间安装了旁 通管路和控制调节阀二11-2。

进一步的，矿区用户侧的供暖建筑低温散热末端5至少包括一个建筑低温 散热末端。当供暖建筑低温散热末端为多个时，各个建筑低温散热末端之间为 并联连接。洗浴热水箱盘管式热末端6至少包括一个洗浴热水箱盘管式热末端。 当供洗浴热水箱盘管式热末端为多个时，各个洗浴热水箱盘管式热末端之间为 并联连接。自来水预热装置7至少包括一个自来水预热装置。当自来水预热装 置为多个时，各个自来水预热装置之间为并联连接。井口防冻散热末端8至少 包括一个井口防冻散热末端。当井口防冻散热末端为多个时，各个井口防冻散 热末端之间为并联连接。调峰热泵机组9的蒸发器至少包括一个调峰热泵机组 的蒸发器。调峰热泵机组9的蒸发器为多个时，各个调峰热泵机组9的蒸发器 之间为并联，也可以是串联连接。每一个供暖建筑低温散热末端5、每一洗浴热 水箱盘管式热末端6或每一个自来水预热装置7、井口防冻散热末端8或每一个 调峰热泵机组9，均具有可以采用任意技术实现提取循环水热量传递给末端用户 的功能。

进一步的，电厂侧的空冷循环水废热回收装置1，至少包括一个空冷循环水 废热回收装置，当空冷循环水废热回收装置为多个时，各个空冷循环水废热回 收装置之间为并联连接。烟气废热回收装置2，至少包括一个烟气废热回收装置， 当烟气废热回收装置为多个时，各个烟气废热回收装置之间为并联连接。锅炉 排污扩容废热回收装置3，至少包括一个锅炉排污扩容废热回收装置，当锅炉排 污扩容废热回收装置为多个时，各个锅炉排污扩容废热回收装置之间为并联连 接。每一个电厂侧的空冷循环水废热回收装置1、每一个烟气废热回收装置2或 每一个锅炉排污扩容废热回收装置3，对应分别具有可以采用任意技术实现提取 电厂空冷循环水废热、烟气废热和锅炉排污扩容废热传递给供暖循环水的功能。

进一步地，电厂侧设置有电厂废热供给设备，电厂废热供给设备包括锅炉 12-1、汽轮机12-2、凝汽器12-3、空冷散热器12-4、空冷塔12-5、锅炉补水 泵12-6，空冷循环水泵12-7，发电机12-8以及烟囱12-9，汽轮机12-2能够为 凝汽器12-3提供乏汽，在凝汽器12-3中，乏汽将热量转移给空冷循环水，而 空冷循环水又通过空冷循环水废热回收装置1将部分热量转移给供暖循环水。 锅炉12-1能够为烟气废热回收装置2提供高温烟气，在烟气废热回收装置2中 烟气将热量传递给供暖循环水。12-1能够为锅炉排污扩容废热回收装置3提供 高温排污扩容蒸汽，在锅炉排污扩容废热回收装置3中排污扩容蒸汽将热量传 递给供暖循环水。

其中空冷循环水废热回收装置1、烟气废热回收装置2、锅炉排污扩容废热 回收装置3分别对应利用空冷循环水废热、烟气废热和锅炉排污扩容蒸汽中的 热量，采用梯级加热的流程工艺实现废热的高效回收，最终实现供暖循环水温 度尽量在60℃以上。

实施例2：如图2，与实施例不同的地方在于：增加了电厂侧的第二凝汽器12-3-2，取消了空冷循环水废热回收装置1，从而使得供暖循环水直接与汽轮机 12-2出口端的乏汽换热，技术路线更短，从而使得换热效率更高，第二凝汽器 12-3-2供暖循环水侧的出口端的水温度可以达到与进入空冷散热器12-4的进口 的空冷循环水相同的温度，甚至略高。其他流程及运行方式与实施例1相同， 不在赘述。

在具体实施例中，选择位于宁夏回族自治区银川市的燃煤空冷发电厂，单 台锅炉+汽轮机的发电功率为600MW，进入脱硫塔的前的烟气温度为100℃，冬 季为了防止空冷散热器12-4结冰冻裂，进入空冷散热器12-4的空冷循环水的 温度为45℃，空冷循环水废热回收装置1利用45℃的空冷循环水将0.5℃的矿区 供暖回水加热至43℃，烟气废热回收装置2中利用100℃的烟气将自空冷循环水 废热回收装置1输出端的43℃供暖循环水加热至55℃，锅炉排污扩容废热回收 装置3中利用150℃的排污扩容蒸汽将自烟气废热回收装置2的输出端55℃的供 暖循环水加热至65℃。最终供水温度65℃，单个矿区的废热供暖规模可以是13MW。 系统完全利用乏汽(空冷循环水)、烟气或排污扩容蒸汽的废热，供热时不影 响发电。进一步的，由于供暖循环水温度明显低于空冷散热器的回水温度，随 着供热规模的扩大，可以经一步提高电厂的发电效率。电厂废热利用后可以带 来冬季电厂在确保安全运行前提下，降低排汽温度的有益效果，在汽轮机进汽 温度不变的条件下，排汽温度每降低10℃，装置效率可提高3.5％左右，凝汽 器压力没改变1kPa，汽轮机功率将平均改变1％-2％。

进一步地，矿区长距离输送送水管，采用具有防护层和保温层的输水管道。 在一个优选的实施例中，长距离输送送水管为一根直径DN200具有50毫米厚度 聚氨酯保温层外套PE防护层的直埋循环水供水管道，管道长度10公里，沿程 温降2℃，即到达矿区用户侧的供水温度为63℃；长距离输送回水管为一根直 径DN200具有外防腐涂层的直埋循环水供水管(无保温)，直埋于冻土线以下， 矿区用户侧回水温度2℃，到达电厂时回水温度0.5℃，沿程温降1.5℃。供暖 循环水泵扬程总计44mH

本发明还提出了基于电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统的调控方法，包 括：在供热期间，通过空冷循环水废热回收装置1或第二凝汽器12-3-2将空冷 循环水热量转移至供暖循环水；并且烟气废热回收装置2以及锅炉排污扩容废 热回收装置3正常运转，实现低温废热梯级加热回收，然后供暖循环水经过长 距离输送送水管输送至矿区供暖侧，从而依次为用户设施、防冻散热末端8、调 峰热泵机组9供热，实现低温供暖循环水热量梯级利用；

在非供热期间，电厂余热回收装置停止运转，电厂废热通过空冷散热器12-4 以及空冷塔12-5排出，电厂侧和矿区侧分别采用低温废热梯级加热回收及低温 供暖循环水热量梯级利用技术，实现长距离输送管路系统的大温差运行，以节 约管道投资，供水温度高于65℃，回水温度0.5℃，回水管无保温直埋，无动 力消耗的获取废热资源的同时可以提高电厂的发电效率。

本发明利用电厂废热实现矿区碳中和供暖的系统，可以具备为西北部地区 的3000个左右煤矿提供无直接成本的供热热源，单个煤矿每年可节约运行费用 1000万元以上，以10公里的管道投资900万元为例，管道投资回收期限不足1 年，3000个煤矿可以节约运行费用300亿元/年，折算标准煤8130吨，为矿区 减排二氧化碳2.1亿吨。

以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据 本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保 护范围之内。