CN114688763A - 一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法，它包括低温热源、热源换热器、热水循环泵、蒸气压缩式热泵和活塞式蒸汽压缩机；所述低温热源与热源换热器相连，所述低温热源将热量传递至热源换热器内的循环水中，所述热源换热器适于对循环水进行加热；所述热源换热器通过循环水管道与蒸气压缩式热泵相连，所述蒸气压缩式热泵适于利用循环水的热量将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽。本发明提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法，为了将难以利用的低温余热进行回收，同时在双碳背景下，探索以电高效制备蒸汽的方法，同时为绿电储存和消纳提供方向。

Description

一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法
技术领域
本发明涉及一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法，属于低温余热回收和绿电消纳的技术领域。
背景技术
目前，低温余热在已投运的工业企业耗能装置中，原始设计未被合理利用的低于200℃的显热和潜热。它包括废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热等。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％。可见低温余热未被有效利用是当前阶段影响综合能效的重要因素。低温余热品位较低，回收技术难度较大，对技术路线、材料、设备性能的要求也较高。
目前，低温余热的常见利用方式为低温余热发电(ORC)。余热发电利用有机朗肯循环原理，是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成。系统中换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力的蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机发电。但ORC技术效率较低，一般情况下低于10％，且投资回收期较长，还受到电网入网申报的制约，经济效益较差。虽然技术成熟，但一直未能大规模开展。
综合以上内容，如能探索一种新型技术，将利用低温余热产生高参数蒸汽用于工艺生产或对外供热，能够提高能源利用效率的同时，也具有普遍适用性，无疑能较好的破解当前余热利用困局；同时，利用热泵原理采用电能作为驱动能源，与电极锅炉相比，可以利用一份电制得多份热，具有更高的能源利用效率和经济效益；此外，如能设置储能装置，充分消纳谷电和绿电，削峰填谷，有利于构建柔性综合能源供给体系，为煤电低碳转型提供新方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统及方法，为了将难以利用的低温余热进行回收，同时在双碳背景下，探索以电高效制备蒸汽的方法，同时为绿电储存和消纳提供方向。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
本发明一方面提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，它包括低温热源、热源换热器、热水循环泵、蒸气压缩式热泵和活塞式蒸汽压缩机；
所述低温热源与热源换热器相连，所述低温热源将热量传递至热源换热器内的循环水中，所述热源换热器适于对循环水进行加热；
所述热源换热器通过循环水管道与蒸气压缩式热泵相连，所述蒸气压缩式热泵适于利用循环水的热量将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽；
所述热水循环泵设置在热源换热器与蒸气压缩式热泵之间的循环水管道中，所述热水循环泵适于将放热后的循环水打回热源换热器；
所述蒸气压缩式热泵的输出端与活塞式蒸汽压缩机的输入端相连，所述活塞式蒸汽压缩机的输出端链接热用户，所述活塞式蒸汽压缩机适于将低参数蒸汽压缩升压，供入热用户。
进一步，所述活塞式蒸汽压缩机的输出端设置有汽水分离器。
进一步，系统还包括喷淋装置，所述喷淋装置的输入端与循环水管道相连，所述喷淋装置适于将循环水喷入活塞式蒸汽压缩机。
进一步，系统还包括循环水水箱，所述循环水水箱适于向循环水管道注水并提供补水，并为循环水管道提供稳压功能。
进一步，所述蒸气压缩式热泵和活塞式蒸汽压缩机均由变频电机驱动，所述变频电机由电网或蓄电池供电。
进一步，所述蓄电池适于在谷电下储存电能，在峰电下为变频电机供电。
进一步，所述转换介质为除盐水。
本发明另一方面提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的蒸汽制取方法，它包括：
步骤S1、低温热源将热量传递到热源换热器，对热源换热器内的循环水进行加热；
步骤S2、加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵放热，由热水循环泵将放热后的循环水打回到热源换热器吸热，蒸气压缩式热泵利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽；
步骤S3、所述低参数蒸汽再通过活塞式蒸汽压缩机压缩升压后，供给热用户使用。
进一步，所述步骤S2中，加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵放热，由热水循环泵将放热后的循环水打回到热源换热器吸热，蒸气压缩式热泵利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽，具体包括如下步骤：
步骤S21、所述转换介质初始状态为不饱和除盐水，所述转换介质进入蒸气压缩式热泵后吸收热量，被加热至所处压力下的饱和温度；
步骤S22、所述转换介质被加热至所处压力下的饱和温度后，转换介质继续在蒸气压缩式热泵中吸收热量并开始蒸发汽化，由液态进入气液混合状态，直至达到饱和状态；
步骤S23、所述转换介质达到饱和状态后，所述转换介质继续在蒸气压缩式热泵中吸收热量并过热，成为过热蒸汽状态；
步骤S24、所述转换介质转化为过热蒸汽后，所述转换介质进入活塞式蒸汽压缩机压缩，所述转换介质温度上升，直至转化为低参数蒸汽。
进一步，所述步骤S2中活塞式蒸汽压缩机均由变频电机驱动，设所述转化介质质量流量为M，则所述转化介质在步骤S2中的总计吸热热量Qh：
Qh＝M(h2-h1)+γM+M(h4-h3)+M(h5-h4)＝M(h5-h1)；
所述活塞式蒸汽压缩机选择封闭式，活塞式蒸汽压缩机理论功率Pth，电机效率ηe，摩擦效率ηm，指示效率ηi，则变频电机输入功率Pin:
Figure BDA0003568720390000031
所述热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的系统制热性能系数COPh的表达式为：
Figure BDA0003568720390000032
所述热泵回收低温余热压缩制取高参数蒸汽系统的容积效率ηv的表达式为：
Figure BDA0003568720390000033
其中，VR为实际输气量，Vh为理论输气量，且针对活塞式活塞式蒸汽压缩机，设气缸直径D、活塞行程S、气缸数Z和曲轴转速n：
Figure BDA0003568720390000034
C为相对余隙容积，C为余隙容积Vc与气缸工作容积Vg之比；
P2/P1为活塞式活塞式蒸汽压缩机的排气压力与进气压力的比值。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：本方法和系统可以将低温余热进行品位提升并转化为高参数蒸汽，供给工业或其他用户使用，可以实现提高能源利用效率、减少碳排放；本方法和系统基于热泵原理并采用电能驱动，可以利用一份电制得多份热，具有更高的能源利用效率；此外，系统设置了电话储能装置，充分消纳谷电和绿电，削峰填谷，有利于构建柔性综合能源供给体系，为煤电低碳转型提供新方向。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的原理框图；
图3为本发明的转换介质温熵图；
图4为本发明的转换介质压焓图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，它包括低温热源(1)、热源换热器(2)、热水循环泵(3)、循环水水箱(4)、蒸气压缩式热泵(5)、活塞式蒸汽压缩机(8)、喷淋装置(9)和蓄电池(6)；
所述低温热源(1)与热源换热器(2)相连，低温热源1一般为温度低于200℃的工业烟气、废水、废气或乏汽，所述低温热源(1)将热量传递至热源换热器(2)内的循环水中，所述热源换热器(2)适于对循环水进行加热；
所述热源换热器(2)通过循环水管道与蒸气压缩式热泵(5)相连，所述蒸气压缩式热泵(5)适于利用循环水的热量将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽，所述转换介质为除盐水；
所述热水循环泵(3)设置在热源换热器(2)与蒸气压缩式热泵(5)之间的循环水管道中，所述热水循环泵(3)适于将放热后的循环水打回热源换热器(2)，循环往复；
所述蒸气压缩式热泵(5)的输出端与活塞式蒸汽压缩机(8)的输入端相连，所述活塞式蒸汽压缩机(8)的输出端链接热用户，所述活塞式蒸汽压缩机(8)适于在电机的驱动下将低参数蒸汽压缩升压，满足需求后供入热用户。
优选地，所述活塞式蒸汽压缩机(8)的输出端设置有汽水分离器(10)，所述活塞式蒸汽压缩机(8)用于去除液态水，避免蒸汽带水造成水击。
优选地，所述喷淋装置(9)的输入端与循环水管道相连，所述喷淋装置(9)适于将少量循环水喷入活塞式蒸汽压缩机(8)，降低压缩机温度，同时提高容积效率。如果所需供给蒸汽温度压力较低，则喷淋装置(9)可以省略。
优选地，所述循环水水箱(4)适于向循环水管道注水并提供补水，并为循环水管道提供稳压功能。
优选地，所述蒸气压缩式热泵(5)和活塞式蒸汽压缩机(8)均由变频电机(7)驱动，根据输入热量的变化自动调整输出的流量，所述变频电机(7)由电网或蓄电池(6)供电，根据用户压力反馈情况自动调整频率，以确保供出的蒸汽满足用户压力要求。
优选地，所述蓄电池(6)适于在谷电下储存电能，在峰电下为变频电机(7)供电。
优选地，整个系统可设置温度、压力、流量、电量等多种形式监测元件，并根据需要设置控制逻辑，在工程师站或控制室进行集中监视和控制。
实施例二
如图1、3、4所示，本实施例提供一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的蒸汽制取方法，它包括如下步骤：
步骤S1、低温热源(1)将热量传递到热源换热器(2)，对热源换热器(2)内的循环水进行加热；
步骤S2、加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵(5)放热，由热水循环泵(3)将放热后的循环水打回到热源换热器(2)吸热，蒸气压缩式热泵(5)利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽；
步骤S3、所述低参数蒸汽再通过活塞式蒸汽压缩机(8)压缩升压后，供给热用户使用。
具体地，所述步骤S2中，加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵(5)放热，由热水循环泵(3)将放热后的循环水打回到热源换热器(2)吸热，蒸气压缩式热泵(5)利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽，具体包括如下步骤：
步骤S21、所述转换介质初始状态为不饱和除盐水，记为状态点a(t1、p1、h1)，所述转换介质进入蒸气压缩式热泵(5)后吸收热量，被加热至所处压力下的饱和温度，记为状态点b(t2、p1、h2)，该过程为等压升温过程；
步骤S22、所述转换介质被加热至所处压力下的饱和温度后，转换介质继续在蒸气压缩式热泵(5)中吸收热量并开始蒸发汽化，由液态进入气液混合状态(状态2～状态3之间)，直至达到饱和状态，记为状态点c(t2、p1、h3)，该过程为等温增焓过程；
步骤S23、所述转换介质达到饱和状态后，所述转换介质继续在蒸气压缩式热泵(5)中吸收热量并过热，成为过热蒸汽状态，记为状态点d(t3、p1、h4)，该过程为等压升温过程；
步骤S24、所述转换介质转化为过热蒸汽后，所述转换介质进入活塞式蒸汽压缩机(8)压缩，压力升高的同时由于外界对转换介质做功，所述转换介质温度也将上升，直至转化为低参数蒸汽，记为状态点e(t4、p2、h5)，该过程近似为绝热升温过程。
具体地，所述步骤S2中活塞式蒸汽压缩机(8)均由变频电机(7)驱动，设所述转化介质质量流量为M(kg/s)，则所述转化介质在步骤S2中的总计吸热热量Qh：
Qh＝M(h2-h1)+γM+M(h4-h3)+M(h5-h4)＝M(h5-h1)；
所述活塞式蒸汽压缩机(8)选择封闭式，活塞式蒸汽压缩机(8)理论功率Pth，电机效率ηe，摩擦效率ηm，指示效率ηi，则变频电机(7)输入功率Pin:
Figure BDA0003568720390000061
所述热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的系统制热性能系数COPh的表达式为：
Figure BDA0003568720390000062
所述热泵回收低温余热压缩制取高参数蒸汽系统的容积效率ηv的表达式为：
Figure BDA0003568720390000063
其中，气密系数、预热系数、节流系数均取1忽略，VR(m3/s)为实际输气量，Vh(m3/s)为理论输气量，且针对活塞式活塞式蒸汽压缩机(8)，设气缸直径D(m)、活塞行程S(m)、气缸数Z和曲轴转速n(r/min)：
Figure BDA0003568720390000064
活塞式活塞式蒸汽压缩机(8)气缸中将不可避免的留有一定的余隙容积Vc，C为相对余隙容积，C为余隙容积Vc与气缸工作容积Vg之比；
P2/P1为活塞式活塞式蒸汽压缩机(8)的排气压力与进气压力的比值，简称压比；
m为多变系数，可查机械工业出版社的《活塞式压缩机设计》手册得出；
我国中小型活塞式压缩机系列产品的相对余隙容积C一般取0.04，考虑气密系数、预热系数、节流系数修正，转速大于720r/min下，容积效率计算公式可简化为：
Figure BDA0003568720390000071
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：它包括低温热源(1)、热源换热器(2)、热水循环泵(3)、蒸气压缩式热泵(5)和活塞式蒸汽压缩机(8)；
所述低温热源(1)与热源换热器(2)相连，所述低温热源(1)将热量传递至热源换热器(2)内的循环水中，所述热源换热器(2)适于对循环水进行加热；
所述热源换热器(2)通过循环水管道与蒸气压缩式热泵(5)相连，所述蒸气压缩式热泵(5)适于利用循环水的热量将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽；
所述热水循环泵(3)设置在热源换热器(2)与蒸气压缩式热泵(5)之间的循环水管道中，所述热水循环泵(3)适于将放热后的循环水打回热源换热器(2)；
所述蒸气压缩式热泵(5)的输出端与活塞式蒸汽压缩机(8)的输入端相连，所述活塞式蒸汽压缩机(8)的输出端链接热用户，所述活塞式蒸汽压缩机(8)适于将低参数蒸汽压缩升压，供入热用户。
2.根据权利要求1所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：所述活塞式蒸汽压缩机(8)的输出端设置有汽水分离器(10)。
3.根据权利要求1所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：还包括喷淋装置(9)，所述喷淋装置(9)的输入端与循环水管道相连，所述喷淋装置(9)适于将循环水喷入活塞式蒸汽压缩机(8)。
4.根据权利要求1所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：还包括循环水水箱(4)，所述循环水水箱(4)适于向循环水管道注水并提供补水，并为循环水管道提供稳压功能。
5.根据权利要求1所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：所述蒸气压缩式热泵(5)和活塞式蒸汽压缩机(8)均由变频电机(7)驱动，所述变频电机(7)由电网或蓄电池(6)供电。
6.根据权利要求5所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：所述蓄电池(6)适于在谷电下储存电能，在峰电下为变频电机(7)供电。
7.根据权利要求1所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统，其特征在于：所述转换介质为除盐水。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的蒸汽制取方法，其特征在于，它包括：
步骤S1、低温热源(1)将热量传递到热源换热器(2)，对热源换热器(2)内的循环水进行加热；
步骤S2、加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵(5)放热，由热水循环泵(3)将放热后的循环水打回到热源换热器(2)吸热，蒸气压缩式热泵(5)利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽；
步骤S3、所述低参数蒸汽再通过活塞式蒸汽压缩机(8)压缩升压后，供给热用户使用。
9.根据权利要求8所述的蒸汽制取方法，其特征在于：所述步骤S2中，加热后的循环水进入蒸气压缩式热泵(5)放热，由热水循环泵(3)将放热后的循环水打回到热源换热器(2)吸热，蒸气压缩式热泵(5)利用循环水热量，将转换介质加热并汽化产生低参数蒸汽，具体包括如下步骤：
步骤S21、所述转换介质初始状态为不饱和除盐水，所述转换介质进入蒸气压缩式热泵(5)后吸收热量，被加热至所处压力下的饱和温度；
步骤S22、所述转换介质被加热至所处压力下的饱和温度后，转换介质继续在蒸气压缩式热泵(5)中吸收热量并开始蒸发汽化，由液态进入气液混合状态，直至达到饱和状态；
步骤S23、所述转换介质达到饱和状态后，所述转换介质继续在蒸气压缩式热泵(5)中吸收热量并过热，成为过热蒸汽状态；
步骤S24、所述转换介质转化为过热蒸汽后，所述转换介质进入活塞式蒸汽压缩机(8)压缩，所述转换介质温度上升，直至转化为低参数蒸汽。
10.根据权利要求9所述的蒸汽制取方法，其特征在于：所述步骤S2中活塞式蒸汽压缩机(8)均由变频电机(7)驱动，设所述转化介质质量流量为M，则所述转化介质在步骤S2中的总计吸热热量Qh：
Qh＝M(h2-h1)+γM+M(h4-h3)+M(h5-h4)＝M(h5-h1)；
所述活塞式蒸汽压缩机(8)选择封闭式，活塞式蒸汽压缩机(8)理论功率Pth，电机效率ηe，摩擦效率ηm，指示效率ηi，则变频电机(7)输入功率Pin:
Figure FDA0003568720380000021
所述热泵回收低温余热电驱压缩蒸汽制取系统的系统制热性能系数COPh的表达式为：
Figure FDA0003568720380000022
所述热泵回收低温余热压缩制取高参数蒸汽系统的容积效率ηv的表达式为：
Figure FDA0003568720380000031
其中，VR为实际输气量，Vh为理论输气量，且针对活塞式活塞式蒸汽压缩机(8)，设气缸直径D、活塞行程S、气缸数Z和曲轴转速n：
Figure FDA0003568720380000032
C为相对余隙容积，C为余隙容积Vc与气缸工作容积Vg之比；
P2/P1为活塞式活塞式蒸汽压缩机(8)的排气压力与进气压力的比值。
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