CN116164319A - 一种用于大温差长距离供热的换热站系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于大温差长距离供热的换热站系统，包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器、一次热网流路、二次热网流路以及动力装置；来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路；有机朗肯循环装置利用一次热网供水的高品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热第一路二次热网水；动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力，中间换热器利用一次热网供水的中品位热量加热第二路二次热网水；蒸气压缩式热泵利用一次热网供水的低品位热量加热第三路二次热网水；并联的三路二次热网水换热后由三路合为一路回到用户。本发明能够提高余热回收转化率，避免吸收式热泵的性能不稳定，同时改善换热温差的不均匀性，增大换热效率。
Description
技术领域
本发明属于余热回收利用技术领域，具体涉及一种用于大温差长距离供热的换热站系统。
背景技术
区域集中供热系统由工厂、热网(一次热网、二次热网)、换热站和用户组成，工厂与换热站之间为一次热网，换热站与用户之间为二次热网。工厂供给一次热网中的高温流体至换热站，并与之换热，降温后的低温流体回流至工厂；换热站加热从用户流来的二次网来流，加热的常规方法为换热器换热，缺点是只能在一次网的回流温度比二次网回流温度高的情况下进行加热，然而一次网回流温度更低时，用户可利用的热量更多，长距离输送所需流量更小，所造成的热损耗更小，工厂还可利用低品位工业废热，从而降低加热能耗。公开号为CN114251709A的专利申请提出了一种由吸收式热泵与换热器构成的换热站解决方案，可以降低一次网回流温度，然而该方法的吸收式热泵内部处于负压环境，易漏气，易产生不凝性气体，造成吸收式热泵性能的恶化，同时，由于吸收式热泵内冷凝器和蒸发器中制冷剂的相变温度一定，换热过程中换热温差均匀性差，换热效率低下，换热站解决方案仍需进行优化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种用于大温差长距离供热的换热站系统，能够提高余热回收转化率，避免吸收式热泵的性能不稳定，同时改善换热温差的不均匀性，增大换热效率。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种用于大温差长距离供热的换热站系统，包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器、一次热网流路、二次热网流路以及动力装置；
来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路；有机朗肯循环装置利用一次热网供水的高品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热第一路二次热网水；动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力，中间换热器利用一次热网供水的中品位热量加热第二路二次热网水；蒸气压缩式热泵利用一次热网供水的低品位热量加热第三路二次热网水；并联的三路二次热网水换热后由三路合为一路回到用户。
作为一种优选的方案，所述的有机朗肯循环装置包括膨胀机、冷凝换热器以及蒸发换热器，所述的蒸气压缩式热泵包括压缩机、冷凝器以及蒸发器；
所述一次热网供水依次经过蒸发换热器、中间换热器与蒸发器，在由高到低的温度区间上依次放热，实现一次热网回水温度低于二次热网水温；有机朗肯循环装置吸收一次热网供水的高品位热量，有机朗肯循环装置内部的ORC工质升温至过热气体状态，进入膨胀机膨胀做功，为蒸气压缩式热泵的压缩机提供动力，膨胀后乏汽状态的ORC工质加热第一路二次热网水，使第一路二次热网水升温至二次热网供热温度；第二路二次热网水在中间换热器中吸收一次热网供水的中品位热量升温至二次热网供热温度；蒸气压缩式热泵利用一次热网供水的低品位热量加热第三路二次热网水，使第三路二次热网水升温至二次热网供热温度；所述冷凝换热器的平均换热温度低于蒸发换热器，所述蒸发器的平均换热温度低于冷凝器。
作为一种优选的方案，所述的动力装置连接在膨胀机与压缩机之间，动力装置包括电机、第一离合器、第二离合器和变速器；所述有机朗肯循环装置还包括膨胀机输出轴，蒸气压缩式热泵还包括压缩机驱动轴，膨胀机输出轴与膨胀机连接，压缩机驱动轴与压缩机连接；所述的膨胀机输出轴通过变速器、第一离合器与压缩机驱动轴连接，电机通过第二离合器与压缩机驱动轴连接，第一离合器、第二离合器均与压缩机驱动轴连接或断开，膨胀机与电机同时或单独将动力传递给压缩机。
作为一种优选的方案，当一次热网供水温度大于100℃时，所述的电机不启动，第一离合器连接压缩机驱动轴，第二离合器断开，压缩机完全由膨胀机驱动；
当一次热网供水温度在70℃～100℃之间时，所述的电机启动，第一离合器、第二离合器连接压缩机驱动轴，压缩机由膨胀机、电机共同驱动；当一次热网供水温度低于70℃时，电机启动，第一离合器断开压缩机驱动轴，第二离合器连接，压缩机完全由电机驱动，第一三通阀旁通蒸发换热器，第二三通阀旁通冷凝换热器，有机朗肯循环装置不工作且不与一次热网、二次热网换热。
作为一种优选的方案，所述的一次热网流路内设置有第一三通阀；二次热网流路内设置有第二三通阀止回阀；第一三通阀位于工厂与蒸发换热器之间，用于旁通蒸发换热器，使一次热网供水不经有机朗肯循环装置而只能依次经过中间换热器与蒸发器；通过第二三通阀将来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路，分别与冷凝换热器、中间换热器、冷凝器换热后，再由三路合为一路回到用户；
所述第二三通阀位于用户与冷凝换热器之间，用于旁通冷凝换热器，使二次热网水不经有机朗肯循环装置而只能并联经过中间换热器、冷凝器，止回阀实现旁通时二次热网水不能流向冷凝换热器。
作为一种优选的方案，所述有机朗肯循环装置的内部设置有回热换热器，与冷凝换热器相连的管路上设置有泵，在膨胀机、蒸发换热器连接的管路与冷凝换热器、泵连接的管路之间设置所述的回热换热器；所述的蒸气压缩式热泵内部设置有回热器，与蒸发器相连的管路上设置有膨胀阀，在压缩机、冷凝器连接的管路与膨胀阀、蒸发器连接的管路之间设置所述的回热器。
作为一种优选的方案，所述蒸气压缩式热泵的内部循环热泵工质，所述ORC工质与热泵工质均为非共沸混合工质。
作为一种优选的方案，所述ORC工质标准压力下的泡点温度范围为240K～310K，露点温度范围为250K～320K；所述热泵工质标准压力下的泡点温度范围为210K～290K，露点温度范围为220K～300K。
作为一种优选的方案，所述的膨胀机以及压缩机均带有补气口；所述蒸发换热器由第一蒸发换热器、第二蒸发换热器两部分组成，第一蒸发换热器、第二蒸发换热器分别经第一泵、第二泵连接冷凝换热器；所述一次热网供水依次通过第一蒸发换热器、第二蒸发换热器，ORC工质分别由第一泵、第二泵进行泵送，第一蒸发换热器内部ORC工质的平均温度及压力高于第二蒸发换热器，ORC工质从第一蒸发换热器输出后进入膨胀机入口，从第二蒸发换热器输出后进入膨胀机的补气口；所述蒸发器由第一蒸发器、第二蒸发器两部分组成，第一蒸发器、第二蒸发器分别经第一膨胀阀、第二膨胀阀连接冷凝器；所述一次热网供水依次通过第一蒸发器、第二蒸发器，热泵工质输入之前分别经由第一膨胀阀与第二膨胀阀，第一蒸发器内部热泵工质的平均温度及压力高于第二蒸发器，热泵工质从第一蒸发器输出后进入压缩机的补气口，热泵工质从第二蒸发器输出后进入压缩机入口。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
采用有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵的组合，避免了现有技术的吸收式热泵由于内部处于负压环境易造成性能恶化的问题，同时由于吸收式热泵内冷凝器和蒸发器中制冷剂相变温度一定，换热过程中换热温差均匀性差，换热效率低下。本发明系统中的有机朗肯循环装置利用一次热网供水的高品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热第一部分二次热网水，动力装置补充热泵内压缩机的驱动力，中间换热器利用一次热网供水的中品位热量加热第二部分二次热网水，蒸气压缩式热泵利用一次热网供热流体的低品位热量加热第三部分二次热网水，有效提高了余热回收转化率，避免了吸收式热泵性能不稳定的问题，更加适用于大温差长距离供热。
更进一步的，本发明有机朗肯循环装置内部的ORC工质以及蒸气压缩式热泵内部的热泵工质均为非共沸混合工质，能够减少蒸发换热器及蒸发器、冷凝换热器及冷凝器与一次热网供水、二次热网水的换热温差的不均匀性。本发明换热站系统内所有的换热器均为逆流换热的流动布置，改善了换热温差的不均匀性、增大了换热效率。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1本发明实施例一用于大温差长距离供热的换热站系统结构示意图；
图2本发明实施例一用于大温差长距离供热的换热站系统内部换热的温度-换热量图；
图3本发明实施例二用于大温差长距离供热的换热站系统结构示意图；
图4本发明实施例二用于大温差长距离供热的换热站系统内部换热的温度-换热量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。
图1、图2描述了一个本发明的实施例一，如图1所示，本发明用于大温差长距离供热的换热站系统包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器300、一次热网流路、二次热网流路、动力装置。其中，有机朗肯循环装置包括膨胀机101、冷凝换热器102、泵103、蒸发换热器104、回热换热器105、ORC工质以及膨胀机输出轴107；蒸气压缩式热泵包括压缩机201、冷凝器202、膨胀阀203、蒸发器204、回热器205、热泵工质以及压缩机驱动轴207；一次热网流路内设置有第一三通阀401；二次热网流路内设置有第二三通阀501、止回阀511；动力装置包括电机601、第一离合器611、第二离合器612以及变速器621。
一次热网流路中，来自工厂的一次热网供水依次经过蒸发换热器104、中间换热器300、蒸发器204，在由高到低的温度区间上依次放热，可以实现一次热网回水温度低于二次热网水温；二次热网流路中，来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路，与冷凝换热器102、中间换热器300、冷凝器202换热后从三路合为一路回到用户。
有机朗肯循环装置中，ORC工质从蒸发换热器104吸热，温度升高至过热气体状态，随后进入膨胀机101膨胀做功，膨胀机101通过膨胀机输出轴107、变速器621、第一离合器611、压缩机驱动轴207将动力传递给压缩机201，做完功的乏汽ORC工质流经回热换热器105与液态ORC工质换热，乏汽ORC工质放热降温，液态ORC工质吸热升温；降温后的乏汽ORC工质流经冷凝换热器102与第一部分二次热网水换热，乏汽ORC工质冷凝为液态ORC工质；液态ORC工质被泵103驱动并加压，流经回热换热器105吸热升温后进入蒸发换热器104，此过程循环往复。
蒸气压缩式热泵中，热泵工质从蒸发器204吸热，温度升高相变为气态或气液两相热泵工质；随后流经回热器205与液态热泵工质换热，气态或气液两相热泵工质吸热升温为过热气态热泵工质，液态热泵工质放热降温为过冷液态热泵工质；过热气态热泵工质进入压缩机201后被加压升温为高温高压热泵工质；高温高压热泵工质流经冷凝器202与第二部分二次热网水换热，高温高压热泵工质放热冷凝为液态热泵工质；液态热泵工质流经回热器205过冷后进入蒸发器204，此过程循环往复。
当一次热网供水温度大于100℃时，电机601不启动，第一离合器611连接压缩机驱动轴207，第二离合器612断开，压缩机201完全由膨胀机101驱动；当一次热网供水温度在70℃～100℃之间时，电机601启动，第一离合器611、第二离合器612连接压缩机驱动轴207，压缩机201由膨胀机101、电机601共同驱动；当一次热网供水温度低于70℃时，电机601启动，第一离合器611断开压缩机驱动轴207，第二离合器612连接，压缩机201完全由电机601驱动，第一三通阀401旁通蒸发换热器104，第二三通阀501旁通冷凝换热器102，有机朗肯循环装置100不工作且不与一次热网、二次热网换热。
如图2所示，温度-换热量图说明了换热站系统内部的换热情况，可以看出采用非共沸混合工质、逆流换热的流动布置后，换热曲线围成了多个近似“平行四边形”，而以吸收式热泵为主的换热站系统的换热曲线在蒸发器和冷凝器中的相变换热曲线是一个“三角形”，其工质侧相变温度不变，换热温差不均匀，采用本发明的换热温差均匀性要好于以吸收式热泵为主的换热站系统；冷凝换热器102的平均换热温度低于蒸发换热器104，蒸发器204的平均换热温度低于冷凝器202。
一次热网供水经过换热器的温变显著大于二次热网，且由于非共沸混合工质在低压下具有更显著的相变温度滑移，因此非共沸混合工质不能同时匹配两侧换热温差。若选择温度滑移更大的工质，过高的冷凝温度滑移会影响ORC、热泵系统的运行效率。因此对温变大的一次热网侧的换热器进行分区换热，以匹配换热温差，即实施例2。
图3、图4描述了另一个本发明的实施例2，如图3所示，本实施例用于大温差长距离供热的换热站系统包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器300、一次热网流路、二次热网流路、动力装置，其中，有机朗肯循环装置包括膨胀机101、冷凝换热器102、第一泵103-1、第二泵103-2、第一蒸发换热器104-1、第二蒸发换热器104-2、回热换热器105、ORC工质、膨胀机输出轴107；蒸气压缩式热泵包括压缩机201、冷凝器202、第一膨胀阀203-1、第二膨胀阀203-2、第一蒸发器204-1、第二蒸发器204-2、回热器205、热泵工质、压缩机驱动轴207；一次热网流路内设置有第一三通阀401；二次热网流路内设置有第二三通阀501、止回阀511；动力装置包括电机601、第一离合器611、第二离合器612、变速器621；在本实施例中，有机朗肯循环装置的膨胀机101、蒸气压缩式热泵的压缩机201带补气口。
一次热网供水依次通过第一蒸发换热器104-1、第二蒸发换热器104-2，其内的ORC工质分别由第一泵103-1、第二泵103-2泵送，第一蒸发换热器104-1内部ORC工质的平均温度及压力高于第二蒸发换热器104-2，ORC工质从第一蒸发换热器104-1出来后进入膨胀机101入口，从第二蒸发换热器104-2出来后进入膨胀机101中部补气口；蒸发器204分为两部分，一次热网供水依次通过第一蒸发器204-1、第二蒸发器204-2，其内的热泵工质进入之前分别经由第一膨胀阀203-1、第二膨胀阀203-2，第一蒸发器204-1内部热泵工质的平均温度及压力高于第二蒸发器204-2，热泵工质从第一蒸发器204-1出来后进入压缩机201中部补气口，从第二蒸发器204-2出来后进入压缩机201入口，除无回热器外其余部分与实例1一致。
如图4所示，由于换热器分区，每个蒸发换热器104、蒸发器204内的工质流量小于其对应的冷凝换热器102、冷凝器202的流量，因此温度-换热量图中蒸发侧的斜率大于冷凝侧的斜率，相比实施例1，换热温差可以做到更高的均匀性，提升了换热效率。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，包括有机朗肯循环装置、蒸气压缩式热泵、中间换热器(300)、一次热网流路、二次热网流路以及动力装置；
来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路；有机朗肯循环装置利用一次热网供水的高品位热量驱动蒸气压缩式热泵运转，并利用余热加热第一路二次热网水；动力装置补充蒸气压缩式热泵的驱动力，中间换热器(300)利用一次热网供水的中品位热量加热第二路二次热网水；蒸气压缩式热泵利用一次热网供水的低品位热量加热第三路二次热网水；并联的三路二次热网水换热后由三路合为一路回到用户。
2.根据权利要求1所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述的有机朗肯循环装置包括膨胀机(101)、冷凝换热器(102)以及蒸发换热器(104)，所述的蒸气压缩式热泵包括压缩机(201)、冷凝器(202)以及蒸发器(204)；
所述一次热网供水依次经过蒸发换热器(104)、中间换热器(300)与蒸发器(204)，在由高到低的温度区间上依次放热，实现一次热网回水温度低于二次热网水温；有机朗肯循环装置(100)吸收一次热网供水的高品位热量，有机朗肯循环装置(100)内部的ORC工质升温至过热气体状态，进入膨胀机(101)膨胀做功，为蒸气压缩式热泵的压缩机(201)提供动力，膨胀后乏汽状态的ORC工质加热第一路二次热网水，使第一路二次热网水升温至二次热网供热温度；第二路二次热网水在中间换热器(300)中吸收一次热网供水的中品位热量升温至二次热网供热温度；蒸气压缩式热泵利用一次热网供水的低品位热量加热第三路二次热网水，使第三路二次热网水升温至二次热网供热温度；所述冷凝换热器(102)的平均换热温度低于蒸发换热器(104)，所述蒸发器(204)的平均换热温度低于冷凝器(202)。
3.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述的动力装置连接在膨胀机(101)与压缩机(201)之间，动力装置包括电机(601)、第一离合器(611)、第二离合器(612)和变速器(621)；所述有机朗肯循环装置还包括膨胀机输出轴(107)，蒸气压缩式热泵(200)还包括压缩机驱动轴(207)，膨胀机输出轴(107)与膨胀机(101)连接，压缩机驱动轴(207)与压缩机(201)连接；所述的膨胀机输出轴(107)通过变速器(621)、第一离合器(611)与压缩机驱动轴(207)连接，电机(601)通过第二离合器(612)与压缩机驱动轴(207)连接，第一离合器(611)、第二离合器(612)均与压缩机驱动轴(207)连接或断开，膨胀机(101)与电机(601)同时或单独将动力传递给压缩机(201)。
4.根据权利要求3所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，当一次热网供水温度大于100℃时，所述的电机(601)不启动，第一离合器(611)连接压缩机驱动轴(207)，第二离合器(612)断开，压缩机(201)完全由膨胀机(101)驱动；
当一次热网供水温度在70℃～100℃之间时，所述的电机(601)启动，第一离合器(611)、第二离合器(612)连接压缩机驱动轴(207)，压缩机(201)由膨胀机(101)、电机(601)共同驱动；当一次热网供水温度低于70℃时，电机(601)启动，第一离合器(611)断开压缩机驱动轴(207)，第二离合器(612)连接，压缩机(201)完全由电机(601)驱动，第一三通阀(401)旁通蒸发换热器(104)，第二三通阀(501)旁通冷凝换热器(102)，有机朗肯循环装置不工作且不与一次热网、二次热网换热。
5.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述的一次热网流路内设置有第一三通阀(401)；二次热网流路内设置有第二三通阀(501)与止回阀(511)；第一三通阀(401)位于工厂与蒸发换热器(104)之间，用于旁通蒸发换热器(104)，使一次热网供水不经有机朗肯循环装置而只能依次经过中间换热器(300)与蒸发器(204)；通过第二三通阀(501)将来自用户的二次热网水从一路分为并联的三路，分别与冷凝换热器(102)、中间换热器(300)、冷凝器(202)换热后，再由三路合为一路回到用户；
所述第二三通阀(501)位于用户与冷凝换热器(102)之间，用于旁通冷凝换热器(102)，使二次热网水不经有机朗肯循环装置而只能并联经过中间换热器(300)、冷凝器(202)，止回阀(511)实现旁通时二次热网水不能流向冷凝换热器(102)。
6.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述有机朗肯循环装置(100)的内部设置有回热换热器(105)，与冷凝换热器(102)相连的管路上设置有泵(103)，在膨胀机(101)、蒸发换热器(104)连接的管路与冷凝换热器(102)、泵(103)连接的管路之间设置所述的回热换热器(105)；所述的蒸气压缩式热泵内部设置有回热器(205)，与蒸发器(204)相连的管路上设置有膨胀阀(203)，在压缩机(201)、冷凝器(202)连接的管路与膨胀阀(203)、蒸发器(204)连接的管路之间设置所述的回热器(205)。
7.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述蒸气压缩式热泵的内部循环热泵工质，所述ORC工质与热泵工质均为非共沸混合工质。
8.根据权利要求7所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述ORC工质标准压力下的泡点温度范围为240K～310K，露点温度范围为250K～320K；所述热泵工质标准压力下的泡点温度范围为210K～290K，露点温度范围为220K～300K。
9.根据权利要求2所述用于大温差长距离供热的换热站系统，其特征在于，所述的膨胀机(101)以及压缩机(201)均带有补气口；所述蒸发换热器(104)由第一蒸发换热器(104-1)、第二蒸发换热器(104-2)两部分组成，第一蒸发换热器(104-1)、第二蒸发换热器(104-2)分别经第一泵(103-1)、第二泵(103-2)连接冷凝换热器(102)；所述一次热网供水依次通过第一蒸发换热器(104-1)、第二蒸发换热器(104-2)，ORC工质分别由第一泵(103-1)、第二泵(103-2)进行泵送，第一蒸发换热器(104-1)内部ORC工质的平均温度及压力高于第二蒸发换热器(104-2)，ORC工质从第一蒸发换热器(104-1)输出后进入膨胀机(101)入口，从第二蒸发换热器(104-2)输出后进入膨胀机(101)的补气口；所述蒸发器(204)由第一蒸发器(204-1)、第二蒸发器(204-2)两部分组成，第一蒸发器(204-1)、第二蒸发器(204-2)分别经第一膨胀阀(203-1)、第二膨胀阀(203-2)连接冷凝器(202)；所述一次热网供水依次通过第一蒸发器(204-1)、第二蒸发器(204-2)，热泵工质输入之前分别经由第一膨胀阀(203-1)与第二膨胀阀(203-2)，第一蒸发器(204-1)内部热泵工质的平均温度及压力高于第二蒸发器(204-2)，热泵工质从第一蒸发器(204-1)输出后进入压缩机(201)的补气口，热泵工质从第二蒸发器(204-2)输出后进入压缩机(201)入口。
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