CN109724135A - 一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括构成循环回路的凝汽器与冷却塔，冷却塔还通过循环冷却水回水管路分别与中温热泵和高温热泵相连，从凝汽器出来的循环冷却水一部分进入冷却塔，一部分通过循环冷却水回水管路进入中温热泵和高温热泵；从中温热泵和高温热泵出来的循环冷却水经循环冷却水给水管路与凝汽器；一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第二阀门与中温热泵相连，经中温热泵加热后的一次热网回水依次通过第一高温热泵、电极加热装置、蓄热装置后与一次热网供水管路相连通。通过在现有汽轮机抽汽加热系统的基础上并联热电厂侧电加热系统，在不改变热电厂运行工况的情况下，增加了管网的供热能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种供热系统，具体涉及一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统。
背景技术
当前，东北、华北、西北地区(以下简称“三北”地区)是我国风能资源最为丰富的地区，同时也是“弃风”现象最为严重的区域，2015年弃风电量高达339亿千瓦时，“弃风”已成为制约我国风电健康发展的主要瓶颈。在风能资源富集区域开拓可替代石能源的用电市场是解决就地消纳的关键环节。
由于“三北”地区城市不断发展，集中供热面积逐渐增大，增加热电厂的供热能力及供热管网的输热能力，满足城市发展的需要，是一个急需解决的问题。
我国能源供应和能源需求呈逆向分布，在资源上“西富东贫、北多南少”，在需求上则恰恰相反。不仅是煤炭、石油等化石能源如此，新能源如风能、太阳能也是如此：80％以上的风能资源分布在“三北”地区，太阳能资源也是“高原大于平原、西部大于东部”，而75％以上的能源需求集中在东部、中部地区。
“三北”地区经济发展相对滞后、电力需求不足、市场狭小。同时，由于配套电网规划建设滞后，导致省区间和网间外送消纳受限，带来风电上网空间减少，造成大规模的“弃风”“弃光”现象。
“三北”地区的电源结构以煤电为主，其中供热机组又占有较大比重，冬季为了满足供热需求，供热机组调峰能力有限。并且随着城市化进程的逐步发展，城市规模不断增大，增加热电厂的供热能力及供热管网的输热能力，满足城市发展需求，是一个急需解决的问题。
受管网材料特性及热应力的影响，城市集中管网设计的供水温度不能过高。目前用户多采用地辐热、风机盘管、散热器等末端系统，二次换热站采用水-水换热器，受二次热网参数的限制，一次回水温度也不能太低。目前热电厂集中供暖系统一次管网供回水温度为130℃/70℃。
由于一次管网的供回水温度较高，现热电厂多采用汽轮机抽汽加热一次管网回水，一次管网高温供水在小区热力站通过水-水换热器放热后返回热电厂，一次管网低温回水在汽-水换热器被汽轮机抽汽加热到所需的供水温度后供出。汽轮机抽汽在汽-水换热器放热后，凝结为水回锅炉加热再循环。汽轮机排汽在凝汽器被循环冷却水带走热量后，凝结为水后进入锅炉加热再循环。吸收了汽轮机排汽热量的循环冷却水温度升高，经冷却塔冷却降温后，重新进入凝汽器循环使用。
对于已建供热管网，改造管网的管径非常困难，因此在一次供水流速一定的情况下，流量很难改变。此时要求增加管网的输热能力，即要求增大管网的供回水温差。在现有管网材料特性、保温效果、热应力等因素影响下，只有降低一次回水温度。
专利CN200810101065.X公开了一种大温差集中供热系统，该系统由汽轮机、凝汽器、蒸汽吸收式热泵、汽-水换热器、热水吸收式热泵、水-水换热器以及连接管路和附件组成。其利用汽轮机排汽余热大热网回水，并利用循环冷却水作为吸收式热泵的低温热源，尽可能大限度的利用回收电厂发电过程中产生的余热。通过末端采用热水吸收式热泵和水-水换热器组合的方式加热二次网供热热水，增大热网的供、回水温差。
该系统虽然增大了热网的供、回水温差，但在实际施工和运行时存在诸多困难。
1、电厂侧加热过程采用蒸汽吸收式溴化锂机组，以汽轮机抽汽为驱动热源，不适合“多电少热”的“三北”地区。
2、热网回水返回电厂后，直接进入凝汽器进行一次预热。由于热网回水温度与供水水温、天气情况、用户需求等有关，仅通过旁通阀对进入凝汽器的热网回水进行流量控制，会改变凝汽器的真空度，导致汽轮机运行工况发生改变。
3、该系统利用蒸汽吸收式热泵回收循环冷却水热量时，需要蒸汽作为驱动热源，蒸汽管道建设需要考虑空间、保温等多个问题，施工程度复杂。
4、小区采用热水吸收式热泵机组，制热量全部来自与一次供热管网。当一次热网供水温度发生变化时，热泵的效率会出现波动。极端天气状况下，会导致小区供热不足。同时，吸收式热泵的占地面积、设备造价都要高于电压缩式热泵。
专利CN201210075294.5公开了一种利用工业余热的大温差供热系统，在电厂内设置电动热泵、吸收式热泵和基础加热器，将热网回水从30℃加热到130℃后输出。在用户热力站末端，利用梯级换热原理，将不同的热用户需求，在热冷却塔内集中统一处理，从而将热网供热温差增大，比现有热网运行增大约一倍温差，能够大幅增加热网的输热能力。但其也存在以下缺点：
1、电厂侧加热过程采用蒸汽吸收式溴化锂机组，以汽轮机抽气为驱动热源，不适合“多电少热”的“三北”地区。
2、目前供热多采用地辐热、风机盘管、暖气片等末端系统，需要的进回水温度高于30℃，通过热冷却塔内的换热盘管，无法将一次供热管网回水温度降到30℃。为将一次管网回水温度降到30℃，只能在热冷却塔内利用空气带走部分热量，造成了能量的浪费。
3、该系统利用蒸汽吸收式热泵回收循环冷却水热量时，需要蒸汽作为驱动热源，蒸汽管道建设需要考虑空间、保温等多个问题，施工程度复杂。
专利CN201310026375.0公开了一种大温差集中供热/制冷系统，其余热供暖系统输出的热水分为二路，一路通过管路与制冷系统连接；另一路通过管路与城市供暖用户连接；制冷系统和供暖用户的回水混合后通过管路与热用户连接；供暖热用户的回水进入供暖系统中的吸收式热泵，蒸汽或燃气驱动吸收式热泵提取冷却循环水余热，经加热器加热至130℃后送出供热水，进入下次循环。但其也存在以下缺点：
1、电厂侧加热过程采用蒸汽吸收式溴化锂机组，以汽轮机抽气为驱动热源，不适合“多电少热”的“三北”地区。
2、经过城市用户的热网回水温度为60℃，在城市供热管网附近若无农业温室吸收热量，则无法将热网回水温度降低到30℃。
3、该系统利用蒸汽吸收式热泵回收循环冷却水热量时，需要蒸汽作为驱动热源，蒸汽管道建设需要考虑空间、保温等多个问题，施工程度复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对“三北”地区“多电少热”的现象，提供一种能够在不增加管网投资的基础上，通过增加一次管网的供回水温差，增加供热管网的输热能力，在不改变热电厂运行方式的前提下，提高了热电厂的供热能力。同时，以电力为输入能源，增大谷电消耗量，为风电提供上网空间的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括与锅炉相连的汽轮机，由汽轮机抽取的部分中温中压蒸汽通过管路与汽-水换热器相连；一次热网回水经汽-水换热器热交换后形成一次热网供水；一次热网供水经第一水-水换热器与用户回水热交换后形成所述一次热网回水；所述的汽轮机末级排气与凝汽器相连并经所述凝汽器冷却凝结成水后返回锅炉中重新加热，还包括冷却塔，所述的凝汽器与所述冷却塔相连构成循环回路，所述冷却塔还通过循环冷却水回水管路分别与中温热泵和高温热泵相连，从所述的凝汽器出来的循环冷却水一部分进入所述冷却塔，一部分通过循环冷却水回水管路进入中温热泵和高温热泵；从所述中温热泵和高温热泵出来的循环冷却水经循环冷却水给水管路与所述凝汽器；所述的一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第二阀门与中温热泵相连，经所述中温热泵加热后的一次热网回水依次通过第一高温热泵、电极加热装置、蓄热装置后与一次热网供水管路相连通。
优选的，所述的第一水-水换热器的一次热网回水管路上还安装有第二水-水换热器；所述第二水-水换热器通过管道连接第一水-水换热器和第二高温热泵；所述第二水-水换热器与第二高温热泵相连形成中间水循环，中间水循环的中间循环水作为高温热泵的低温热源将部分用户回水加热到所需的供水温度供给终端用户。
优选的，所述的一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第三阀门与所述蓄热装置相连。
优选的，所述的循环冷却水给水管路安装有第一阀门。
优选的，所述的汽-水换热器放热后凝结水经管道与锅炉相连。
为实现本发明的目的，本发明的还包括一技术方案：
一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括与锅炉相连的汽轮机，由汽轮机抽取的部分中温中压蒸汽通过管路与汽-水换热器相连；一次热网回水经汽-水换热器热交换后形成一次热网供水；一次热网供水经第一水-水换热器与用户进水热交换后形成所述一次热网回水；其特征在于：一次热网回水所在的一次热网回水管路上还安装有第二水-水换热器，所述第二水-水换热器通过管道连接第一水-水换热器和第二高温热泵；所述第二水-水换热器与第二高温热泵相连形成中间水循环，中间水循环的中间循环水作为高温热泵的低温热源将部分用户回水加热到所需的供水温度供给终端用户。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、该系统的电压缩式热泵，热电厂侧加热、蓄热过程及用户侧用热过程均以电力为驱动能源，拓展了“三北”地区的用电市场，为风电上网提供了上网空间，适合“多电少热”的“三北”地区。
2、采用电蓄热系统，更好的适应风电的“波动性”。
3、热电厂侧加热过程利用梯级加热原理，利用电力驱动，从循环冷却水中提取热量，将一次管网回水依次通过中温热泵、高温热泵、电极加热装置加热到所需的供水温度，热电厂侧加热过程以电力为一次能源，施工简单，改造难度小。
4、电压缩式热泵受制冷剂蒸发温度和压缩机的影响，低温热源温度不能过高。利用一次热网供水加热中间循环水，为小区热力站的高温热泵提供低温热源，创造出适合电压缩式热泵的应用场合。
5、热电厂侧电加热系统与原有汽轮机抽汽加热系统并联，通过电动调节阀控制流量，不影响原有系统的正常运行，在不改变热电厂运行工况的情况下，增加了管网的供热能力。
6、小区热力站采用电力为一次能源，通过热泵技术，在一次管网供回水温差及流量相同的情况下，能够为小区提供更多的热量，保证极端天气的供暖效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的供热系统的整体结构示意图。
图中：1-锅炉；2-汽轮机；3-汽-水换热器；4-凝汽器；5-冷却塔；6-中温热泵；7-高温热泵；8-电极加热装置；9-蓄热装置；10-第一水-水换热器；11-第二水-水换热器；12-高温热泵；13-循环冷却水回水管路；14-循环冷却水给水管路；15-第一阀门；16-一次热网回水管路；17-第二阀门；18一次热网供水管路；19-第三阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明提供的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括与锅炉1相连的汽轮机2，由汽轮机2抽取的部分中温中压蒸汽通过管路与汽-水换热器3相连，经汽-水换热器3将一次热网回水加热后形成的一次热网供水再经第一水-水换热器10换热后供终端用户。
所述汽-水换热器3放热后凝结水经管道与所述锅炉1相连。所述的汽轮机2末级排气与所述凝汽器4相连并经所述凝汽器4冷却凝结成水后返回所述锅炉1中重新加热。
所述的凝汽器4还与所述冷却塔5相连构成循环回路。所述冷却塔5通过循环冷却水回水管路13分别与中温热泵6、高温热泵7相连。所述中温热泵6和高温热泵7循环冷却给水经循环冷却水给水管路14及安装在该循环冷却水给水管路14上的第一阀门15与所述凝汽器4相连。从所述的凝汽器4出来的循环冷却水一部分进入所述冷却塔5，一部分通过循环冷却水回水管路13进入中温热泵6和高温热泵7；从所述中温热泵6和高温热泵7出来的循环冷却水经循环冷却水给水管路14进入所述凝汽器4。
所述的一次热网回水还通过管路及安装在该管路上的第二阀门17与所述中温热泵6相连，经所述中温热泵6加热后的一次热网回水依次通过所述高温热泵7、所述电极加热装置8与所述蓄热装置9，所述蓄热装置9的出水经管路与一次热网供水管路18相连通。所述的一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第三阀门19与所述蓄热装置9相连。
所述的第一水-水换热器10所在的一次热网回水管路16上还安装有第二水-水换热器11。所述第二水-水换热器11通过管道连接第一水-水换热器10和第二高温热泵12。所述第二水-水热器11与第二高温热泵12相连。所述第二高温热泵12通过管路分别与用户供水和用户回水相连通。中间循环水作为高温热泵12的低温热源，将用户回水加热到所需的供水温度供终端用户。一次热网供水被输热到小区换热站，先通过第一水-水换热器10加热部分用户回水，再通过第二水-水换热器11加热中间循环水，最终放热降温到30℃后返回热电厂加热，完成循环。中间循环水作为高温热泵12的低温热源，将部分用户回水加热到所需的供水温度供终端用户。
本发明提供的供热系统的工作原理：
水在锅炉1中被加热成为高温高压水蒸气，进入所述汽轮机2中膨胀做功。所述汽轮机2末级排气进入所述凝汽器4中，被循环水冷却凝结后再返回所述锅炉1中重新加热，而得到热量的循环冷却水作为所述中温热泵6和所述高温热泵7的低温热源被利用。同时，从所述汽轮机2中抽取部分中温中压的蒸汽，通过汽-水换热器3将一次热网回水加热到130℃供出。
用电力驱动所述中温热泵6从循环冷却水中提取热量，将一次管网回水进行一级加热。再利用电力驱动所述高温热泵7从循环冷却水中提取热量，将一次管网回水进行二级加热。二级加热后的回水进入电极加热装置8中进行三级加热到所需温度后供出。该系统还配置一定容量的蓄热装置9，在谷电时段蓄热，峰电时段供热。
一次热网供水被输热到小区换热站，先通过第一水-水换热器10加热部分用户回水，再通过第二水-水换热器11加热中间循环水，最终放热降温到30℃后返回热电厂加热，完成循环。中间循环水作为第二高温热泵12的低温热源，将部分用户回水加热到所需的供水温度。
本发明以电力为一次能源，增大了谷电消纳量，为风电提供了上网空间。采用电蓄热系统，更好的适应风电的“波动性”。利用电力驱动，从循环冷却水中提取热量，将一次管网回水依次通过中温热泵6、第一高温热泵7、电极加热装置8加热到所需的供水温度。利用一次管网供水加热中间循环水，为小区热力站的第二高温热泵12提供低温热源。
本系统实质上是热电厂侧电加热系统与原有汽轮机抽汽加热系统并联设置，利用所述汽-水换热器3的加热过程和利用中温热泵6、高温热泵7、电极加热装置8的加热过程并联运行，通过电动调节阀控制高温热泵7和电极加热装置8两个加热过程的流量。热电厂侧电加热系统与原有汽轮机抽汽加热系统并联，通过电动调节阀控制流量，不影响原有系统的正常运行，创造出适合电压缩式热泵的应用场合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括与锅炉(1)相连的汽轮机(2)，由汽轮机(2)抽取的部分中温中压蒸汽通过管路与汽-水换热器(3)相连；一次热网回水经汽-水换热器(3)热交换后形成一次热网供水；一次热网供水经第一水-水换热器(10)与用户回水热交换后形成所述一次热网回水；所述的汽轮机(2)末级排气与凝汽器(4)相连并经所述凝汽器(4)冷却凝结成水后返回锅炉(1)中重新加热，其特征在于：还包括冷却塔(5)，所述的凝汽器(4)与所述冷却塔(5)相连构成循环回路，所述冷却塔(5)还通过循环冷却水回水管路(13)分别与中温热泵(6)和高温热泵(7)相连，从所述的凝汽器(4)出来的循环冷却水一部分进入所述冷却塔(5)，一部分通过循环冷却水回水管路(13)进入中温热泵(6)和高温热泵(7)；从所述中温热泵(6)和高温热泵(7)出来的循环冷却水经循环冷却水给水管路(14)与所述凝汽器(4)；所述的一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第二阀门(17)与中温热泵(6)相连，经所述中温热泵(6)加热后的一次热网回水依次通过第一高温热泵(7)、电极加热装置(8)、蓄热装置(9)后与一次热网供水管路(18)相连通。
2.根据权利要求1所述的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，其特征在于：所述的第一水-水换热器(10)的一次热网回水管路(18)上还安装有第二水-水换热器(11)；所述第二水-水换热器(11)通过管道连接第一水-水换热器(10)和第二高温热泵(12)；所述第二水-水换热器(11)与第二高温热泵(12)相连形成中间水循环，中间水循环的中间循环水作为高温热泵(12)的低温热源将部分用户回水加热到所需的供水温度供给终端用户。
3.根据权利要求1所述的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，其特征在于：所述的一次热网回水还通过管路及安装在管路上的第三阀门(19)与所述蓄热装置(9)相连。
4.根据权利要求1所述的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，其特征在于：所述的循环冷却水给水管路(14)安装有第一阀门(15)。
5.根据权利要求1所述的利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，其特征在于：所述的汽-水换热器(3)放热后凝结水经管道与锅炉(1)相连。
6.一种利用电压缩式热泵的大温差集中供热系统，包括与锅炉(1)相连的汽轮机(2)，由汽轮机(2)抽取的部分中温中压蒸汽通过管路与汽-水换热器(3)相连；一次热网回水经汽-水换热器(3)热交换后形成一次热网供水；一次热网供水经第一水-水换热器(10)与用户进水热交换后形成所述一次热网回水；其特征在于：一次热网回水所在的一次热网回水管路(18)上还安装有第二水-水换热器(11)，所述第二水-水换热器(11)通过管道连接第一水-水换热器(10)和第二高温热泵(12)；所述第二水-水换热器(11)与第二高温热泵(12)相连形成中间水循环，中间水循环的中间循环水作为高温热泵(12)的低温热源将部分用户回水加热到所需的供水温度供给终端用户。
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