CN113237134B - 基于电热泵单元的地热能集中供热系统 - Google Patents

基于电热泵单元的地热能集中供热系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，包括供热首站汽水换热器和地热能换热单元，其中，供热首站汽水换热器的汽侧入口连接中压缸的排汽口；所述供热首站汽水换热器的水侧出口连接热网供水管道；所述供热首站汽水换热器的水侧入口连接地热能换热单元的水侧出口；所述地热能换热单元的水侧入口连接热网回水管道；所述地热能换热单元的出、入口分别连接地热回水管道和地热进水管道；本发明一方面有利于促进地热能综合利用，优化产业结构，另一方面利于减少碳排放，减轻雾霾污染，推进清洁供暖。

Description

基于电热泵单元的地热能集中供热系统
技术领域
本发明属于热电联产领域，涉及基于电热泵单元的地热能集中供热系统。
背景技术
近年来，雾霾加重、化石能源枯竭等问题的出现使得清洁可再生能源的应用出现了一个新的高潮。地热能作为一种非常重要的清洁能源，却一度被忽视，中国的地热资源占世界的六分之一，但是目前开发利用地热资源程度较低，且现有成熟的地热开发技术普遍存在利用率不高的缺陷。此外，我国北方集中供热绝大部分以热电联产机组为主体热源，能源产业机构单一，不仅存在供热安全隐患，而且无法积极响应国家倡导的碳达峰和碳中和，面临严峻的降低碳排放挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供基于电热泵单元的地热能集中供热系统，解决地热能充分利用和清洁供热的需要。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，包括供热首站汽水换热器和地热能换热单元，其中，供热首站汽水换热器的汽侧入口连接中压缸的排汽口；所述供热首站汽水换热器的水侧出口连接热网供水管道；所述供热首站汽水换热器的水侧入口连接地热能换热单元的水侧出口；所述地热能换热单元的水侧入口连接热网回水管道；所述地热能换热单元的出、入口分别连接地热回水管道和地热进水管道。
优选地，所述地热能换热单元包括地热加热器和电热泵单元，其中，所述地热进水管道的出口分为两路，一路连接地热加热器的工质入口，另一路连接电热泵单元的低温水侧入口；所述地热加热器的工质出口连接电热泵单元的低温水侧入口，电热泵单元的低温水侧出口连接地热回水管道；
所述热网回水管道的出口连接地热加热器的水侧入口，所述地热加热器的水侧出口连接电热泵单元的高温水侧入口，电热泵单元的高温水侧出口连接供热首站汽水换热器的水侧入口。
优选地，所述电热泵单元的电源输入端连接发电机的电源输出端。
优选地，所述电热泵单元包括压缩机、冷凝器和蒸发器，其中，所述压缩机的高温高压工质出口连接冷凝器的工质入口，所述冷凝器的低压液体工质出口连接蒸发器的工质入口，所述蒸发器的低压蒸汽出口连接压缩机的入口；
所述地热加热器的水侧出口连接冷凝器的高温水侧入口，所述冷凝器的高温水侧出口连接供热首站汽水换热器的水侧入口；
所述地热加热器的工质出口连接蒸发器的低温水侧入口，蒸发器的低温水侧出口连接地热回水管道；
所述地热进水管道的另一路连接蒸发器的低温水侧入口；
所述压缩机的电源输入端连接发电机的电源输出端。
优选地，所述冷凝器和蒸发器之间设置有膨胀阀。
优选地，所述发电机的电源输出端分为两路，其中一路经过关口表连接电网，另一路经过变电设备连接压缩机的电源输入端。
优选地，所述地热进水管道的出口连接有地热泵，所述地热泵的出口分为两路，一路经过第四阀门连接地热加热器的工质入口，另一路经过第三阀门连接电热泵单元的低温水侧入口。
优选地，所述热网回水管道的出口连接有热网循环泵，所述热网循环泵的出口分为两路，其中一路经过第二阀门连接电热泵单元的高温水侧入口；另一路经过第一阀门连接地热加热器的水侧入口。
基于电热泵单元的地热能集中供热方法，基于所述的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，包括以下步骤：
热网回水进入地热能换热单元中，利用地热进水对其进行初步加热提温，之后进入供热首站汽水换热器进行二次加热提温，最终通过热网供水管道对外供出；
地热能换热单元中的地热回水温度下降之后沿地热回水管道回到地下。
优选地，包括以下步骤：
当地热进水温度大于热网回水温度时：
地热水的能量需要梯级利用，地热进水首先进入地热加热器，热网回水也全部进入地热加热器；地热进水与热网回水换热后，地热水温度下降并进入电热泵单元中进一步释放热量，温度再次下降之后沿地热回水管道回到地下；
热网回水在地热加热器中被加热，温度升高并进入电热泵单元，被再次加热后温度升高，然后进入供热首站汽水换热器中进行加热提温，沿热网供水管道对外供出；
当地热进水温度小于热网回水温度时：
地热水无法对热网回水进行直接加热，地热进水直接进入电热泵单元，热网回水也直接进入电热泵单元；地热进水在电热泵单元中释放热量，温度降低，沿地热回水管道回到地下；
热网回水在电热泵单元中被加热，温度升高，然后进入供热首站汽水换热器中加热提温，沿热网供水管道对外供出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，将地热能与热电机组有机结合用于集中供热，并且根据地热水的不同能量品级，实现了地热能梯级利用。一方面有利于促进地热能综合利用，优化产业结构，另一方面利于减少碳排放，减轻雾霾污染，推进清洁供暖。进一步的，热泵系统驱动能源为热电机组产生的未上网的电能，有利于热电机组的电调峰，促进消纳新能源发电量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
其中，1、高压缸，2、中压缸，3、低压缸，4、发电机，5、关口表，6、变电设备，7、供热首站汽水换热器，8、第一阀门，9、第二阀门，10、地热加热器，11、压缩机，12、冷凝器，13、膨胀阀，14、蒸发器，15、第三阀门，16、第四阀门，17、热网循环泵，18、地热泵。
具体实施方式
本发明提供了基于电热泵单元的地热能集中供热系统，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。下述说明仅仅是示例性的，而不限制本发明的范围及其应用。
参考图1，本发明提供的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，包括：高压缸1、中压缸2、低压缸3、发电机4、关口表5、变电设备6、供热首站汽水换热器7、第一阀门8、第二阀门9、地热加热器10、压缩机11、冷凝器12、膨胀阀13、蒸发器14、第三阀门15、第四阀门16、热网循环泵17和地热泵18，其中，所述高压缸1的输出端通过联轴器与中压缸2的输入端连接，所述中压缸2的输出端与低压缸3的输入端通过联轴器连接，所述低压缸3的输出端与发电机4的输入端通过联轴器连接。
所述发电机4的输出端与关口表5的输入端连接，所述关口表5的输出端连接电网，对外输电。
所述中压缸2的排汽口与供热首站汽水换热器7的汽侧入口连接，所述供热首站汽水换热器7的汽侧出口与低压加热器入口连接。
所述变电设备6的输入端与发电机4的输出端连接，连接处位于关口表5的上游。
所述变电设备6的输出端与热泵系统的压缩机11的电源输入端连接。
所述热网循环泵17的入口与热网回水管道连接，所述热网循环泵17的出口分两支路，一路与第一阀门8的入口连接，另一路与第二阀门9的入口连接.
所述第二阀门9的出口与冷凝器12的冷凝流体入口连接，所述冷凝器12的冷凝流体出口与供热首站汽水换热器7的水侧入口连接，所述供热首站汽水换热器7的水侧出口与热网供水管道连接。
所述第一阀门8的出口与地热加热器10的被加热流体入口连接，所述地热加热器10的被加热流体出口与冷凝器12的冷凝流体入口连接。
所述压缩机11的工质出口与冷凝器12的工质入口连接；所述冷凝器12的工质出口与膨胀阀13的工质入口连接；所述膨胀阀13的工质出口与蒸发器14的工质入口连接；所述蒸发器14的工质出口与压缩机11的工质入口连接。
所述地热泵18的入口与地热进水管道连接，所述地热泵18的出口分两支路，一路连接至第三阀门15的入口连接，一路与第四阀门16的入口连接。
所述第三阀门15的出口与蒸发器14的热源流体入口连接；
所述第四阀门16的出口与地热加热器10的热源流体入口连接，所述地热加热器10的热源流体出口与蒸发器14的热源流体入口连接；所述蒸发器14的热源流体出口与地热回水管道连接。
本发明根据地热水的温度可划分为两种运行工况，具体工作过程为：
当地热进水温度(Tdg)大于热网回水温度(Th)时：
地热水的能量需要梯级利用，此时，开启第一阀门8和第四阀门16，关闭第二阀门9和第三阀门15，地热进水首先进入地热加热器10，热网回水也全部进入地热加热器10；地热进水与热网回水换热后，地热水温度降至Tdg1并进入蒸发器14中进一步释放热量，温度再次降低至Tdh，沿地热回水管道回到地下；热网回水在地热加热器10中被加热，温度升高至Th1并进入冷凝器12，被再次加热后温度升高至Th2，然后进入供热首站汽水换热器7，在其中加热提温至Tg，沿热网供水管道对外供出；
供热首站汽水换热器7中的热源取自中压缸2的排汽，压缩机11的电源取自发电机4产生的未上网的电能；
电热泵单元的工作原理：压缩机11在电源的驱动下，将其内部的低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器12，在冷凝器12中，工质释放热量被冷却成高压液体进入膨胀阀13，降压成低压液体进入蒸发器14，工质在蒸发器14中吸收地热进水的热量后蒸发而成为压力较低的蒸汽，低压蒸汽进入压缩机11被压缩，开始下一个循环，地热进水释放热量后变成地热回水，返回地下；
当地热进水温度(Tdg)小于热网回水温度(Th)时：
地热水无法对热网回水进行直接加热，此时，关闭第一阀门8和第四阀门16，开启第二阀门9和第三阀门15，地热进水直接进入蒸发器14，热网回水直接进入冷凝器12；地热进水在蒸发器14中释放热量，温度降低至Td'h，沿地热回水管道回到地下；热网回水在冷凝器12中被加热，温度升高至Th'1，然后进入供热首站汽水换热器7，在其中加热提温至Tg，沿热网供水管道对外供出；
供热首站汽水换热器7中的热源取自中压缸2的排汽，压缩机11的电源取自发电机4产生的未上网的电能；
电热泵单元工作原理同上述第一种工况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于电热泵单元的地热能集中供热系统，其特征在于，包括供热首站汽水换热器（7）和地热能换热单元，其中，供热首站汽水换热器（7）的汽侧入口连接中压缸（2）的排汽口；所述供热首站汽水换热器（7）的水侧出口连接热网供水管道；所述供热首站汽水换热器（7）的水侧入口连接地热能换热单元的水侧出口；所述地热能换热单元的水侧入口连接热网回水管道；所述地热能换热单元的出、入口分别连接地热回水管道和地热进水管道；
所述地热能换热单元包括地热加热器（10）和电热泵单元，其中，所述地热进水管道的出口分为两路，一路连接地热加热器（10）的工质入口，另一路连接电热泵单元的低温水侧入口；所述地热加热器（10）的工质出口连接电热泵单元的低温水侧入口，电热泵单元的低温水侧出口连接地热回水管道；
所述地热进水管道的出口连接有地热泵（18），所述地热泵（18）的出口分为两路，一路经过第四阀门（16）连接地热加热器（10）的工质入口，另一路经过第三阀门（15）连接电热泵单元的低温水侧入口；
所述热网回水管道的出口连接地热加热器（10）的水侧入口，所述地热加热器（10）的水侧出口连接电热泵单元的高温水侧入口，电热泵单元的高温水侧出口连接供热首站汽水换热器（7）的水侧入口；
所述热网回水管道的出口连接有热网循环泵（17），所述热网循环泵（17）的出口分为两路，其中一路经过第二阀门（9）连接电热泵单元的高温水侧入口；另一路经过第一阀门（8）连接地热加热器（10）的水侧入口；
所述电热泵单元包括压缩机（11）、冷凝器（12）和蒸发器（14），其中，所述压缩机（11）的高温高压工质出口连接冷凝器（12）的工质入口，所述冷凝器（12）的低压液体工质出口连接蒸发器（14）的工质入口，所述蒸发器（14）的低压蒸汽出口连接压缩机（11）的入口；
所述地热加热器（10）的水侧出口连接冷凝器（12）的高温水侧入口，所述冷凝器（12）的高温水侧出口连接供热首站汽水换热器（7）的水侧入口；
所述地热加热器（10）的工质出口连接蒸发器（14）的低温水侧入口，蒸发器（14）的低温水侧出口连接地热回水管道；
所述地热进水管道的另一路连接蒸发器（14）的低温水侧入口；
所述压缩机（11）的电源输入端连接发电机（4）的电源输出端。
2.根据权利要求1所述的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，其特征在于，所述电热泵单元的电源输入端连接发电机（4）的电源输出端。
3.根据权利要求1所述的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，其特征在于，所述冷凝器（12）和蒸发器（14）之间设置有膨胀阀（13）。
4.根据权利要求1所述的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，其特征在于，所述发电机（4）的电源输出端分为两路，其中一路经过关口表（5）连接电网，另一路经过变电设备（6）连接压缩机（11）的电源输入端。
5.基于电热泵单元的地热能集中供热方法，其特征在于，基于权利要求1-４中任一项所述的基于电热泵单元的地热能集中供热系统，包括以下步骤：
热网回水进入地热能换热单元中，利用地热进水对其进行初步加热提温，之后进入供热首站汽水换热器（7）进行二次加热提温，最终通过热网供水管道对外供出；
地热能换热单元中的地热回水温度下降之后沿地热回水管道回到地下；
当地热进水温度大于热网回水温度时：
地热水的能量需要梯级利用，地热进水首先进入地热加热器（10），热网回水也全部进入地热加热器（10）；地热进水与热网回水换热后，地热水温度下降并进入电热泵单元中进一步释放热量，温度再次下降之后沿地热回水管道回到地下；
热网回水在地热加热器（10）中被加热，温度升高并进入电热泵单元，被再次加热后温度升高，然后进入供热首站汽水换热器（7）中进行加热提温，沿热网供水管道对外供出；
当地热进水温度小于热网回水温度时：
地热水无法对热网回水进行直接加热，地热进水直接进入电热泵单元，热网回水也直接进入电热泵单元；地热进水在电热泵单元中释放热量，温度降低，沿地热回水管道回到地下；
热网回水在电热泵单元中被加热，温度升高，然后进入供热首站汽水换热器（7）中加热提温，沿热网供水管道对外供出。
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