CN104266409B - 水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制方法 - Google Patents

水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制方法，包括燃气锅炉1、一级烟气余热回收装置2、二级烟气余热回收装置3、水源热泵机组4、冷凝水箱5、烟气管道6、烟囱7、电磁阀8、电动调节阀9、手动调节阀10、热水管道11、板式换热器12、循环水泵13、一体化温度变送器14、远传压力表15、水源热泵机组控制柜16、锅炉控制柜17、数据采集系统18以及集中监控平台19组成，还包括系统的控制方法。该发明可将排烟温度降至30℃以下，深度回收烟气中的显热和冷凝潜热，同时可回收大量的烟气冷凝水，减少烟气中NOx和SO2等有害气体的排放，实现节能节水环保的综合效益。

Description

水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制 方法
技术领域
本发明涉及一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制方法，具体是涉及一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，实现烟气余热和冷凝水的回收利用，本发明适用于燃气锅炉、燃油锅炉、直燃机及工业燃气燃烧设备的烟气余热深度回收利用，属于余热利用技术领域。
背景技术
我国能源结构正向清洁低碳转型，天然气用能设备迅速发展，燃气的高效利用逐步成为当今节能的主题。目前普通燃气锅炉的排烟温度一般达到150～250℃，排烟热损失20％以上，造成能源浪费和环境污染。国内市场上应用最多的是在燃气锅炉尾部加装烟气余热利用回收装置来回收高温烟气余热，由于受被加热介质的温度限制，烟气余热回收利用装置主要回收烟气中的显热，烟气大部分的冷凝潜热未被回收利用，近一半的排烟余热被浪费。可见，若仅用烟气余热回收利用装置来回收烟气余热，其节能潜力是有限的。
国外早期的水源热泵中就开始利用江河水、湖水等地表水以及城市生活废水作为低位热源，水源热泵技术在我国发展起步较晚，主要应用在北方地区，其中受水源的水量、水温、水质和全年供水稳定性等因素的影响，难以保证全年能稳定、高效的运行。
将水源热泵机组推广应用至燃气锅炉集中供热系统，首先要解决的就是水源问题，无论是地表水还是地下水资源，水源一直制约着水源热泵在北方的发展和应用，我们为此提出了一套全新的解决方案——营造水源环境，即采用水源热泵机组与烟气冷凝余热回收装置联合运行，水源热泵机组的蒸发器侧与烟气余热回收装置水侧形成闭式循环水环路，该系统中水源热泵为烟气余热回收提供低温冷媒，从而最大限度降低高温烟气至30℃以下，实现烟气余热的深度回收利用，具有节能节水环保的综合效果。
发明内容
(一)要解决的问题
本发明的目的是提供一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统及其控制方法，以解决燃气锅炉排烟温度过高引起的能源和水资源浪费，同时解决水源热泵机组应用范围受自然条件的限制，最终达到烟气余热深度回收利用。
(二)水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统
本发明的水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统是包括燃气锅炉1、一级烟气余热回收装置2、二级烟气余热回收装置3、水源热泵机组4、冷凝水箱5、烟气管道6、烟囱7、电磁阀8、电动调节阀9、手动调节阀10、热水管道11、板式换热器12、循环水泵13、一体化温度变送器14、远传压力表15、水源热泵机组控制柜16、锅炉控制柜17、数据采集系统18以及集中监控平台19组成。所述的燃气锅炉1出口与烟气管道6相接，烟气管道6上依次设置一级烟气余热回收装置2和二级烟气余热回收装置3；所述一级烟气余热回收装置2的进水口与二次网回水管连接，出水口与二次网供水管相接，与板式换热器12水环路为并联结构；所述水源热泵机组4的蒸发器侧与二级烟气余热回收装置3的水路形成闭式系统，在蒸发器的出水管道上装设有循环水泵13；所述的水源热泵机组6的冷凝器侧与板式换热器12并联，水源热泵机组4的冷凝器进水管与二次网回水管相连，冷凝器的出水管与二次网供水管相连；所述的冷凝水箱5用于收集一级烟气余热回收装置2和二级烟气余热回收装置3中烟气冷凝形成的冷凝水；所述的烟囱位于二级烟气余热回收装置3后部，并与烟气管道6相接；所述的电磁阀8-1在闭式系统压力超压时开启泄水，电磁阀8-2在闭式系统低压时开启进水；它还包括各水管路中的电动调节阀9和手动调节阀10，起到开关和调节流量的作用。
所述的水源热泵机组4采用高效满液式蒸发器和高效冷凝器，压缩机为变频压缩机。
所述的一级烟气余热回收装置2和二级烟气余热回收装置3均采用高肋化不锈钢铝翅片管叉排结构，节能高效，结构紧凑，烟气流动阻力小。
所述的数据采集系统18是采集水温、烟温、水压、水泵运行状态、热泵运行状态、锅炉运行负荷大小、电动调节阀开度。
所述的集中监控平台19是显示锅炉和水源热泵机组4的运行数据并控制水源热泵机组运行频率、循环水泵启停、电动调节阀开度、低压补水和高压泄水的功能。
(三)水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统的控制方法
本发明的另个目的是提供了一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统控制方法，所述控制方法是采用“蒸发器出水温度控制为主，冷凝器出水温度控制为辅”的控制策略，并按照峰、平、谷用电进行分时段控制。
当燃气锅炉1启动时，水源热泵机组4在设定平谷用电时间段内，二级烟气余热回收装置3与二次网水路之间的电动调节阀95、96关闭，蒸发器侧和冷凝器侧的电动调节阀91、92、93开启，循环水泵13启动，水源热泵机组4启动，水源热泵机组4与二级烟气余热回收装置3形成联合运行系统，水源热泵机组4可根据蒸发器出水设定温度与实际出水温度的差值来控制压缩机频率。具体控制步骤为：
(1)数据采集系统分别采集燃气锅炉启停状态和燃烧负荷、蒸发器进出水温度、冷凝器进出水温度、压缩机运行频率、烟气余热回收装置进出口烟气温度、电动调节阀开度；
(2)对蒸发器出水和冷凝器出水的采集温度与目标设定出水温度进行比较，计算实际温度与设定温度的差值；
(3)采用“蒸发器出水温度控制为主，冷凝器出水温度控制为辅”的控制策略，优先控制蒸发器出水温度，即当蒸发器实际出水温度低于设定温度时，压缩机频率降低；当实际蒸发器实际出水温度高于设定温度，则压缩机频率提高，输入功率增加，回收热量增大。
(4)水源热泵机组控制系统采用“分时段”控制策略，在高峰用电段水源热泵机组停止运行，在平谷用电时间段正常运行。
当燃气锅炉1运行时，水源热泵机组4在用电峰谷时间段内，其蒸发器和冷凝器侧水路的电动调节阀91、92、93关闭，循环水泵13停止运行，电动调节阀95、96开启，二级烟气余热回收装置3继续运行，从而实现二级烟气余热回收装置3的最大化利用，若通过经济技术分析，高峰用电时间段内运行经济时，该时间段内水源热泵机组4仍可正常运行。
当燃气锅炉1停止运行时，水源热泵机组4不允许启动运行。
(四)有益效果
本发明的技术方案通过采用水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行，以最大化的降低燃气锅炉排烟温度，提高燃气能源利用率，并回收烟气冷凝水，具有节能节水减排的综合效益。
附图说明
图1为本发明水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统示意图。
图2为本发明水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统控制策略流程图。
具体实施方式
以下附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统示意图，如图所示，该系统主要包括燃气锅炉1，锅炉排烟温度较高，烟气中所含大量的显热和潜热较大，烟气经由烟气管道6和烟囱7排至大气；一级烟气余热回收利用装置2，通过供热系统二次低温回水来回收烟气中的热量；二级烟气余热回收装置3，主要中间转换设备，与水源热泵4蒸发器侧连接形成闭式水环路；水源热泵机组4(包括蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀等)，是系统的核心部件，吸收低品味余热产生高品位能源，产生的高温热水直接用于供热；冷凝水箱5，收集一、二级烟气余热回收利用装置中烟气冷却析出的冷凝水；电磁阀8包括电磁阀81和82，电磁阀81用于闭式水系统低压时开启补水，电磁阀82用于闭式水系统超压下开启泄水，正常运行均处于关闭状态；电动调节阀9和手动调节阀10，用于调节和控制水源热泵机组4蒸发器和冷凝器侧水环路以及二级烟气余热回收装置3的水环路；热水管道11，是指板式换热器12与用户侧连接的供热系统管网；循环水泵13，为水源热泵机组4与二级烟气余热回收装置3之间形成的闭式水系统提供循环动力；一体化温度变送器14，采集一级与二级烟气余热回收装置的进出口烟气温度，以及各水路进出口温度；远传压力表15，采集各进出水管路的压力；水源热泵机组4控制柜16，实时监控水源热泵机组4的运行工况，并具有安全故障报警的功能；锅炉控制柜17，根据锅炉设定出水温度与实际出水温度比较来控制锅炉燃烧器运行负荷，并全面监控锅炉本体运行参数；数据采集系统18，采集各感知末端的温度、压力、电动调节阀开度、水源热泵机组4和水泵运行状态等参数；集中监控平台19，实时监测锅炉与水源热泵机组4的运行参数，按照特定的控制方法进行实时监测和控制，保证系统的安全可靠运行。
图2为本发明水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统控制策略流程图，如图所示，根据用电时段划分为峰、平、谷三个时段，当燃气锅炉启动后，在平、谷两个时间段内，电动调节阀91、92、93开启，电动调节阀95、96关闭，循环水泵13启动运行，水源热泵机组4启动；在峰时段内循环水泵13停止，电动调节阀91、92、93关闭和电动调节阀95、96开启，水源热泵机组4停止运行；当燃气锅炉停止运行时，水源热泵机组4停止运行。水源热泵机组4运行过程遵循“蒸发器出水温度控制为主，冷凝器出水温度控制为辅”的控制策略，其中蒸发器出水温度分为tz≤15℃、15℃＜tz≤25℃和tz＞25℃共三段，冷凝器出水温度分为t1≤45℃、45℃＜t1≤65℃和t1＞65℃共三段。当蒸发器出水温度低于15℃时，热泵控制柜调控压缩机频率降低，热泵出力减小；当蒸发器出水温度高于25℃时，热泵控制柜调控压缩机频率升高，热泵出力增加；当蒸发器出水温度维持在15～25℃时，热泵控制柜则根据冷凝器出水温度来实时调控压缩机的工作频率，即当冷凝器出水温度低于45℃时，压缩机频率升高，提高热泵制热量，当冷凝器出水温度高于65℃时，压缩机频率降低，减少热泵制热量。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，主要包括燃气锅炉、一级烟气余热回收装置、二级烟气余热回收装置、水源热泵机组、冷凝水箱、烟气管道、烟囱、电磁阀、电动调节阀、手动调节阀、热水管道、板式换热器、循环水泵、一体化温度变送器、远传压力表、水源热泵机组控制柜、锅炉控制柜、数据采集系统以及集中监控平台；
所述水源热泵机组的蒸发器侧与二级烟气余热回收装置的水路形成闭式系统，在蒸发器出水管道上装设有循环水泵，所述的水源热泵机组的冷凝器侧与板式换热器并联，水源热泵机组的冷凝器进水管与二次网回水管相连，冷凝器的出水管与二次网供水管相连。
2.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：燃气锅炉出口与烟气管道相接，烟气管道上依次设置一级烟气余热回收装置和二级烟气余热回收装置，所述的烟囱位于二级烟气余热回收装置后部，并与烟气管道相接。
3.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的一级烟气余热回收装置的进水口与二次网回水管连接，出水口与二次网供水管相接，与板式换热器水环路为并联结构。
4.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的冷凝水箱用于收集一级烟气余热回收装置和二级烟气余热回收装置中烟气冷凝形成的冷凝水。
5.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的电磁阀具有系统超压泄水和系统低压进水的功能，所述的电动调节阀和手动调节阀，起到开关和调节流量的作用。
6.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的水源热泵机组采用满液式蒸发器和冷凝器，压缩机为变频压缩机。
7.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的一级烟气余热回收装置和二级烟气余热回收装置均采用高肋化不锈钢铝翅片管叉排结构，结构紧凑，烟气阻力小。
8.根据权利要求1所述水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统，其特征在于：所述的数据采集系统采集水温、烟温、水压、水泵运行状态、热泵运行状态、锅炉运行负荷大小和电动调节阀开度，所述的集中监控平台用于实时监控锅炉和水源热泵机组的运行数据并控制水源热泵机组运行频率、循环水泵启停状态、电动调节阀开度、低压补水和高压泄水的功能。
9.一种如权利要求1所述的水源热泵机组与烟气余热回收装置联合运行系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法是采用以水源热泵机组蒸发器出水温度控制为主，冷凝器出水温度控制为辅的控制策略，并按照峰、平、谷用电进行分时段控制。
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