CN114777356A - 热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵 - Google Patents

热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵 Download PDF

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Abstract

热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵：系统集成换热器、加热节流闪蒸补水循环、喷射式热泵等节能技术以实现节能技术的系统性和经济性，不仅由换热器回收热流体余热，以替代一次能源驱动加热节流闪蒸补水循环，而直接产生低压饱和水蒸汽，并且由喷射式热泵回收管网高压水蒸汽的减压势能与减温显热，以引射并混合低压饱和水蒸汽，产生中压水蒸汽；同时免除水蒸汽压缩机的投资与耗电，从而不仅成倍降低节能系统初投资，而且成倍降低其运行费。

Description

热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵
(一)技术领域
本发明涉及一种由换热器回收100～900℃热流体余热以驱动加热节流闪蒸补水循环，从而持续闪蒸产生90～120℃饱和水蒸汽，再由表压5～16barg水蒸汽通过热压缩式喷射式热泵引射、混合、扩压而产生表压1～6barg水蒸汽。
(二)背景技术
目前工业节能市场中回收余热、余压的节能技术现状：
1、换热器回收热流体余热：由换热器回收锅炉烟气、发电机烟气、发动机烟气、精馏塔顶气、康醛气等高温气态热流体的凝结潜热和或降温显热，以加热、升温循环热水；或者回收造纸黑碱液、工业废液等高温液态热流体的降温显热，以加热、升温循环热水。
2、为替代燃煤蒸汽锅炉而设计的蒸汽发生器：
(1)由燃气、燃油、电热等一次能源以直流方式、小流量加热常温、带压进水并升温至105～200℃，再节流后闪蒸产生表压90～150℃饱和水蒸汽。
(2)由燃气、燃油、电热等一次能源通过加热→节流→闪蒸→补水循环，以循环方式、大流量加热90～150℃热水并升温至95～160℃，同时预热小流量补水，再经节流阀减压后流至闪蒸罐中降温、闪蒸而产生90～150℃饱和水蒸汽。
3、管网中高压水蒸汽减压、减温：在蒸汽管网中为降低输送压力损失而须采用高压水蒸汽，然而在用户末端为了提高10％左右的凝结潜热加热量，从而需要以损失减压势能和减温显热作为代价，把8～16barg高压水蒸汽减压、减温至2～4barg低压水蒸汽。
4、水蒸汽压缩机：输入电功率以驱动水蒸汽压缩机高速旋转，以在进口形成负压，而吸入低压水蒸汽并由其内部高速旋转的叶轮或者转子压缩产生中压水蒸汽，再经出口送出。
5、喷射式热泵：高压水蒸汽流入其高压水蒸汽进口，并由其内部设置的喷嘴高速喷射并在射流周边形成负压，而经低压水蒸汽进口吸引低压饱和水蒸汽，并混合之后再经扩压管减速、扩压产生中压水蒸汽，再经出口送出。
综上所述现有余热、余压回收技术中：换热器虽然回收热流体余热，却不直接产生水蒸汽；蒸汽发生器虽然产生水蒸汽，却须由一次能源驱动；管网高压水蒸汽在用户末端为了提高10％左右的凝结潜热加热量，需要以损失减压势能和减温显热作为代价；水蒸汽压缩机虽然可压缩低压水蒸汽而产生高压水蒸汽，却需高品位电能驱动；从而均难以独立实现节能技术的经济性。因此工业节能市场迫切期待跨界技术整合。
(三)发明内容
本发明目的是：不仅由换热器回收热流体余热，以替代一次能源驱动加热节流闪蒸补水循环，而直接产生低压饱和水蒸汽，并且由喷射式热泵回收管网高压水蒸汽的减压势能与减温显热，以引射并混合低压饱和水蒸汽，产生中压饱和水蒸汽；同时免除水蒸汽压缩机的投资与耗电，从而不仅成倍降低节能系统初投资，而且成倍降低其运行费。
按照附图1所示的热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵，其由1-热流体；2-热流体回热器；2-1-热流体进口；2-2-热流体出口；2-3-回热器软化水进口；2-4-回热器软化水出口；3-软化水；4-软化水箱；5-循环水泵；5-1-补水三通；5-2-过滤器；5-3-逆止阀；6-节流阀；7-闪蒸罐；7-1-软化水进口；7-2-软化水出口；7-3-低压饱和水蒸汽出口；7-4-挡水板；7-5-捕沫器；7-6-软化水液位计；7-7-软化水流量调节阀；8-高压水蒸汽；9-喷射式热泵；9-1-高压水蒸汽进口；9-2-低压饱和水蒸汽进口；9-3-中压水蒸汽出口；10-中压水蒸汽；11-低压饱和水蒸汽组成，其特征在于：热流体1通过管道连接热流体进口2-1、热流体回热器2热流体侧、热流体出口2-2，组成热流体放热回路；软化水3通过管道连接软化水箱4、软化水流量调节阀7-7、补水三通5-1的补水进口，组成软化水补水回路；补水三通5-1出口通过管道连接过滤器5-2、循环水泵5、逆止阀5-3、回热器软化水进口2-3、热流体回热器2软化水侧、回热器软化水出口2-4、节流阀6、软化水进口7-1、闪蒸罐7腔体、软化水出口7-2、补水三通5-1循环水进口，组成软化水加热节流闪蒸补水循环回路；闪蒸罐7腔体中部闪蒸产生的低压饱和水蒸汽11向上绕过挡水板7-4、捕沫器7-5、低压饱和水蒸汽出口7-3，组成低压饱和水蒸汽分离排出回路；高压水蒸汽8通过管道连接高压水蒸汽进口9-1、喷射式热泵9本体、中压水蒸汽出口9-3，组成水蒸汽喷射混合回路；软化水液位计7-6通过水位信号闭环控制软化水流量调节阀7-7的开度，组成软化水流量调节回路。
喷射式热泵9为热压缩式，其中高压水蒸汽8流入其高压水蒸汽进口9-1，并由其内部喷嘴高速喷射并在射流周边形成负压，而经低压饱和水蒸汽进口9-2吸引低压饱和水蒸汽11，并混合之后再经扩压管减速、扩压产生中压水蒸汽10，并由中压水蒸汽出口9-3送出。
热流体1是100～700℃的锅炉烟气；或是100～500℃的发电机烟气；或是100～500℃的发动机烟气；或是100～190℃的精馏塔顶气；或是100～200℃的康醛气；或是100～150℃的造纸黑碱液；或是100～150℃的工业废液。
热流体回热器2是设置于烟道中的翅片管热流体回热器，其中翅片管外流经热流体1，翅片管内流经软化水3；热流体回热器2是设置于烟道中的光管热流体回热器，其中光管外流经热流体1，光管内流经软化水3；热流体回热器2是管壳式热流体回热器，其中管程流经热流体1，壳程流经软化水3。
本发明的工作原理结合附图2说明如下：
1、热流体放热降温：450℃的发电机烟气1由热流体进口2-1流经烟道中的翅片管热流体回热器2热流体侧，放热并降温至140℃后从热流体出口2-2流出。
2、加热节流闪蒸补水循环：软化水3，由回热器软化水进口2-3流经烟道中的翅片管热流体回热器2软化水侧，加热并升温后从回热器软化水出口2-4流出，流经节流阀6以减压而从软化水进口7-1流入闪蒸罐7的腔体中部，从而以绝热方式提取循环软化水降温显热来提供蒸发潜热，而闪蒸产生低压饱和水蒸汽11，降温后的软化水3经软化水出口7-2流入补水三通5-1的循环水进口并补充软化水3，再流经过滤器5-2以过滤杂质，流经循环水泵5以提升压力而循环，流经逆止阀5-3而重回回热器软化水进口2-3，以构建软化水3的加热节流闪蒸补水循环。
3、低压饱和水蒸汽的分离与排出：闪蒸罐7的腔体中部由节流降压而降温并闪蒸产生的低压饱和水蒸汽11向上经过挡水板7-4的一级惯性分离，再经过捕沫器7-5的二级惯性分离，而从低压饱和水蒸汽出口7-3排出，再由管道流入喷射式热泵9的低压饱和水蒸汽进口9-2。
4、水蒸汽喷射混合：热压缩式的喷射式热泵9，其中1份高压水蒸汽8流入其高压水蒸汽进口9-1，并由其内部喷嘴高速喷射并在射流周边形成负压，再经低压饱和水蒸汽进口9-2吸引1份低压饱和水蒸汽11，并混合后经扩压管减速、扩压产生2份中压水蒸汽10，并由中压水蒸汽出口9-3送出。
5、软化水流量调节：软化水液位计7-6通过液位信号闭环控制软化水流量调节阀7-7的开度，以调节软化水3经软化水箱4流入补水三通5-1进口的补水流量。
因此与现有的换热器、蒸汽发生器、管网中高压水蒸汽减压减温、水蒸汽压缩机这4种技术相比较，本发明技术优势如下：系统集成换热器、加热节流闪蒸补水循环、喷射式热泵等3种余热、余压回收技术，以实现节能技术的系统性和经济性，不仅由换热器回收热流体余热，以替代一次能源驱动加热节流闪蒸补水循环，而直接产生低压饱和水蒸汽，并且由喷射式热泵回收管网高压水蒸汽的减压势能与减温显热，以引射并混合低压饱和水蒸汽，产生中压水蒸汽；同时免除水蒸汽压缩机的投资与耗电，从而不仅成倍降低节能系统初投资，而且成倍降低其运行费。
(四)附图说明
附图1为本发明的光管热流体回热器的系统流程图。
附图2为本发明的翅片管热流体回热器的系统流程图。
附图3为本发明的管壳式热流体回热器的系统流程图。
如附图1所示，其中：1-热流体；2-热流体回热器；2-1-热流体进口；2-2-热流体出口；2-3-回热器软化水进口；2-4-回热器软化水出口；3-软化水；4-软化水箱；5-循环水泵；5-1-补水三通；5-2-过滤器；5-3-逆止阀；6-节流阀；7-闪蒸罐；7-1-软化水进口；7-2-软化水出口；7-3-低压饱和水蒸汽出口；7-4-挡水板；7-5-捕沫器；7-6-软化水液位计；7-7-软化水流量调节阀；8-高压水蒸汽；9-喷射式热泵；9-1-高压水蒸汽进口；9-2-低压饱和水蒸汽进口；9-3-中压水蒸汽出口；10-中压水蒸汽；11-低压饱和水蒸汽。
(五)具体实施方式
本发明提出的热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵实施例如附图3所示，现说明如下：其由平均流量418t/h、温度117/105℃的造纸黑碱液1；取热量5.824MW的管壳式热流体回热器2；直径400mm的304不锈钢热流体进口2-1；直径400mm的304不锈钢热流体出口2-2；直径400mm的碳钢回热器软化水进口2-3；直径400mm的碳钢回热器软化水出口2-4；平均流量418t/h和温度112/100℃的软化水3；体积3m3/壁厚5mm的碳钢软化水箱4；流量418t/h、扬程7mH20、电功率10.29kW的循环水泵5；接口直径400mm/长度800mm/壁厚3mm的碳钢补水三通5-1；接口直径400mm/长度800mm/壁厚3mm的碳钢过滤器5-2；接口直径400mm/长度800mm/壁厚3mm的碳钢逆止阀5-3；接口直径400mm/长度800mm/壁厚3mm的碳钢节流阀6；直径2000mm/高度6000mm/壁厚5mm的碳钢闪蒸罐7；接口直径400mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢软化水进口7-1；接口直径400mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢软化水出口7-2；接口直径450mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢低压饱和水蒸汽出口7-3；直径1600mm/壁厚5mm的碳钢挡水板7-4；直径2000mm/高度150mm的碳钢捕沫器7-5；高差500mm的软化水液位计7-6；接口直径40mm/长度150mm/壁厚3mm的碳钢软化水流量调节阀7-7；流量16.02t/h、表压12bar的高压水蒸汽8；直径650mm/长度1500mm/壁厚3mm的碳钢喷射式热泵9；接口直径200mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢高压水蒸汽进口9-1；接口直径450mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢低压饱和水蒸汽进口9-2；接口直径500mm/长度400mm/壁厚3mm的碳钢中压水蒸汽出口9-3；流量25.31t/h、表压2bar的中压水蒸汽10；流量9.29t/h的100℃饱和水蒸汽11。
本发明实施例，不仅由换热器回收造纸黑碱液所释放117/105℃的5824kW降温显热，以替代一次能源驱动加热节流闪蒸补水循环，而闪蒸产生9.29t/h的100℃饱和水蒸汽，并且由1套喷射式热泵以0.58引射比，回收管网16.02t/h的12barg水蒸汽减压势能与减温显热，引射并混合100℃饱和水蒸汽，以替代由12barg水蒸汽减压、减温所形成25.31t/h的2barg水蒸汽；同时免除水蒸汽压缩机的投资与耗电，从而不仅成倍降低节能系统初投资，而且每年可按照￥180/t的锅炉汽价节省￥1338万运行费；因此蒸汽效益可达有机朗肯循环ORC发电效益的8.8倍，从而大幅提高系统的综合能源利用率，降低生产成本，提高企业竞争力。
与现有换热器、蒸汽发生器、管网中高压水蒸汽减压减温、水蒸汽压缩机等4种技术相比较，本发明：
(1)节能系统制热能效比COP可达553kW/kW。
(2)节省水蒸汽压缩机投资。
(3)制取每吨水蒸汽循环水泵耗电1.135kW*h/t，相比水蒸汽压缩机耗电145.52kW*h/t可节省99.22％运行费。

Claims (4)

1.一种热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵，其由热流体(1)；热流体回热器(2)；热流体进口(2-1)；热流体出口(2-2)；回热器软化水进口(2-3)；回热器软化水出口(2-4)；软化水(3)；软化水箱(4)；循环水泵(5)；补水三通(5-1)；过滤器(5-2)；逆止阀(5-3)；节流阀(6)；闪蒸罐(7)；软化水进口(7-1)；软化水出口(7-2)；低压饱和水蒸汽出口(7-3)；挡水板(7-4)；捕沫器(7-5)；软化水液位计(7-6)；软化水流量调节阀(7-7)；高压水蒸汽(8)；喷射式热泵(9)；高压水蒸汽进口(9-1)；低压饱和水蒸汽进口(9-2)；中压水蒸汽出口(9-3)；中压水蒸汽(10)；低压饱和水蒸汽(11)组成，其特征在于：热流体(1)通过管道连接热流体进口(2-1)、热流体回热器(2)热流体侧、热流体出口(2-2)，组成热流体放热回路；软化水(3)通过管道连接软化水箱(4)、软化水流量调节阀(7-7)、补水三通(5-1)的补水进口，组成软化水补水回路；补水三通(5-1)出口通过管道连接过滤器(5-2)、循环水泵(5)、逆止阀(5-3)、回热器软化水进口(2-3)、热流体回热器(2)软化水侧、回热器软化水出口(2-4)、节流阀(6)、软化水进口(7-1)、闪蒸罐(7)腔体、软化水出口(7-2)、补水三通(5-1)循环水进口，组成软化水加热节流闪蒸补水循环回路；闪蒸罐(7)腔体中部闪蒸产生的低压饱和水蒸汽(11)向上绕过挡水板(7-4)、捕沫器(7-5)、低压饱和水蒸汽出口(7-3)，组成低压饱和水蒸汽分离排出回路；高压水蒸汽(8)通过管道连接高压水蒸汽进口(9-1)、喷射式热泵(9)本体、中压水蒸汽出口(9-3)，组成水蒸汽喷射混合回路；软化水液位计(7-6)通过水位信号闭环控制软化水流量调节阀(7-7)的开度，组成软化水流量调节回路。
2.按照权利要求1所述的热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵，其特征在于：喷射式热泵(9)为热压缩式，其中高压水蒸汽(8)流入其高压水蒸汽进口(9-1)，并由其内部喷嘴高速喷射并在射流周边形成负压，而经低压饱和水蒸汽进口(9-2)吸引低压饱和水蒸汽(11)，并混合之后再经扩压管减速、扩压产生中压水蒸汽(10)，并由中压水蒸汽出口(9-3)送出。
3.按照权利要求1所述的热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵，其特征在于：热流体(1)是100～700℃的锅炉烟气；或是100～500℃的发电机烟气；或是100～500℃的发动机烟气；或是100～190℃的精馏塔顶气；或是100～200℃的康醛气；或是100～150℃的造纸黑碱液；或是100～150℃的工业废液。
4.按照权利要求1所述的热流体回热闪蒸循环蒸汽热泵，其特征在于：热流体回热器(2)是设置于烟道中的翅片管热流体回热器，其中翅片管外流经热流体，翅片管内流经软化水(3)；热流体回热器(2)是设置于烟道中的光管热流体回热器，其中光管外流经热流体(1)，光管内流经软化水(3)；热流体回热器(2)是管壳式热流体回热器，其中管程流经热流体(1)，壳程流经软化水(3)。
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