CN110939973A - 一种梯度增温型大容量热泵供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度增温型大容量热泵供热系统，包括第一级蒸发换热器，第一级蒸发换热器通过管路与第一级压缩机连接，第一级压缩机通过管路与第一级前冷凝换热器连接，第一级前冷凝换热器通过管路与第一级后冷凝换热器连接，第一级后冷凝换热器与第一级蒸发换热器连接的管路上安装有第一级膨胀阀，第一级后冷凝换热器通过管路与第二级后冷凝换热器连接。本发明梯度增温型大容量热泵供热系统，多级热泵耦合串、并联梯次交错，协同工作增温供热，降低了平均供热温度，提高了供热效率，降低了单级热泵的压比，有利于采用大容量的离心式压缩机，可以应用于大容量热泵供热系统，便于利用蒸汽或烟气的低温余热。

Description

一种梯度增温型大容量热泵供热系统

技术领域

本发明涉及分布式供能系统中蒸汽压缩式热泵系统技术领域，具体为一种梯度增温型大容量热泵供热系统。

背景技术

电厂凝汽余热数量巨大却一直没有被有效利用，同时北方冬季热电负荷不平衡，供热负荷需求大，传统供热方式能源利用率低又污染严重，若是能将电厂余热用于集中供热，则可以做到一举两得。同时又随着我国城市化进程的不断推进，尤其在我国的北方城市，为了满足不断上升的供暖需求，满足新生住房的供热负荷需求，需要对旧有的供热系统进行扩容，但城市供热系统复杂，改造工程量大、工期长，难以满足快速增长的供能需求。此外，大量补充性的供热方式如区域锅炉房等普遍存在能量利用率不高和污染排放大等问题。目前普遍的供热方式之一是利用热电厂抽汽加热一次网回水供热，虽然热电联产方式实现了能量的梯级利用，系统热效率已经能达到80％，但这种方法直接将温度压力较高的高品位热量用于热网水的加热，仍然存在不小的不可逆损失，而且由于抽汽的影响，汽轮机的内效率会有一定程度的降低。抽气供热的另外一个显著问题是热电耦合效应显著，不利于电网的调峰控制。近年来，太阳能和风能等新能源的快速崛起更加剧了这一矛盾。由于电网首先需要消纳新能源发出的电能，因此火电厂的调峰任务将更加艰巨，这种矛盾在北方冬季供暖期有越来越激化的趋势。

对于有多台机组的火电厂，通过汽轮机改造使其排气背压逐渐升高，并利用不同温度的排汽冷凝余热梯次加热一次网回水可以有效降低供热温度，减少温差不可逆损失。我国古交市至太原市的长距离供热即采用此技术，相对于传统火电厂的抽汽加热，具有显著的节能效果。但此技术方案存在两个主要的问题：首先，仅适用于存在多台机组的火电厂，且在供热期间多台机组必须同时运行；其次，汽轮机高背压改造后，热电耦合的情况会更加严重。此外，吸收型热泵技术也用于供热，但在冬季供热高峰期，运行经济性往往不如直接采用抽气供热，且采用溴化锂热泵系统运行和维护成本高，阻碍了该技术在供热方面的应用。单级压缩式热泵也可以利用汽轮机排汽余热加热一次网回水，但由于温差较大，往往供热系数较低且压比较大，不能采用大容量的离心式压缩机，供热容量受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度增温型大容量热泵供热系统，多级热泵耦合串、并联梯次交错，协同工作增温供热，降低了平均供热温度，提高了供热效率，降低了单级热泵的压比，有利于采用大容量的离心式压缩机，可以应用于大容量热泵供热系统，便于利用蒸汽或烟气的低温余热，可以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种梯度增温型大容量热泵供热系统，包括第一级蒸发换热器，所述第一级蒸发换热器通过管路与第一级压缩机连接，所述第一级压缩机通过管路与第一级前冷凝换热器连接，所述第一级前冷凝换热器通过管路与第一级后冷凝换热器连接，所述第一级后冷凝换热器与第一级蒸发换热器连接的管路上安装有第一级膨胀阀，所述第一级后冷凝换热器通过管路与第二级后冷凝换热器连接，所述第二级后冷凝换热器与第二级蒸发换热器连接的管路上安装有第二级膨胀阀，所述第二级蒸发换热器通过管路与第二级压缩机连接，所述第二级压缩机通过管路与第二级前冷凝换热器连接，所述第二级前冷凝换热器通过管路与第二级后冷凝换热器连接，所述第二级后冷凝换热器通过管路与第三级冷凝换热器连接，所述第三级冷凝换热器与第三级蒸发换热器连接的管路上安装有第三级膨胀阀，所述第三级蒸发换热器通过管路与第三级压缩机连接，所述第三级压缩机通过管路与第三级冷凝换热器连接，所述第三级冷凝换热器通过管路与第四级冷凝换热器连接，所述第四级冷凝换热器与第四级蒸发换热器连接的管路上安装有第四级膨胀阀，所述第四级蒸发换热器通过管路与第四级压缩机连接，所述第四级压缩机通过管路与第四级冷凝换热器连接，所述第四级冷凝换热器还通过管路与抽汽加热器连接。

优选的，所述抽汽加热器通过管路与第四级前蒸发换热器连接，所述第四级前蒸发换热器通过管路与第三级前蒸发换热器连接。

优选的，所述第二级前冷凝换热器通过管路与第四级前蒸发换热器连接，所述第四级前蒸发换热器通过管路与第四级蒸发换热器连接，所述第四级蒸发换热器通过管路与第二级前冷凝换热器连接。

优选的，所述第三级前蒸发换热器通过管路与第三级蒸发换热器连接，所述第三级蒸发换热器通过管路与第一级前冷凝换热器连接，所述第一级前冷凝换热器通过管路与第三级前蒸发换热器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明梯度增温型大容量热泵供热系统，使用四级热泵加热，通过各级冷凝换热器以及抽汽加热器加热以实现各级热泵进出口水温达到给定值，并准确选取各级热泵温位工作区间的对应COP最大的最佳配比的混合工质，实现最佳供热效率并缓解热电耦合矛盾，在变工况时，系统的各个性能参数相较于额定工况最佳参数虽有所下降，但仍具备良好的负荷适应性，用于梯次加热一次网供热热水，降低一次网水的平均吸热温差，提高热电厂的供热效率同时缓解热电耦合矛盾，多级热泵耦合串、并联梯次交错，协同工作增温供热，降低了平均供热温度，提高了供热效率，降低了单级热泵的压比，有利于采用大容量的离心式压缩机，可以应用于大容量热泵供热系统，便于利用蒸汽或烟气的低温余热。

附图说明

图1为本发明的梯度增温型大容量热泵供热系统的示意图。

图中：1、第一级蒸发换热器；2、第一级压缩机；3、第一级前冷凝换热器；4、第一级后冷凝换热器；5、第一级膨胀阀；6、第二级蒸发换热器；7、第二级压缩机；8、第二级前冷凝换热器；9、第二级后冷凝换热器；10、第二级膨胀阀；11、第三级蒸发换热器；12、第三级压缩机；13、第三级冷凝换热器；14、第三级膨胀阀；15、第四级蒸发换热器；16、第四级压缩机；17、第四级冷凝换热器；18、第四级膨胀阀；19、抽汽加热器；20、第四级前蒸发换热器；21、第三级前蒸发换热器。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

参阅图1，一种梯度增温型大容量热泵供热系统，包括第一级蒸发换热器1，第一级蒸发换热器1通过管路与第一级压缩机2连接，第一级压缩机2通过管路与第一级前冷凝换热器3连接，第一级前冷凝换热器3通过管路与第一级后冷凝换热器4连接，第一级后冷凝换热器4与第一级蒸发换热器1连接的管路上安装有第一级膨胀阀5，第一级后冷凝换热器4通过管路与第二级后冷凝换热器9连接，第二级后冷凝换热器9与第二级蒸发换热器6连接的管路上安装有第二级膨胀阀10，第二级蒸发换热器6通过管路与第二级压缩机7连接，第二级压缩机7通过管路与第二级前冷凝换热器8连接，第二级前冷凝换热器8通过管路与第四级前蒸发换热器20连接，第四级前蒸发换热器20通过管路与第四级蒸发换热器15连接，第四级蒸发换热器15通过管路与第二级前冷凝换热器8连接，第二级前冷凝换热器8通过管路与第二级后冷凝换热器9连接，第二级后冷凝换热器9通过管路与第三级冷凝换热器13连接，第三级冷凝换热器13与第三级蒸发换热器11连接的管路上安装有第三级膨胀阀14，第三级蒸发换热器11通过管路与第三级压缩机12连接，第三级压缩机12通过管路与第三级冷凝换热器13连接，第三级冷凝换热器13通过管路与第四级冷凝换热器17连接，第四级冷凝换热器17与第四级蒸发换热器15连接的管路上安装有第四级膨胀阀18，第四级蒸发换热器15通过管路与第四级压缩机16连接，第四级压缩机16通过管路与第四级冷凝换热器17连接，第四级冷凝换热器17还通过管路与抽汽加热器19连接，抽汽加热器19通过管路与第四级前蒸发换热器20连接，第四级前蒸发换热器20通过管路与第三级前蒸发换热器21连接，第三级前蒸发换热器21通过管路与第三级蒸发换热器11连接，第三级蒸发换热器11通过管路与第一级前冷凝换热器3连接，第一级前冷凝换热器3通过管路与第三级前蒸发换热器21连接。

流量与温度的选择，各参数状态点见表1，

表1各级热泵的进出口水温及流量表示

表2系统初始温度分配

在吸收式换热机组的基础上设计，因此一次网回水取25℃，压缩式热泵能加热到的最高温度受压缩机影响，为了保证压缩机的高效和安全运行，取一次网出口水温85℃，为了保证汽轮机效率较高且维持稳定，tx8应取得尽量低，但tx8太低又会导致第一级热泵蒸发压力过低，压比过大，COP降低，两相权衡下tx8取为19℃，同理，tx9取为30℃。

由于现实中大多数热源换热时温度会发生改变，本系统利用非共沸混合物工质，在两相区内定压相变时温度会发生改变这种现象，使工质和热源的温度变化趋势一致，减小平均换热温差，进而减少不可逆损失，与此同时，又由于四级热泵系统的每级热泵均处于不同的高低温热源，本系统对每级热泵使用匹配相同温位的不同非共沸混合物工质，以此来提高整个系统的性能。

变工况即一次网回水温度升高时，系统COP略有下降，但压缩机耗电量也会下降，同时压缩机排气量下降。

通过对本系统在不同配比下最佳温度分配时系统性能、同种混合物每级热泵不同配比、相变温度滑移对混合物系统COP的影响这3方面进行分析研究后，最终筛选出的最佳混合工质及其额定工况下详细参数列于表3。

表3适合本系统的最佳混合工质及额定工况下各个参数

工作原理：第一级蒸发换热器1吸收一部分循环水的热量，通过第一级热泵系统的第一级前冷凝换热器3加热一部分循环水，这部分被加热的循环水再次被抽汽在第三级前蒸发换热器21中加热后作为第三级热泵系统的热源，通过第一级加热系统的第一级后冷凝换热器4将一次网水的温度由t1加热至t2，第二级热泵系统的低温热源为部分循环水，第二级热泵循环水被第二级前冷凝换热器8加热并经过抽汽在第四级前蒸发换热器20中加热作为第四级热泵系统的低温热源，一次网水经第二级热泵加热系统的第二级后冷凝换热器9被加热至t3，第三级热泵通过第三级冷凝换热器13将一次网水的温度进一步提高至t4，进而，第四级热泵通过第四级冷凝换热器17将一次网水的温度进一步提高至t5，经由抽汽加热器19，一次网水的温度由t5进一步提高至供热温度。

一次网水经过四级热泵加热后，温度从t1上升到t5，再在第一级抽汽加热器19中从t5被加热到t6，抽汽则从tc1降温到tc2，第一级热泵低温热源为流量为q1，进出口温度为tx1和tx8的循环冷却水，高温热源有两部分，其一为一次网回水，其二为流量为q3，进出口温度为tx5和tx2的循环冷却水，这部分循环冷却水同时也作为第三级热泵的低温热源；第二级热泵低温热源为流量为q2，进出口温度为tx1和tx9的循环冷却水，高温热源有两部分，其一为一次网回水，其二为流量为q4，进出口温度为tx7和tx3的循环冷却水，这部分循环冷却水同时也作为第四级热泵的低温热源，第一、二级热泵低温热源出口的循环冷却水汇合后温度为tx10，进入凝汽器去冷却排汽；第三级热泵低温热源为流量为q3，进出口温度为tx4和tx5的循环冷却水，高温热源为一次网回水，低温热源的循环冷却水在进入第三级蒸发换热器11之前，先在第三级前蒸发换热器21中被抽汽从tx2被加热到tx4，抽汽则从tc3降温到tc4；第四级热泵低温热源为流量为q4，进出口温度为tx6和tx7的循环冷却水，高温热源为一次网回水，低温热源的循环冷却水在进入第四级蒸发换热器15之前，先在第四级前蒸发换热器20中被抽汽从tx3被加热到tx6，抽汽则从tc2降温到tc3。

综上所述，本发明梯度增温型大容量热泵供热系统，使用四级热泵加热，通过各级冷凝换热器以及抽汽加热器19加热以实现各级热泵进出口水温达到给定值，并准确选取各级热泵温位工作区间的对应COP最大的最佳配比的混合工质，实现最佳供热效率并缓解热电耦合矛盾，在变工况时，系统的各个性能参数相较于额定工况最佳参数虽有所下降，但仍具备良好的负荷适应性，用于梯次加热一次网供热热水，降低一次网水的平均吸热温差，提高热电厂的供热效率同时缓解热电耦合矛盾，多级热泵耦合串、并联梯次交错，协同工作增温供热，降低了平均供热温度，提高了供热效率，降低了单级热泵的压比，有利于采用大容量的离心式压缩机，可以应用于大容量热泵供热系统，便于利用蒸汽或烟气的低温余热。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

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 (4)

1.一种梯度增温型大容量热泵供热系统，包括第一级蒸发换热器(1)，其特征在于：所述第一级蒸发换热器(1)通过管路与第一级压缩机(2)连接，所述第一级压缩机(2)通过管路与第一级前冷凝换热器(3)连接，所述第一级前冷凝换热器(3)通过管路与第一级后冷凝换热器(4)连接，所述第一级后冷凝换热器(4)与第一级蒸发换热器(1)连接的管路上安装有第一级膨胀阀(5)，所述第一级后冷凝换热器(4)通过管路与第二级后冷凝换热器(9)连接，所述第二级后冷凝换热器(9)与第二级蒸发换热器(6)连接的管路上安装有第二级膨胀阀(10)，所述第二级蒸发换热器(6)通过管路与第二级压缩机(7)连接，所述第二级压缩机(7)通过管路与第二级前冷凝换热器(8)连接，所述第二级前冷凝换热器(8)通过管路与第二级后冷凝换热器(9)连接，所述第二级后冷凝换热器(9)通过管路与第三级冷凝换热器(13)连接，所述第三级冷凝换热器(13)与第三级蒸发换热器(11)连接的管路上安装有第三级膨胀阀(14)，所述第三级蒸发换热器(11)通过管路与第三级压缩机(12)连接，所述第三级压缩机(12)通过管路与第三级冷凝换热器(13)连接，所述第三级冷凝换热器(13)通过管路与第四级冷凝换热器(17)连接，所述第四级冷凝换热器(17)与第四级蒸发换热器(15)连接的管路上安装有第四级膨胀阀(18)，所述第四级蒸发换热器(15)通过管路与第四级压缩机(16)连接，所述第四级压缩机(16)通过管路与第四级冷凝换热器(17)连接，所述第四级冷凝换热器(17)还通过管路与抽汽加热器(19)连接。

2.根据权利要求1所述的一种梯度增温型大容量热泵供热系统，其特征在于：所述抽汽加热器(19)通过管路与第四级前蒸发换热器(20)连接，所述第四级前蒸发换热器(20)通过管路与第三级前蒸发换热器(21)连接。

3.根据权利要求1所述的一种梯度增温型大容量热泵供热系统，其特征在于：所述第二级前冷凝换热器(8)通过管路与第四级前蒸发换热器(20)连接，所述第四级前蒸发换热器(20)通过管路与第四级蒸发换热器(15)连接，所述第四级蒸发换热器(15)通过管路与第二级前冷凝换热器(8)连接。

4.根据权利要求1所述的一种梯度增温型大容量热泵供热系统，其特征在于：所述第三级前蒸发换热器(21)通过管路与第三级蒸发换热器(11)连接，所述第三级蒸发换热器(11)通过管路与第一级前冷凝换热器(3)连接，所述第一级前冷凝换热器(3)通过管路与第三级前蒸发换热器(21)连接。

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