CN115574646A - 一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统及方法，所述系统包括冷却水系统、高温热泵和蓄热系统，包括冷却水系统、高温热泵和蓄热系统，将高温热泵的蒸发端与冷却水系统进行耦合，将高温热泵的冷凝端与蓄热系统进行耦合；所述蓄热系统中设置梯级蓄热装置，所述梯级蓄热装置包括三个依次连接的相变蓄热罐，三个相变蓄热罐的蓄热温度逐渐递减，高温热水依次进入三个相变蓄热罐进行蓄热；本发明通过将相变蓄热罐进行梯级串联设置，进行梯级蓄热，能够提升蓄热速率和蓄热量，同时能够根据实际工程生活需要提供不同的热水温度，达到节能环保的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电厂余热利用技术领域，具体涉及一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统及方法。
背景技术
煤炭大部分由火电厂发电供暖消耗，在电厂发电过程中，通常会产生大量的余热，主要包括排烟余热和汽轮机排气余热，如果这些余热不能被合理的运用，将会造成热量的浪费，降低火电机组的效率，但是由于电厂的余热为低位能源，在实际回收利用过程中存在着技术上的困难。
中国实用新型专利CN211038763U，公开了一种利用电厂余热的供热装置，利用吸收热泵和汽水换热器将火电厂蒸汽机发电后的蒸汽和冷凝水中热量吸收，并通过水-水换热器为供暖热水进行加热，从而实现利用发电后的低品位热量。发明人发现，现有的电厂余热利用系统存在以下问题：一、蓄热温度单一，热水的温度不能根据实际需要进行调控；二、余热回收效率低，通常仅能针对其中一种余热进行回收利用，无法实现多种余热的回收利用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统及方法，避免蓄热温度单一的缺点，同时能够根据实际的生活工业需求，选择合适的供热水温度，提高了电厂余热回收效率。
本发明的技术方案如下：
在本发明的第一方面，一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，包括冷却水系统、高温热泵和蓄热系统，将高温热泵的蒸发端与冷却水系统进行耦合，将高温热泵的冷凝端与蓄热系统进行耦合；所述蓄热系统中设置梯级蓄热装置，所述梯级蓄热装置包括三个依次连接的相变蓄热罐，三个相变蓄热罐的蓄热温度逐渐递减，高温热水依次进入三个相变蓄热罐进行蓄热。
在本发明的一些实施方式中，所述冷却水系统包括冷凝器和冷却塔，冷凝器的出水口通过冷却水管连接三通比例调节阀，三通比例调节阀的两个出水口分别连接高温热泵的蒸发端和冷却塔，冷却塔的出水口与冷凝器的进水口相连。
在本发明的一些实施方式中，所述相变蓄热罐包括高温相变蓄热罐、中温相变蓄热罐和低温相变蓄热罐。
在本发明的一些实施方式中，所述蓄热系统还包括烟气水换热器，所述烟气水换热器的进水口与高温热泵的冷凝端的出水口相连，烟气水换热器的出水口与梯级蓄热装置中的高温相变蓄热罐的进水口相连。
在本发明的一些实施方式中，所述低温相变蓄热罐的出水口与高温热泵的冷凝端的进水口相连。
在本发明的一些实施方式中，高温相变蓄热罐、中温相变蓄热罐和低温相变蓄热罐上均设置常温水进口和热水出口，常温水进口与常温水源连接，热水出口经过温度控制阀与待加热设备相连。
在本发明的一些实施方式中，温度控制阀和待加热设备之间的管道上设置温度传感器，温度传感器和温度控制阀均与温度控制器通过导线连接。
在本发明的一些实施方式中，所述高温相变蓄热罐内设置相变温度为90℃-100℃的相变材料，所述中温相变蓄热罐内设置相变温度为70℃-80℃的相变材料，所述低温相变蓄热罐内设置相变温度为50℃-60℃的相变材料。
在本发明的一些实施方式中，所述烟气水换热器设置在锅炉排烟烟道的末端环管路处，所述烟气水换热器的排污端连接排污管。
在本发明的第二方面，提供了一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热方法，包括以下过程：
蓄热过程，冷凝器内的冷却水吸收乏汽余热后将热量传递给高温热泵的蒸发端，高温热泵的冷凝端制出的热水进入烟气水换热器进一步加热，加热后的水依次进入高温、中温、低温相变蓄热罐放热，放热后的水再次回到高温热泵的冷凝端加热；
加热过程，常温水源分别进入高温、中温、低温相变蓄热罐吸热，吸热后的三股流体混合为一股流体，通过调节温度控制阀的开度，使混合后的流体达到所需温度。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
（1）本发明将电厂产生的乏汽余热利用冷却水系统与高温热泵的蒸发端进行耦合，实现了乏汽余热的回收利用；并通过将高温热泵的冷凝端与蓄热系统进行耦合，实现了将乏汽余热转化为高品质的热能进行蓄热，在蓄热系统中设置烟气水换热器，利用烟气余热将高温热泵的冷凝端产生的热能进一步提升温度，实现了综合利用电厂余热，提高了电厂余热回收效率和电厂能量利用率。
（2）通过将相变蓄热罐进行梯级串联设置，实现了梯级蓄热，能够提升蓄热速率和蓄热量，避免了蓄热温度单一；同时，将加热后不同温度的热水汇成一股流体向待加热设备提供热水，利用设置的温度控制器控制温度控制阀的开启度，进而调节梯级蓄热装置的供热水温度，能够根据实际工程生活需要提供不同的热水温度，达到节能环保的效果。
（3）通过将高温热泵和电厂余热回收系统进行耦合，利用高温热泵和烟气余热将乏汽余热这种低品质的热能转变为高品质的热能，使热量更容易储存，提高了余热回收效率，达到了节约资源、提升经济效益的目的。
附图说明
图1为本发明的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统的示意图。
图中：1、冷凝器；2、高温热泵：3、冷却塔；4、烟气水换热器；5、高温相变蓄热罐；6、中温相变蓄热罐；7、低温相变蓄热罐；8、温度控制阀；9、待加热设备；10、温度传感器；11、温度控制器；12、三通比例调节阀：13、第一电动阀；14、第二电动阀；15、第三电动阀；16、第四电动阀；17、第五电动阀；18、第六电动阀；19、第七电动阀；20、第八电动阀；21、第九电动阀；22、第一水泵；23、第二水泵；24、第三水泵；25、排污管：26、冷却水管：27、蓄热水管：28、常温水源；29、供热水管；30、蒸发端；31、冷凝端。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热方法，如图1所示，包括冷却水系统、高温热泵2和蓄热系统，将高温热泵2的蒸发端30与冷却水系统进行耦合，将高温热泵2的冷凝端31与蓄热系统进行耦合。
冷却水系统包括冷凝器1和冷却塔3，冷凝器1的出水口通过冷却水管26连接三通比例调节阀12，三通比例调节阀12的两个出水口分别连接高温热泵2的蒸发端30和冷却塔3，冷却塔3的出水口与冷凝器1的进水口相连，形成冷却水回路；冷凝器1用于将冷却水和乏汽余热进行换热，冷却水在冷凝器1中吸收乏汽余热温度升高，实现了对乏汽余热的回收，冷凝器1的出水管道上设置第一水泵22和第一电动阀13，第一水泵22为冷却水提供动力，实现冷却水的循环；由于电厂循环水余热量较大，热泵处理能力有限，因此设置了三通比例调节阀12，可以将冷却水进行分流，三通比例调节阀12还能起到方便热泵启停维修的作用；三通比例调节阀12将来自冷凝器1的冷却水分为两路，一路进入高温热泵2的蒸发端30，冷却水在高温热泵2的蒸发端30进行降温，降温后的冷却水与三通比例调节阀12的另一路经过第三电动阀15汇入冷却塔3进行再次降温，冷却塔3的入口端设置第四电动阀16，用来控制进入冷却塔3的冷却水流量，在冷却塔3中降温后的冷却水再次回到冷凝器1中与乏汽余热进行换热，此过程循环进行。
蓄热系统包括烟气水换热器4和梯级蓄热装置，梯级蓄热装置包括至少三个依次连接的相变蓄热罐，所述相变蓄热罐的温度逐渐递减，相变蓄热罐包括依次连接的高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6和低温相变蓄热罐7；烟气水换热器4的进水口与高温热泵2的冷凝端31的出水口相连，烟气水换热器4的出水口经过第七电动阀19与梯级蓄热装置中的高温相变蓄热罐5的进水口相连，高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6、低温相变蓄热罐7依次相连，低温相变蓄热罐7的出水口与高温热泵2的冷凝端31的进水口相连，形成蓄热水的循环回路。
高温热泵2的冷凝端31的出水管路上设置第二水泵23和第五电动阀17，第二水泵23用于为蓄热水的循环提供动力，第五电动阀17用于调节蓄热水的流量，高温相变蓄热罐5和中温相变蓄热罐6之间设置第八电动阀20，中温相变蓄热罐6和低温相变蓄热罐7之间设置第九电动阀21；蓄热水在高温热泵2的冷凝端31吸收热量，然后进入烟气水换热器4进一步吸收烟气余热，温度升高后的蓄热水依次进入高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6和低温相变蓄热罐7进行放热，将热量传递给相变材料，温度降低后的蓄热水再次回到高温热泵2的冷凝端31进行吸热，此过程循环进行。
在本实施例中，高温相变蓄热罐5内设置相变温度为90℃-100℃的相变材料，可选择LiNO3-NaNO3-KNO3-NaNO2，相变温度为99℃；所述中温相变蓄热罐6内设置相变温度为70℃-80℃的相变材料，可选择Mg(NO3)2•6H2O/LiNO3，相变温度为72℃，或选择Ba(OH)2·8H2O，相变温度为78℃；所述低温相变蓄热罐7内设置相变温度为50℃-60℃的相变材料，可选择十六酸，相变温度57.8℃，或选择石蜡60号，相变温度为57℃。
高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6和低温相变蓄热罐7上均设置常温水进口和热水出口，常温水进口与常温水源28连接，热水出口经过温度控制阀8与待加热设备9相连，常温水管路上设置第三水泵24和第六电动阀18，第三水泵24为常温水提供动力，将常温水输送至相变蓄热罐中进行加热，分别经过高温、中温、低温相变蓄热罐加热后的热水汇入同一管路中，向待加热设备9提供热量。
在本实施例中，温度控制阀8和待加热设备9之间的管道上设置温度传感器10，温度传感器10和温度控制阀8均与温度控制器11通过导线连接，温度传感器10用来实时监测供热水管29中水的温度，将温度反馈给温度控制器11，温度控制器11根据实际需要的温度调节温度控制阀8的开度，以满足不同实际工程和生活对不同水温的需求。
本实施例中，所有的蓄热水管、冷却水管和供热水管均进行保温绝热处理，以减少热量损失。
在本实施例中，所述烟气水换热器4设置在锅炉排烟烟道的末端环管路处，烟气水换热器4的排污端连接排污管25，用于将烟气在降温过程中产生的酸性冷凝水排出中和。
具体的工作过程为：
蓄热过程：常温水管路上的第六电动阀18和第三水泵24关闭，第一电动阀13和第二电动阀14打开，冷凝器1中的冷却水支流进入高温热泵2的蒸发端30进行降温与另一支流汇合进入冷却塔3；30℃-40℃的蓄热水进入高温热泵2的冷凝端31吸热流出60℃-70℃蓄热水，之后进入烟气水换热器4与高温烟气换热升温至90℃-100℃，高温蓄热水先进入90℃-100℃相变温度的高温相变蓄热罐5内进行第一次放热，第一次降温后的中温蓄热水进入70℃-80℃相变温度的中温相变蓄热罐6内进行第二次放热，第二次降温后的低温蓄热水进入50℃-60℃相变温度的低温相变蓄热罐7内进行第三次放热，经过三次放热后的蓄热水最终流入高温热泵2的冷凝端31完成一个循环。
加热过程：冷却水管26和蓄热水管27上的第二电动阀14和第五电动阀17关闭，常温水源28在第三水泵24增压后分别流入高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6和低温相变蓄热罐7中进行吸热升温，流经高温相变蓄热罐5的出口水温为高温，流经中温相变蓄热罐6的出口水温为中温，流经低温相变蓄热罐7的出口水温为低温，根据待加热设备9所需要的温度，通过温度控制器11调节温度控制阀8的开度大小，使三股流体混合为一股流体，达到实际工程所需要的水温。
实施例2
本发明的一种典型的实施方式中，提出一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热方法，包括：蓄热过程，冷凝器1内的冷却水吸收乏汽余热后将热量传递给高温热泵2的蒸发端30，高温热泵2的冷凝端31制出的热水进入烟气水换热器4进一步加热，加热后的热水依次进入高温相变蓄热罐5、中温相变蓄热罐6、低温相变蓄热罐7放热，放热后的水再次回到高温热泵2的冷凝端31加热；
加热过程，常温水源28分别进入高温、中温、低温相变蓄热罐吸热，吸热后的三股流体混合为一股流体，通过调节温度控制阀的开度，使混合后的流体达到所需温度。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，包括冷却水系统、高温热泵和蓄热系统，将高温热泵的蒸发端与冷却水系统进行耦合，将高温热泵的冷凝端与蓄热系统进行耦合；所述蓄热系统中设置梯级蓄热装置，所述梯级蓄热装置包括三个依次连接的相变蓄热罐，三个相变蓄热罐的蓄热温度逐渐递减，高温热水依次进入三个相变蓄热罐进行蓄热。
2.如权利要求1所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述冷却水系统包括冷凝器和冷却塔，冷凝器的出水口通过冷却水管连接三通比例调节阀，三通比例调节阀的两个出水口分别连接高温热泵的蒸发端和冷却塔，冷却塔的出水口与冷凝器的进水口相连。
3.如权利要求1所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述相变蓄热罐包括高温相变蓄热罐、中温相变蓄热罐和低温相变蓄热罐。
4.如权利要求3所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述蓄热系统还包括烟气水换热器，所述烟气水换热器的进水口与高温热泵的冷凝端的出水口相连，烟气水换热器的出水口与梯级蓄热装置中的高温相变蓄热罐的进水口相连。
5.如权利要求4所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述低温相变蓄热罐的出水口与高温热泵的冷凝端的进水口相连。
6.如权利要求5所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，高温相变蓄热罐、中温相变蓄热罐和低温相变蓄热罐上均设置常温水进口和热水出口，常温水进口与常温水源连接，热水出口经过温度控制阀与待加热设备相连。
7.如权利要求6所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，温度控制阀和待加热设备之间的管道上设置温度传感器，温度传感器和温度控制阀均与温度控制器通过导线连接。
8.如权利要求3所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述高温相变蓄热罐内设置相变温度为90℃-100℃的相变材料，所述中温相变蓄热罐内设置相变温度为70℃-80℃的相变材料，所述低温相变蓄热罐内设置相变温度为50℃-60℃的相变材料。
9.如权利要求4所述的基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热系统，其特征在于，所述烟气水换热器设置在锅炉排烟烟道的末端环管路处，所述烟气水换热器的排污端连接排污管。
10.一种基于电厂余热和高温热泵的梯级相变蓄热方法，其特征在于，包括以下过程：
蓄热过程，冷凝器内的冷却水吸收乏汽余热后将热量传递给高温热泵的蒸发端，高温热泵的冷凝端制出的热水进入烟气水换热器进一步加热，加热后的水依次进入高温、中温、低温相变蓄热罐放热，放热后的水再次回到高温热泵的冷凝端加热；
加热过程，常温水源分别进入高温、中温、低温相变蓄热罐吸热，吸热后的三股流体混合为一股流体，通过调节温度控制阀的开度，使混合后的流体达到所需温度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116576707A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-08-11 | 清华大学 | 梯级相变储热系统的设计方法、装置、设备、介质及系统 |
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-
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