CN109882910B - 一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，通过耦合热泵和热管换热器实现降低一次网热水回水温度之目的，并且和蓄热装置联用实现平衡城市电网负荷峰谷差的作用。耦合性热泵热力站在城市电网负荷高峰期和低谷期采用不同的一次网热水流程，并可在运行过程中改变二次网冷水被加热的方式，并且配备运行调节装置，可在整个采暖季运行过程中根据大气温度自动改变二次网冷水的流量分配实现系统高效运行。

Description

一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站

技术领域

本发明属于暖通空调领域，特别是涉及一种集中供热一次网与二次网进行深度热量交换的热力站，在实现热量交换同时实现电力调峰的目的。

背景技术

我国北方的供热方式主要有集中供热和分散供热方式，集中供热方式通常以热电厂、锅炉或者工业余热废热为热源，相比分散供热方式具有更显著的节能减排效果，因此集中供热方式成为我国北方的主要供热方式。在集中供热系统中，热力站作为核心装置被广泛使用，来自热源的一次网热水与来自用户的二次网冷水进行换热，目前热力站通常使用板式换热器进行换热，而由于板式换热器需要必须的换热端差，因此一次网热水出口温度只能显著高于二次网冷水入口温度。如果需要在热力站显著的把一次网出口温度显著的降低到低于二次网入口温度的水平，则需要借助热泵等装置。

公开号CN105276653A公布了一种名为“一种集成吸收式热泵和电动热泵的换热机组及方法”，一次侧管(热水侧)依次经过吸收式热泵的发生器、水水换热器、吸收式热泵蒸发器和电动热泵蒸发器，二次侧管(冷水侧)采用并联或者串联方式进入电动热泵冷凝器、吸收式热泵吸收器和冷凝器以及水水换热器，该专利中吸收式热泵和电动热泵为两套独立的热泵系统，仅通过热泵外部的热水和冷水管路进行串联或者并联实现热水和冷水的换热过程。该专利虽然可以实现热水的出口温度低于冷水入口温度的目的，但是吸收式热泵与电动热泵内部没有换热过程，由于每次一次网和二次网的换热过程都存在换热的不可逆损失，所以系统的总损较大。本申请提出了一种新型基于吸收式循环和压缩式循环的耦合热泵型热力站系统，并且配置有蓄热装置，显著的减少了系统的总/>损和热力站运行费，并对城市电网调峰产生有益效果。本申请所述系统与该对比文件的显著性区别在于：(1)吸收式循环的蒸发器与压缩式循环的冷凝器直接进行换热，而不是分别与一次水和二次水进行换热，因此电动热泵的冷凝温度大幅度下降，在相同的一次网出口温度时压缩式循环性能大幅度提升，进而显著的减少该系统的耗电量；(2)耦合热泵与蓄热装置联合运行，依据城市电网的峰谷期采用不同的一次网热水流程，实现换热同时对平衡城市电网负荷峰谷期产生有益效果；(3)在运行过程中，可根据气候条件改变二次网冷水的流量分配，进而实现整个采暖季不同时间段系统耗电量实时最低之目的。

发明内容

该发明提出了一种基于耦合热泵和蓄热装置的热力站系统，采用创造性流程显著降低集中供热系统一次网热水出口温度并且起到城市电网调峰的作用。在该热力站中，吸收式热泵与电动热泵耦合为一个热泵，相比吸收式热泵与电动热泵独立方式显著的减少了一次网热水的降温过程不可逆损失，进而在相同的一次网和二次网供回水温度下显著的降低热力站的耗电量。同时，采用蓄热装置在城市电网峰谷期采用不同的运行方式实现电力调峰的目的。此外，该系统可根据气候条件自动调节二次网冷水的流量分配实现系统性能最优。

一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、热管换热器9、节流装置12、节流装置13、溶液换热器14、蓄热装置15、溶液泵16、制冷剂循环泵17、增压泵18、阀门19、阀门20、阀门21、阀门22、阀门23、阀门24、阀门25、阀门26、阀门27、阀门28、气候调节器29及连接管路组成。其内部循环工质由吸收剂、制冷剂A和制冷剂B组成，其中吸收剂与制冷剂A组成溶液工质对。

一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，采用耦合热泵与蓄热装置联合运行的方式，在城市电网峰谷期采用两种运行方式实现平衡城市电网峰谷差的目的。在城市电网低谷期，开启电动压缩机11，蒸发器10同时给来自热管换热器9的一次网热水和蓄热装置15的热水降温；在城市电网高峰期，关闭电动压缩机11，来自热管换热器9的一次网热水进入蓄热装置15，蓄热装置15储存的冷水进入一次网回水管路。

该系统流程由耦合热泵循环、一次网热水放热过程和二次网冷水吸热过程构成。

所述耦合热泵循环，发生器5与溶液换热器14和冷凝器6相连，一次网热水在发生器5中加热稀溶液，稀溶液沸腾变成浓溶液，同时产生制冷剂A蒸汽进入冷凝器6。

所述耦合热泵循环，吸收器7与溶液换热器14和蒸发冷凝器8相连，浓溶液吸收制冷剂A蒸汽过程释放的热量用于加热二次网冷水，同时浓溶液变成稀溶液后离开吸收器7。

所述耦合热泵循环，冷凝器6与发生器5和节流装置12相连，来自发生器5的制冷剂A蒸汽被二次网冷水冷却后变成液态，然后离开冷凝器6进入节流装置12，冷凝过程释放的热量用以加热二次网冷水。

所述耦合热泵循环，蒸发冷凝器8与吸收器7、电动压缩机11、节流装置12和节流装置13相连，制冷剂A经过节流装置12后减温减压，然后经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面，同时经过电动压缩机11压缩的制冷剂B蒸汽在水平传热管管内流动，由于制冷剂B蒸汽温度高于制冷剂A，制冷剂B蒸汽冷凝和制冷剂A蒸汽蒸发过程同时进行，汽态制冷剂A离开蒸发冷凝器8后进入吸收器7，液态制冷剂B离开蒸发冷凝器8后进入节流装置13。

所述耦合热泵循环，蒸发器10与电动压缩机11和节流装置13相连，液态制冷剂B被一次网热水加热蒸发，汽态的制冷剂B进入电动压缩机11。

所述一次网热水放热过程依据城市电网峰谷期采用两种运行方式在运行过程中切换，通过阀门19、阀门20、阀门21、阀门22和增压泵18的开关进行切换。

所述二次网冷水吸热过程由三种组合方式可以在运行过程中自由切换，通过阀门23、阀门24、阀门25、阀门26、阀门27和阀门28的开关组合可以切换二次网冷水被加热的方式。

所述一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，在二次网冷水并联进入耦合热泵和热管换热器9的运行模式下，其中气候调节器29可在整个采暖季不同大气温度下，依照预设的运行控制策略控制阀门25和阀门26的开度，改变二次网冷水在耦合热泵和热管换热器9的吸热量，并改变耦合热泵的运行工况，进而实现在采暖季不同时间该热力站系统性能最优的运行工况。

所述一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，热管换热器9实现一次网热水与二次网冷水的换热过程，采用热管换热器9实现一次网热水出口与二次网冷水入口的小端差换热目的。

所述一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，各组成部分原理及运行方式如下：

(1)耦合热泵循环

耦合热泵循环包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、节流装置12、节流装置13及连接管路组成。发生器5实现稀溶液被加热沸腾产生制冷剂A蒸汽并变成浓溶液的过程，来自吸收器7的稀溶液经过溶液换热器14后进入发生器5，稀溶液经过喷嘴喷淋在水平传热管的外部，自上而下的流动过程中被加热浓缩并产生制冷剂A蒸汽，浓溶液离开发生器5后经溶液换热器14后进入吸收器7。浓溶液在吸收器7中经过喷嘴喷淋在水平传热管的外壁面，自上而下的流动过程中吸收来自蒸发冷凝器8水平管外空间的制冷剂A蒸汽变成稀溶液后离开吸收器7。发生器5产生的制冷剂A蒸汽在冷凝器6的水平管外空间冷凝成为液态，液态制冷剂A离开冷凝器6后经过节流装置12后进入蒸发冷凝器8经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面被加热变成制冷剂A蒸汽后离开蒸发冷凝器8再进入吸收器7；同时经过电动压缩机11被压缩后的制冷剂B蒸汽在蒸发冷凝器8的水平管内空间被冷却后变成液态，液态制冷剂B离开蒸发冷凝器8后经过节流装置13后进入蒸发器10，液态制冷剂B经过喷嘴喷淋在水平管管外空间被加热变成汽态，汽态制冷剂B离开蒸发器10后进入电动压缩机11被压缩后进入蒸发冷凝器8。

(2)一次网热水放热过程

一次网热水的放热过程依据当前城市电网负荷高峰期或低谷期采用两种运行方式：

①在城市电网负荷高峰期，该系统关闭电动压缩机11停止耗电，阀门19和阀门22关闭，阀门20和阀门21开启，增压泵18关闭，离开热管换热器9的一次网热水进入蓄热装置15，蓄热装置15中所储存的冷水进入一次网回水管路，该运行模式下实现即时关闭电动压缩机11也实现该热力站较低的一次网热水出口温度。

②在城市电网低谷期，该系统开启电动压缩机11，阀门21关闭，阀门19、阀门20和阀门22开启，增压泵18开启，离开热管换热器9的一次网热水与离开蓄热装置15的热水汇合后进入蒸发器10，离开蒸发器10的一次网热水被分成两路，一路进入蓄热装置15，其流量等于离开蓄热装置15的热水流量；

其它一次网热水进入一次网回水管路。

(3)二次网冷水吸热过程

在该系统运行过程中，可以通过阀门23、阀门24、阀门25、阀门26、阀门27和阀门28的开关状态切换实现不同的换热过程。三种换热方式分别为：

①阀门23、阀门25和阀门27开启，同时阀门24、阀门26和阀门28关闭，二次网冷水依次串联经过吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间和热管换热器9被逐级加热；

②阀门24、阀门26和阀门28开启，同时阀门23、阀门25和阀门27关闭，二次网冷水依次串联经过热管换热器9、吸收器7的水平管内空间、冷凝器6的水平管内空间被逐级加热；

③阀门23、阀门25、阀门26、阀门28开启，同时阀门24和阀门27关闭，二次网冷水同时并联进入耦合热泵和热管换热器9被分别加热后再汇合离开热力站。

在该运行模式下，气候调节器29根据当前大气温度，给出控制信号改变阀门25和阀门26各自的开度控制二次网冷水的流量分配。在整个采暖季运行过程中，大气温度会产生显著变化，通过改变二次网冷水进耦合热泵的流量实现该热力站系统变工况下耗电量最低。

所前所述，耦合热泵循环的内部工作介质由吸收剂、制冷剂A和制冷剂B组成，其中制冷剂A与制冷剂B可以采用相同介质或采用不同介质。吸收剂与制冷剂A的组合可以选择无机盐-水、无机盐-醇类、氨类-水或者沸点不同的两种氟利昂。

附图说明

图1是一种耦合热泵型热力站。

附图标记：

1-一次网入口，2-一次网出口，3-二次网入口，4-二次网出口，5-发生器，6-冷凝器，7-吸收器，8-蒸发冷凝器，9-热管换热器，10-蒸发器，11-电动压缩机，12-节流装置，13-节流装置，14-溶液换热器，15-蓄热装置，16-溶液泵，17-制冷剂循环泵，18-增压泵，19-阀门，20-阀门，21-阀门，22-阀门，23-阀门，24-阀门，25-阀门，26-阀门，27-阀门，28-阀门，29-气候调节器

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以耦合热泵内部循环工质为：吸收剂为二甲醚四甘醇(DMETEG)，制冷剂A和制冷剂B均为三氟二氯乙烷(R123)。该系统运行原理及方式如下：

耦合热泵循环包括发生器5、冷凝器6、吸收器7、蒸发冷凝器8、蒸发器10、电动压缩机11、节流装置12、节流装置13及连接管路组成。发生器5实现稀溶液被加热沸腾产生三氟二氯乙烷蒸汽并变成浓溶液的过程，来自吸收器7的稀溶液经过溶液换热器14后进入发生器5，稀溶液经过喷嘴喷淋在水平传热管的外部，自上而下的流动过程中被加热浓缩并产生三氟二氯乙烷蒸汽，浓溶液离开发生器5后经溶液换热器14后进入吸收器7。浓溶液在吸收器7中经过喷嘴喷淋在水平传热管的外壁面，自上而下的流动过程中吸收来自蒸发冷凝器8水平管外空间的三氟二氯乙烷蒸汽变成稀溶液后离开吸收器7。发生器5产生的三氟二氯乙烷蒸汽在冷凝器6的水平管外空间冷凝成为液态，液态三氟二氯乙烷离开冷凝器6后经过节流装置12后进入蒸发冷凝器8经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面被加热变成三氟二氯乙烷蒸汽后离开蒸发冷凝器8再进入吸收器7；同时经过电动压缩机11被压缩后的三氟二氯乙烷蒸汽在蒸发冷凝器8的水平管内空间被冷却后变成液态，液态三氟二氯乙烷离开蒸发冷凝器8后经过节流装置13后进入蒸发器10，液态三氟二氯乙烷经过喷嘴喷淋在水平管管外空间被加热变成汽态，汽态三氟二氯乙烷离开蒸发器10后进入电动压缩机11被压缩后进入蒸发冷凝器8。

一次网热水的放热过程依据当前城市每天电网负荷高峰期或低谷期采用两种运行方式相互切换：

①在城市电网负荷高峰期，该系统关闭电动压缩机11停止耗电，阀门19和阀门22关闭，阀门20和阀门21开启，增压泵18关闭，离开热管换热器9的一次网热水进入蓄热装置15，蓄热装置15中所储存的冷水进入一次网回水管路，该运行模式下实现即时关闭电动压缩机11也实现该热力站较低的一次网热水出口温度。

②在城市电网低谷期，该系统开启电动压缩机11，阀门21关闭，阀门19、阀门20和阀门22开启，增压泵18开启，离开热管换热器9的一次网热水与离开蓄热装置15的热水汇合后进入蒸发器10，离开蒸发器10的一次网热水被分成两路，一路进入蓄热装置15，其流量等于离开蓄热装置15的热水流量；

其它一次网热水进入一次网回水管路。

在该系统运行过程中，阀门23、阀门25、阀门26、阀门28开启，同时阀门24和阀门27关闭，二次网冷水同时并联进入耦合热泵和热管换热器9被分别加热后再汇合离开热力站。气候调节器29根据当前大气温度，给出控制信号改变阀门25和阀门26各自的开度控制二次网冷水的流量分配。一种控制方法为：相比设定的供热标准室外温度，当大气温度升高时，增加阀门25开度，并降低阀门26开度，增加耦合热泵流量和减小热管换热器9的流量；当大气温度降低时，降低阀门25开度，并增加阀门26开度，减小耦合热泵流量和增加热管换热器9的流量。在整个采暖季运行过程中，通过改变二次网冷水进耦合热泵的流量实现该热力站系统变工况下耗电量最低。

最后需要指出的是：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。

Claims (5)

1.一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其特征在于：该系统包括发生器（5）、冷凝器（6）、吸收器（7）、蒸发冷凝器（8）、蒸发器（10）、电动压缩机（11）、热管换热器（9）、节流装置（12）、节流装置（13）、溶液换热器（14）、蓄热装置（15）、溶液泵（16）、制冷剂循环泵（17）、增压泵（18）、阀门（19）、阀门（20）、阀门（21）、阀门（22）、阀门（23）、阀门（24）、阀门（25）、阀门（26）、阀门（27）、阀门（28）、气候调节器（29）及连接管路组成；

所述耦合热泵循环，发生器（5）与溶液换热器（14）和冷凝器（6）相连，稀溶液被一次网热水加热产生制冷剂A蒸汽；

所述耦合热泵循环，吸收器（7）与溶液换热器（14）和蒸发冷凝器8相连，浓溶液吸收制冷剂A蒸汽过程释放的热量用于加热二次网冷水；

所述耦合热泵循环，冷凝器（6）与发生器（5）和节流装置（12）相连，制冷剂A蒸汽被二次网冷水冷却后变成液态释放热量加热二次网冷水；

所述耦合热泵循环，蒸发冷凝器8与吸收器7、电动压缩机（11）、节流装置（12）和节流装置（13）相连，实现制冷剂A蒸发过程和制冷剂B冷凝过程；

所述耦合热泵循环，蒸发器（10）与电动压缩机（11）和节流装置（13）相连，液态制冷剂B被一次网热水加热实现蒸发过程；

所述一次网热水放热过程依据城市电网高峰期或低谷期采用两种运行方式在运行过程中切换，两种运行方式为：

①在城市电网负荷高峰期，关闭电动压缩机（11），阀门（19）和阀门（22）关闭，阀门（20）和阀门（21）开启，增压泵（18）关闭，离开热管换热器（9）的一次网热水进入蓄热装置（15），蓄热装置（15）中所储存的冷水进入一次网回水管路，在此运行方式中一次网热水依次先后经过发生器（5）、热管换热器（9）和蓄热装置（15）进行换热；

②在城市电网负荷低谷期，开启电动压缩机（11），阀门（21）关闭，阀门（19）、阀门（20）和阀门（22）开启，增压泵（18）开启，离开热管换热器（9）的一次网热水与离开蓄热装置（15）的热水汇合后进入蒸发器（10），在此运行方式中一次网热水依次先后经过发生器（5）和热管换热器（9）和蒸发器（10）进行换热，离开蒸发器（10）的一次网热水被分成两路，部分进入蓄热装置（15）进行换热，其余一次网热水进入一次网出口（2）；

二次网冷水吸热过程可在运行过程中实现三种不同的方式，分别为：

①阀门（23）、阀门（25）和阀门（27）开启，同时阀门（24）、阀门（26）和阀门（28）关闭，在此运行方式中二次网冷水依次先后串联经过吸收器（7）、冷凝器（6）和热管换热器（9）进行换热；

②阀门（24）、阀门（26）和阀门（28）开启，同时阀门（23）、阀门（25）和阀门（27）关闭，在此运行方式中二次网冷水依次串联经过热管换热器（9）、吸收器（7）和冷凝器（6）进行换热；

③阀门（23）、阀门（25）、阀门（26）、阀门（28）开启，同时阀门（24）和阀门（27）关闭，在此运行方式中二次网冷水分为两路，部分二次网冷水依次先后经过吸收器（7）和冷凝器（6）进行换热，其余二次网冷水经过热管换热器（9）进行换热后，两路二次网冷水汇合进入二次网出口（4）；气候调节器（29）根据当前气温改变阀门（25）和阀门（26）各自的开度控制二次网冷水流量分配。

2.根据权利要求1所述的一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其特征在于：在城市电网的高峰期和低谷期采用不同的一次网热水降温流程。

3.根据权利要求1所述的一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其特征在于：在运行过程中，可以根据大气温度自动调节二次网冷水进入耦合热泵及热管换热器的流量分配，用以实现系统性能最优。

4.根据权利要求1所述的一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其特征在于：蒸发冷凝器（8）采用水平管内外双侧相变传热方式，制冷剂A经过喷嘴喷淋在水平传热管外表面完成蒸发过程，同时制冷剂B蒸汽在水平传热管管内流动完成冷凝过程。

5.根据权利要求1所述的一种实现电力调峰的耦合热泵型热力站，其特征在于：耦合热泵内部吸收剂和制冷剂A组成溶液对；吸收剂与制冷剂A的组合可以选择无机盐-水、无机盐-醇类、氨类-水或者沸点不同的两种氟利昂，制冷剂B可以与制冷剂A相同。