CN112729882B - 一种高温热泵型蒸汽发生机组性能评价方法与测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温热泵应用评价领域，具体是涉及一种高温热泵型蒸汽发生机组性能的评价方法和测试装置。测试装置利用水位传感器检测闪蒸器内水位，并通过与闪蒸器高温热水回水管路相连的流量调节阀开度保证闪蒸器内水位恒定，流量计用于统计闪蒸器的补水量，补水量即机组蒸汽发生量；评价方法以蒸汽发生效率η为评价指标，蒸汽发生效率η为蒸汽发生机组输出的蒸汽质量流量除以机组低品位热源输入量与压缩机消耗功率Pc及高温水泵消耗功率Pp之和所得的比值。本发明提出的蒸汽发生机组性能测试装置适用于提取各类工业余热、可产生超过100℃高温蒸汽的高温热泵型蒸汽发生机组的性能检测中。

Description

一种高温热泵型蒸汽发生机组性能评价方法与测试装置
技术领域
本发明属于高温热泵应用评价领域，具体是涉及一种高温热泵型蒸汽发生机组性能的评价方法和测试装置。
技术背景
节能减排已成为整个社会的共同任务。作为一种新型的工业余热回收技术，基于压缩式制冷循环的高温热泵型蒸汽发生机组，可充分利用地热水、工业余废热等低品位的热源，补充消耗一定的电能来获取高温蒸汽(超过100℃)，可应用于城市供暖、畜牧业深加工、化工气体加热等重点领域，尤其适合应用于同时具有余热资源和蒸汽需求的企业。
现有技术中高温热泵型蒸汽发生机组结构示意如本申请说明书附图图1所示，其利用压缩式制冷循环原理是，通过在蒸发器54侧通过热源水进水管56和热源水出水管57中的水作为工作介质提取外部低品位热源中的热量，压缩机51做功消耗一定的电能，压缩机组中循环流动中的制冷剂，在冷凝器52侧对外输出热量，传递输送到高温热水出水管11产生高温热水。机组使用侧高温高压的热水进入经过出水管节流阀111后输送到机组末端设备闪蒸器10节流闪蒸输出蒸汽，蒸汽经蒸汽出口管路13排出，以满足工艺应用需求；同时闪蒸器10底部余下的大量饱和水再回到经过高温热水回水管路14流经高温水泵55循环回到机组冷凝器52。闪蒸器10外接补水管路12进行机组的实时补水。
作为高温热泵应用领域的一类新兴产品，客观地提出产品性能测试评价指标、实现其性能的有效检测显得尤为重要。蒸汽发生量作为高温热泵型蒸汽发生机组的重要部分，主要由闪蒸气模块产生，在机组实际运行时，闪蒸器模块的工作状态受机组运行工况和闪蒸器筒体内部结构设计对于汽液分离效果的影响，蒸汽出口管路发生出的饱和蒸汽带液量会在一定范围内变化，故难以通过流量计仪表直接准确计量蒸汽出口管路的蒸汽流量。因此，现有技术对于该类产品的蒸汽发生量的计量往往使用称重法进行评价，即测量补水量后，对单位时间内蒸汽出口管路排出中的蒸汽带水量进行称重，以二者差值作为机组的有效蒸汽发生量。该方案不能实时反映机组的蒸汽发生状态，并且由于增加了计量称重环节，认为干扰大，不仅导致测得的蒸汽发生量误差大，也使得机组性能的测试结果可信度差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的目的之一在于提供了一种高温热泵型蒸汽发生机组性能评价测试装置，其以蒸汽发生效率η作为评价的量化指标，可以实时准确计算出蒸汽发生机组蒸汽发生量Mg。
本发明采用了以下技术方案：
一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置，该装置安装在蒸汽发生机组闪蒸器上，包括设置在闪蒸器补水管路上的流量计和调节闪蒸器内液体高度的液体控制器，所述液体控制器包括水位传感器和流量调节阀，所述水位传感器用于检测闪蒸器内的水位，且通过检测并控制与闪蒸器高温热水回水管路相连的流量调节阀的开度来调节闪蒸器内的水位，所述流量计用于统计闪蒸器的补水量。
优选的，所述液体控制器还包括与闪蒸器本体连接的液面高度显示器，所述液面高度显示器内部具有容纳液体的空间，所述液面高度显示器通过连接管与闪蒸器形成连通器，所述水位传感器设置在所述液面高度显示器的内部液面上方。
优选的，所述连接管包括上连接管和下连接管，所述上连接管连接闪蒸器和液面高度显示器液面上部空间，所述下连接管连接闪蒸器和液面高度显示器二者的内部液体；所述液面高度显示器内部空间的顶面不低于所述闪蒸器内的液面高度，所述下连接管水平设置。
优选的，所述液面高度显示器底部通过调节支管与闪蒸器高温热水回水管路连接，所述流量调节阀设置在调节支管上。
优选的，所述液体控制器还包括信号处理器，所述信号处理器电连接水位传感器和流量调节阀，所述信号处理器接受所述水位传感器的水位信号，并将水位信号传输到流量调节阀以控制所述流量调节阀的开度。
本发明的目的之二在于提供一种应用上述高温热泵型蒸汽发生机组性能评价测试装置测得的蒸汽发生量的评价方法，所述高温热泵型蒸汽发生机组连接有供用于换热的热源水进出所述高温热泵型蒸汽发生机组的热源水进水管(56)和热源水出水管(57)，还包括用于驱动所述高温热泵型蒸汽发生机组中制冷剂循环流动的高温热泵压缩机(51)，及驱动闪蒸器高温热水回水管路(14)中的高温热水返回所述高温热泵型蒸汽发生机组的高温水泵(55)；
该评价方法包括以下步骤：
S1.利用温度计测出蒸汽发生机组热源水进水管的进水温度t1，利用流量计和温度计测出蒸汽发生机组热源水出水管的出水温度t2和出水体积流量qv；通过第一功率仪表和第二功率仪表分别读取蒸汽发生机组的压缩机消耗功率Pc和高温水泵消耗功率Pp；
S2.当蒸汽发生机组正常运行时，保持高温热水出水管流量调节阀开度不变，此时闪蒸器内水位仅受补水管路的补水量影响，通过液体控制器使闪蒸器内液体水位恒定，则此时补水管路补水量等于蒸汽流量Mg；
S3.以(t1+t2)/2得到蒸汽发生机组的热源水平均温度，查水物性表得到热源水在平均温度下的比热容c和热源水的密度ρ，以公式1计算取热量Q：
Q＝qvcρ(t1-t2)………………………………(1)
其中，取热量Q为提取地热水、工业余废热等低品位的热源水向机组输送的热量，单位为千瓦(kW)；qv为热源水的体积流量，单位为立方米每小时(m3/h)；c为热源水平均温度(t1+t2)/2下的比热容，单位为千焦每千克摄氏度[kJ/(kg·℃)]；ρ为热源水平均温度(t1+t2)/2下的密度，单位为千克每立方米(kg/m3)，t1为热源水进口温度，单位为摄氏度(℃)；t2为热源水出口温度，单位为摄氏度(℃)。
S4.根据公式2计算蒸汽发生机组的蒸汽发生效率η：
Figure GDA0002931278020000031
其中，Pc为压缩机消耗功率，单位为千瓦(kW)；Pp为机组高温水泵消耗功率，单位为千瓦(kW)。
本方法中，对于蒸汽发生效率η的影响参量有以下三个：蒸汽出口管路10的蒸汽流量Mg、机组从热源水提取的热量Q和压缩机消耗功率Pc及水泵消耗功率Pp。
本发明的有益效果在于：
1)针对高温热泵型蒸汽发生机组，明确了其性能测试评价的量化指标——蒸汽发生效率的物理意义和计算原理，并给出了该指标的测试评价方法，该方法使用较少的高温热泵型蒸汽发生机组蒸汽发生效率的相关参量，减小了测试误差，提高了评价结果的精确度。
上述蒸汽发生效率η即蒸汽发生机组输出的蒸汽质量流量(Mg)除以机组低品位热源输入量(Q)与消耗电功率(压缩机消耗功率Pc及高温水泵消耗功率Pp)之和所得的比值，其物理意义是：高温热泵型蒸汽发生机组的单位能源输入所产出的蒸汽流量数量，单位为千克每千瓦时[kg/(kW·h)]。
2)本发明提出了基于高温热泵型蒸汽发生机组末端闪蒸器液位恒定的机组蒸汽发生量计量方法，即通过机组外部液体补水量的测量间接测量出蒸汽发生机组的蒸汽发生量Mg，解决了传统方法中无法通过流量计等仪表直接实时准确计量蒸汽出口管路的蒸汽流量的问题。
3)本发明提供了一种可与被试机组直接连接的蒸汽发生机组性能测试装置，该装置使用方便且使用成本低，由于装置中流量计读取的是纯液相的水，因此通过机组外部液体补水量的测量即可间接准确得出蒸汽发生机组的蒸汽发生量Mg。
4)本发明提出的蒸汽发生机组性能测试装置适用于提取各类工业余热、可产生超过100℃高温蒸汽的高温热泵型蒸汽发生机组的性能检测中。
附图说明
图1为现有技术中高温热泵型蒸汽发生机组结构示意图；
图2为本发明的结构示意图，图中显示了本发明装置与被试机组尤其是闪蒸器的连接关系；
图3为本发明测试方法中涉及机组的性能测量参数来源示意图；
图4为本发明蒸汽发生效率η影响参量的逻辑框图，对于蒸汽发生效率η的影响参量有以下三个：蒸汽出口管路10的蒸汽流量Mg、机组从热源水提取的热量Q和压缩机消耗功率Pc及水泵消耗功率Pp。
图中标注符号的含义如下：
10-闪蒸器 11-高温热水出水管 111-出水管节流阀 12-补水管路 121-补水管路调节阀 13-蒸汽出口管路 14-高温热水回水管路
20-流量计 30-液体控制器 31-水位传感器 32-流量调节阀
33-液面高度显示器 34-信号处理器 40-连接管 41-上连接管
42-下连接管 43-调节支管 51-高温热泵压缩机 52-冷凝器
53-膨胀阀 54-蒸发器 55-高温水泵 56-热源水进水管
57-热源水出水管 61-流量计 62-温度计 63-第一功率仪表
64-第二功率仪表
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
如无特殊说明，下述所称“机组”、“蒸汽发生机组”均指“高温热泵型蒸汽发生机组”。
如图1所示，一种高温热泵型蒸汽发生机组，包括高温热泵压缩机51、冷凝器52、膨胀阀53和蒸发器54，其中冷凝器52增加一个闪蒸器10，将被冷凝器52加热到高压高温状态的热水闪蒸，产生蒸汽。工作时，低品位热源水从热源水进水管56流入蒸发器54侧与高温热泵压缩机51机组中循环流动的制冷剂换热后，由热源水出水管57流出。制冷剂在冷凝器52侧对外输出热量，由高温热水出水管11将产生的高温热水经出水管节流阀111输送到闪蒸器10中输出蒸汽，制冷剂经膨胀阀53节流成为低温低压状态后进行循环。闪蒸器10中积聚的饱和水经设置在闪蒸器10底部的高温热水回水管14和高温水泵55返回冷凝器52继续加热循环，闪蒸器10外接补水管路12实时补水，补水管路12设置有补水管路调节阀121。
如图2-3所示，一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置，用于测量高温热泵型蒸汽发生机组的蒸汽流量Mg。该装置安装在蒸汽发生机组闪蒸器10壁面上，包括设置在闪蒸器补水管路12上的流量计20和调节闪蒸器10内液体高度的液体控制器30，所述液体控制器30包括水位传感器31和流量调节阀32，所述水位传感器31检测闪蒸器10内水位，并通过与闪蒸器高温热水回水管路14连接的流量调节阀32开度调节闪蒸器10内水位，所述流量计20用于统计闪蒸器10的补水量。
本实施例中，液体控制器30还包括与闪蒸器10本体连接的液面高度显示器33，所述液面高度显示器33内部具有容纳液体的空间，所述液面高度显示器33通过连接管40与闪蒸器10形成连通器，使得液面高度显示器33内水位与闪蒸器10内水位变化一致。具体的，连接管40包括上连接管41和下连接管42，上连接管41连接闪蒸器10和液面高度显示器44液面上部空间，下连接管42连接闪蒸器10和液面高度显示器33内液体，其中，液面高度显示器33内部空间顶面不低于所述闪蒸器10内液面高度，下连接管42水平设置。
液面高度显示器33底部通过调节支管43与闪蒸器高温热水回水管路14连接，流量调节阀32设置在调节支管43上，水位传感器31设置在液面高度显示器33的内部液面上方，液体控制器30还包括信号处理器34，信号处理器34电连接水位传感器31和流量调节阀32，水位传感器31输出模拟量信号反馈到信号处理器34，进而实现对流量调节阀32开度的控制。当闪蒸器10内液面存在上升趋势时，增加流量调节阀32开度，液面高度显示器33内液体沿调节支管43经高温热水回水管路14流出流量增大，由于连通器存在，闪蒸器10内液面维持稳定；同样，当闪蒸器10内液面存在下降趋势时，减小流量调节阀32的开度，闪蒸器10内部短时间内流入液体量大于流出量，液面维持稳定。
工作时，当蒸汽发生机组进入正常运行状态，为保证机组及其蒸汽发生量的稳定可控，进入闪蒸器10的高温热水出水管11流量稳定，保持高温热水出水管14流量调节阀32开度不变，此时闪蒸器10内的水位高度仅受到补水量影响。通过液体控制器30调节可实现闪蒸器10内的水位高度恒定。基于闪蒸器10流入、流出工作介质的质量守恒，在该稳定工作状态时，进入闪蒸器10的补水量即为闪蒸器10的蒸汽出口管路13发生出的机组蒸汽发生量，该流量值由连接在补水管12上的流量计121计量测出。由于流量计20测试对象为纯液相的水，确保了测量结果的准确性，该测量值即为蒸汽流量Mg。
利用上述高温热泵型蒸汽发生机组性能评价测试装置测得蒸汽流量Mg，，以该数据为基础计算高温热泵型蒸汽发生机组的蒸汽发生效率η作为评价被测机组的性能评价指标，该蒸汽发生效率η的计算方法包括如下步骤：
S1.利用温度计62测出蒸汽发生机组热源水进水管56的进水温度t1，利用流量计61和温度计62测出蒸汽发生机组热源水出水管的出水温度t2和出水体积流量qv；通过查看第一功率仪表63和第二功率仪表64直接读取蒸汽发生机组的压缩机51消耗功率Pc和高温水泵55消耗功率Pp；
S2.以(t1+t2)/2得到蒸汽发生机组的热源水平均温度，查水物性表得到热源水在平均温度下的比热容c和热源水的密度ρ，以公式1计算取热量Q：
Q＝qvcρ(t1-t2)………………………………(1)
其中，取热量Q为提取地热水、工业余废热等低品位的热源水向机组输送的热量，单位为千瓦(kW)；qv为热源水的体积流量，单位为立方米每小时(m3/h)；c为热源水平均温度(t1+t2)/2下的比热容，单位为千焦每千克摄氏度[kJ/(kg·℃)]；ρ为热源水平均温度(t1+t2)/2下的密度，单位为千克每立方米(kg/m3)，t1为热源水进口温度，单位为摄氏度(℃)；t2为热源水出口温度，单位为摄氏度(℃)。
S3.根据公式2计算蒸汽发生机组的蒸汽发生效率η：
Figure GDA0002931278020000071
其中，Mg为测得的蒸汽质量流量，单位为千克每小时(kg/h)，Pc为压缩机消耗功率，单位为千瓦(kW)；Pp为机组高温水泵消耗功率，单位为千瓦(kW)。
需强调的是，尽管本申请提供的高温热泵型蒸汽发生机组性能评价测试装置和评价方法在一个评价整体内，但应当理解，在不同场景及工况中，该测试装置可以仅作为类似机组的蒸汽流量测量装置，该评价方法也可以适用任何其他方法测得的蒸汽流量，即两者可以独立存在与使用。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式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：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，该高温热泵型蒸汽发生机组连接有供用于换热的热源水进出所述高温热泵型蒸汽发生机组的热源水进水管(56)和热源水出水管(57)，还包括用于驱动所述高温热泵型蒸汽发生机组中制冷剂循环流动的高温热泵压缩机(51)，及驱动闪蒸器(10)底部连接的高温热水回水管路(14)中的高温热水返回所述高温热泵型蒸汽发生机组的高温水泵(55)，高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置安装在蒸汽发生机组闪蒸器(10)上，其特征在于：所述高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置包括设置在闪蒸器补水管路(12)上的流量计(20)和调节闪蒸器(10)内液体高度的液体控制器(30)，所述液体控制器(30)包括水位传感器(31)和流量调节阀(32)，所述水位传感器(31)用于检测闪蒸器(10)内的水位，且通过检测并控制与闪蒸器(10)底部连接的高温热水回水管路(14)相连的流量调节阀(32)的开度来调节闪蒸器(10)内的水位，所述流量计(20)用于统计闪蒸器(10)的补水量；
高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，包括以下步骤：
S1.利用温度计(62)测出热源水进水管(56)的进水温度t1，利用流量计(61)和温度计(62)测出热源水出水管(57)的出水温度t2和出水体积流量qv；通过第一功率仪表(63)读取蒸汽发生机组的压缩机(51)消耗功率Pc，通过第二功率仪表(64)读取蒸汽发生机组的高温水泵(55)消耗功率Pp；
S2.当蒸汽发生机组正常运行时，保持高温热水出水管流量调节阀(111)开度不变，通过液体控制器(30)使闪蒸器(10)内液体水位恒定，则此时补水管路(12)补水量等于蒸汽流量Mg；
S3.以(t1+t2)/2得到蒸汽发生机组的热源水平均温度，以公式1计算取热量Q：
Q＝qvcρ(t1-t2)………………………………(1)
其中，取热量Q为提取地热水、工业余废热低品位的热源水向机组输送的热量，单位为千瓦(kW)；c为热源水在平均温度下的比热容，单位为千焦每千克摄氏度[kJ/(kg·℃)]；ρ为热源水在平均温度下的密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；qv为热源水的体积流量，单位为立方米每小时(m3/h)；t1为热源水进口温度，单位为摄氏度(℃)；t2为热源水出口温度，单位为摄氏度(℃)；
S4.根据公式2计算蒸汽发生机组的蒸汽发生效率η：
Figure FDA0003894243070000021
其中，Pc为压缩机(51)消耗功率，单位为千瓦(kW)；Pp为机组高温水泵(55)消耗功率，单位为千瓦(kW)。
2.如权利要求1所述的一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，其特征在于，所述液体控制器(30)还包括与闪蒸器(10)本体连接的液面高度显示器(33)，所述液面高度显示器(33)内部具有容纳液体的空间，所述液面高度显示器(33)通过连接管(40)与闪蒸器(10)形成连通器，所述水位传感器(31)设置在所述液面高度显示器(33)的内部液面上方。
3.如权利要求2所述的一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，其特征在于，所述连接管(40)包括上连接管(41)和下连接管(42)，所述上连接管(41)连接闪蒸器(10)和液面高度显示器(33)液面上部空间，所述下连接管(42)连接闪蒸器(10)和液面高度显示器(33)二者的内部液体；所述液面高度显示器(33)内部空间的顶面不低于所述闪蒸器(10)内的液面高度，所述下连接管(42)水平设置。
4.如权利要求3所述的一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，其特征在于，所述液面高度显示器(33)底部通过调节支管(43)与闪蒸器高温热水回水管路(14)连接，所述流量调节阀(32)设置在调节支管(43)上。
5.如权利要求4所述的一种高温热泵型蒸汽发生机组性能测试装置的评价方法，其特征在于，所述液体控制器(30)还包括信号处理器(34)，所述信号处理器(34)电连接水位传感器(31)和流量调节阀(32)，所述信号处理器(34)接受所述水位传感器(31)的水位信号，并将水位信号传输到流量调节阀(32)以控制所述流量调节阀(32)的开度。
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