CN116697325A - 一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法，应用于空气源热泵技术领域，机组包括蒸汽发生器，蒸汽发生器内设有气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三和喷淋装置，气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三依次相连通且呈上中下关系，喷淋装置设在气体冷却器一和气体冷却器二之间，气体冷却器三淹没于内部空间的底部的储液中；控制方法是在机组正常工作范围内，确定真空泵、节流装置、液位、水蒸气压缩机最优解，使机组的总输入功率最低的方法；本发明能够以多级加热方式，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，有效将热水转化为蒸汽，与现有技术相比，提高了蒸汽供应量，同时提高了系统能效，更加节能。

Description

一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及空气源热泵技术领域，特别涉及一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法。

背景技术

我国工业能耗的50%~70%都是以热能的形式被消耗，其中大部分为80℃以上的高温热能需求，传统高温供热采用燃煤燃油燃气锅炉或电锅炉等，存在效率低、污染高等问题。空气源热泵作为一种高效清洁的供热方式，在中低温供热领域已得到广泛应用，但是受限于制冷剂及制冷系统难以实现大温升，导致通过空气源热泵技术制取100℃以上蒸汽产品很少。现有技术一般是先利用空气源热泵将低温水加热至80℃以上的高温饱和水，高温饱和水直接或经减压阀降压后进入低压闪蒸罐产生微压蒸汽，再利用水蒸气压缩机压缩得到满足用户需求的高温高压蒸汽。上述采用低压闪蒸罐方式产生蒸汽，对于固定真空度的闪蒸罐，产生的蒸汽量有限，若要提高蒸汽产量，就需要增大闪蒸罐的真空度，但是产生的蒸汽压力和温度更低，这又会使得维持闪蒸罐负压环境和水蒸气压缩机的能耗更高，造成整个系统能效低。

针对上述问题，本发明提供一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述空气源热泵产出蒸汽量有限的不足，提供一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法，能够通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，能够利用二氧化碳热泵压缩机排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，同时提高了系统能效，更加节能。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案。

一种高温空气源热泵蒸汽机组，其包括应用在空气源热泵供热系统中的蒸汽发生器，蒸汽发生器的内部空间设有气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三和喷淋装置，气体冷却器一设于内部空间的上部，气体冷却器二设于气体冷却器一下方，喷淋装置设在气体冷却器一和气体冷却器二之间，气体冷却器三相间隔地设于气体冷却器二下方，且气体冷却器三淹没于内部空间的底部的储液中，气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三依次相连通，气体冷却器一的入口用于通入二氧化碳，蒸汽发生器设有用于蒸汽排出的蒸汽出口、用于补充水的补水口、用于循环储液的循环水出口。

该蒸汽发生器的内部空间设有通入二氧化碳的气体冷却器一，通过喷淋装置进入蒸汽发生器内部的热水储存在内部空间的底部，其中二氧化碳通过气体入口进入气体冷却器一，高温热水通过喷淋装置进入蒸汽发生器内产生蒸发有两个过程，一是进入后直接闪蒸产生蒸汽，二是热水喷洒在气体冷却器二的表面，与气体冷却器二内的高温二氧化碳进行热交换，高温热水在气体冷却器二表面蒸发产生蒸汽，同时气体冷却器二内的高温二氧化碳被冷却；三个气体冷却器在蒸汽发生器内进行多级加热过程，首先气体冷却器一内的高温二氧化碳对内部产生的蒸汽进行一级加热，然后通过喷淋装置喷出的高温热水与气体冷却器二内的高温二氧化碳与喷淋装置喷出的高温热水热交换，进行二级加热，最后通过蒸汽发生器内部空间的底部储液对气体冷却器三中的二氧化碳进行冷却；能够在蒸汽发生器内部通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，也能够通过蒸汽出口能够将蒸汽对外输送，通过补水口对蒸汽发生器内的储液进行补充，也达到一定的降温作用，通过循环水出口收集蒸汽发生器内的相对降温后的水，再通过管道提供至喷淋装置，实现循环使用。

在本发明较佳的实施方案中，上述蒸汽发生器的内部空间还设有气体冷却器n，n为大于3的整数，气体冷却器n的位置位于内部空间的上部、中部或底部；通过设置多个气体冷却器，在蒸汽发生器内能够进行热水的多级加热和二氧化碳的降温，形成多级加热过程，能够更加有效地产生蒸汽。

在本发明较佳的实施方案中，上述蒸汽发生器还连接有水泵，水泵设在循环水出口和喷淋装置之间的管道上；通过水泵将水从蒸汽发生器的底部输送至喷淋装置中，提供高温热水至蒸汽发生器内。

在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括真空泵，真空泵连接至蒸汽发生器；通过真空泵对蒸汽发生器内进行抽气，使蒸汽发生器内保持真空环境。

在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括水蒸气压缩机，水蒸气压缩机的入口通过管道连接至蒸汽出口，水蒸气压缩机的出口通过管道连接至用户处；通过水蒸气压缩机将蒸汽出口排出的水蒸气进行加压升温，对外输出高温高压蒸气。

在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括补水阀和循环水阀，循环水阀安装在循环水出口连接的管道上，补水阀安装在补水口连接的管道上；通过循环水阀将进入蒸汽发生器内的高温热水排出后进行循环利用，再进入喷淋装置进行循环，通过补水阀对蒸汽发生器中的水进行补充。

在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括四通换向阀，四通换向阀包括a、b、c、d四个端口，a端通过管道连接至气体冷却器一，b端通过管道连接至热泵压缩机，c端通过管道连接至气液分离器，气液分离器用于分离二氧化碳气体并回流至热泵压缩机，d端通过管道连接至换热组件；制热时，a端和b端连通、c端和d端连通；除霜时，a端和c端连通、b端和d端连通；通过四通换向阀的a、b、c、d端的设置，能够转换至制热模式，将高温气体导入蒸汽发生器内产生蒸汽，再经换热组件进行热交换，最终回流至热泵压缩机，同时也能够转换至除霜模式，将高温高压气体先通过换热组件再进入气体冷却器和蒸汽发生器，最终回流至热泵压缩机。

在本发明较佳的实施方案中，上述换热组件包括蒸发器和回热器，回热器通过管道与气体冷却器三连接，回热器通过管道与四通换向阀的d端连接，回热器通过管道与蒸发器连接，经蒸发器后再通过管道连接至回热器，回热器和蒸发器之间的管道上设有节流装置，蒸发器处设有风机；回热器和蒸发器的设置，能够进行热交换，实现排出蒸汽发生器的气体和经蒸发器后的气体的热交换。

在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括监测组件，监测组件包括功率采集器、压力传感器、液位传感器、温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三，功率采集器分别与热泵压缩机、风机、水泵、水蒸气压缩机和真空泵连接，压力传感器连接至蒸汽发生器上，液位传感器置于内部空间的底部并用于监测储液的液位，温度传感器一设在循环水出口与水泵之间的管道上，温度传感器二设在热泵压缩机连接的出口处管道上，温度传感器三设在水蒸气压缩机连接的出口处管道上；通过功率采集器实现对各设备的输入功率监测，通过压力传感器实现对蒸汽发生器内的压力监测，确保蒸汽发生器内的真空环境，通过液位传感器实现对蒸汽发生器内的热水液位进行监测，确保液位在符合要求的范围内波动，通过温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三实现对蒸汽发生器、热泵压缩机和水蒸气压缩机的出口处的流体温度进行监测，保持正常工作。

一种高温空气源热泵蒸汽机组的控制方法，采用上述的高温空气源热泵蒸汽机组，控制方法包括以下步骤。

S1、建立各设备的系统输入总功率函数W，设备水泵、真空泵、热泵压缩机、水蒸气压缩机和风机。

S2、启动上述各设备，设置蒸汽发生器的液位最大值Hws(max)和最小值Hws(min)，设置水蒸气压缩机的出口目标蒸汽温度Tss及回差温度ΔTs，设置蒸汽发生器的内部空间的压力Ps及回差压力ΔP，设置热泵压缩机的排气回差温度ΔTp，循环水阀的出口热水回差温度ΔTw，热泵压缩机的目标排气温度Tps与循环水阀的出口目标水温Tws的差值ΔTwp。

S3、设置蒸汽发生器的内部空间的目标压力Ps，在设置范围由高到低划分为多个可控制目标压力点Ps1、Ps2、Ps3、…、Psi、…、Psn (1≤i≤n)，其中Ps1=0.1 Mpa，Psn=0.05MPa。

S4、将循环水阀处目标水温Tws设置为Ps对应的饱和蒸汽温度。

S5、根据循环水阀的出口目标水温Tws计算热泵压缩机的目标排气温度Tps，Tps=Tws+ΔTwp。

S6、通过温度传感器一、温度传感器二、温度传感器三监测各处温度，通过压力传感器监测蒸汽发生器的内部空间压力P，通过功率采集器监测各设备的功率。

S7、判断蒸汽发生器内部压力P是否达到目标压力Ps，若Ps≥P+ΔP，则通过真空泵加载，若Ps≤P-ΔP，则通过真空泵减载，否则维持当前状态。

S8、判断排气温度Tp是否达到目标排气温度Tps，若Tp≥Tps+ΔTp，则增大节流装置的开度，若Tp≤Tps-ΔTp，则减小节流装置的开度，否则维持当前状态。

S9、判断液位高度Hw是否达到目标液位高度最大值Hws(max)或最小值Hws(min)，若Hw≥Hws(max)，则减小补水阀的开度，若Hw≤Hws(min)则增大补水阀的开度；若未达到Hws(max)或Hws(min)，则判断循环水阀出口水温Tw是否达到目标水温Tws，若Tw ≥ Tws+ΔTw，则增大补水阀的开度，若Tw ≤ Tws-ΔTw，则减小补水阀的开度，否则维持当前状态。

S10、判断水蒸气压缩机出口蒸汽温度Ts是否达到目标蒸汽温度Tss，若Ts≥Tss+ΔTs，则水蒸气压缩机减载，若Ts≤Tss-ΔTs，则水蒸气压缩机加载，否则维持当前状态。

S11、待机组运行稳定后，计算当前Psi对应的系统输入总功率W（Psi）。

S12、判定是否满足i＞1，若不成立，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤S4~S11，直至i＞1，若W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器的最优目标压力，使得系统输入总功率最低；否则，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤S4~S11，直至W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器的最优目标压力，使得系统输入总功率W最低。

通过S1建立系统输入总功率的函数，由于蒸汽发生器存在最佳压力使函数值最小，这样便于得出最优解，通过S2的设置，机组能够保持在一定范围内正常运行，通过S3限制边界条件，也减小了计算量，通过S4和S5，便于计算出目标水温和目标排气温度，通过S6实现对各监测位置的温度、功率的监测，通过S7实现对真空泵最佳效率的调节，通过S8实现对节流装置最佳效率的调节，通过S9实现对蒸汽发生器内的液位最佳位置的调节，通过S10实现水蒸气压缩机的最佳效率的调节，通过S11-S12得到系统输入总功率的最优解，确定出各设备的最优功率，实现最低能耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过该高温空气源热泵蒸汽机组，能够通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，同时利用二氧化碳热泵压缩机排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，提高了系统能效，更加节能。

2、通过该控制方法，由建立系统输入总功率的函数开始，再根据目标蒸汽温度、目标水温和目标排气温度，结合实时监测的温度、功率、液位的数据，依次确定出真空泵、节流装置、蒸汽发生器、水蒸气压缩机的最优解，从而确定出各设备的最优功率，实现最低能耗，节约成本。

附图说明

图1为本发明的高温空气源热泵蒸汽机组的系统原理图。

图2为本发明的蒸汽发生器的结构示意图。

图3为本发明的高温空气源热泵蒸汽机组的控制方法流程图。

图中标记：1-热泵压缩机、2-四通换向阀、3-回热器、4-节流装置、5-蒸发器、6-风机、7-气液分离器、8-水泵、9-蒸汽发生器、10-真空泵、11-水蒸气压缩机、12-补水阀、13-循环水阀、14-温度传感器一、15-温度传感器二、16-温度传感器三、17-功率采集器、91-气体冷却器一、92-气体冷却器二、93-气体冷却器三、94-补水口、95-循环水出口、96-液位传感器、97-喷淋装置、98-蒸汽出口、99-压力传感器。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种高温空气源热泵蒸汽机组，其包括热泵压缩机1、四通换向阀2、节流装置4、气液分离器7、水泵8、蒸汽发生器9、真空泵10、水蒸气压缩机11、补水阀12、循环水阀13及换热组件、监测组件，换热组件包括蒸发器5和回热器3，蒸发器5处还设有风机6，监测组件包括功率采集器17、压力传感器99、液位传感器96、温度传感器一14、温度传感器二15和温度传感器三16，本实施例的上述部件均为空气源热泵现有采用的装置或设备；该机组在蒸汽发生器9内部通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，同时能够利用二氧化碳热泵压缩机1排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，提高了系统能效，更加节能。

本实施例中，四通换向阀2包括a、b、c、d四个端口，a端、b端、c端和d端能够通过四通换向阀2的内部连通，热泵压缩机1通过管道连接至四通换向阀2的b端，气体冷却器一91的气体入口通过管道连接至四通换向阀2的a端，四通换向阀2的c端通过管道连接至气液分离器7，气液分离器7通过管道连接至热泵压缩机1，气液分离器7分离后的二氧化碳通过该连接热泵压缩机1的管道回到热泵压缩机1内再次进行加热和加压，四通换向阀2的d端与回热器3通过管道连接，回热器3设有四根管道，其中一号管道与气体冷却器三93的气体出口连接，气体经过回热器3后通过二号管道进入蒸发器5，二号管道上设有节流装置4，该节流装置4为节流阀，蒸发器5处设有用于为蒸发器5散热的风机6，蒸发器5通过三号管道连接至回热器3，回热器3和蒸发器5的设置，能够进行热交换，实现排出蒸汽发生器9内的气体和经蒸发器5后的气体的热交换，回热器3的四号管道连接至四通换向阀2的d端。

本实施例中，由于四通换向阀2可进行内部接口的换向连接，用于制热时，a端和b端连通、c端和d端连通，此时四通换向阀2内部分别形成ab通道和cd通道，高温高压二氧化碳经过四通换向阀2后进入蒸汽发生器9的气体入口，而经过蒸发器5、回热器3的二氧化碳经过四通换向阀2后进入气液分离器7；用于除霜时，a端和c端连通、b端和d端连通，此时四通换向阀2内部分别形成ac通道和bd通道，气体冷却器一91、气体冷却器二92和气体冷却器三93的气体入口和气体出口作用互换，高温高压二氧化碳经过四通换向阀2后再经过回热器3、蒸发器5，从蒸汽发生器9排出的二氧化碳经过四通换向阀2后进入气液分离器7；通过四通换向阀2的a、b、c、d端的设置，能够转换至制热模式，将高温高压气体导入蒸汽发生器9内，热交换产生蒸汽，再经换热组件进行热交换，最终回流至热泵压缩机1，同时也能够转换至除霜模式，将高温高压气体先通过换热组件再进入气体冷却器和蒸汽发生器9，最终回流至热泵压缩机1。

本实施例中，蒸汽发生器9具有装置壳体，在壳体的顶部设有接口并作为排出蒸汽的蒸汽出口98，该接口通过管道连接至水蒸气压缩机11，水蒸气压缩机11的出口通过管道连接至用户处，通过水蒸气压缩机11将蒸汽出口95排出的水蒸气进行加压升温，对外输出高温高压蒸气；在壳体的顶部还设有真空泵10，通过真空泵10对蒸汽发生器9内进行抽气，使蒸汽发生器9内保持真空环境；在壳体的顶部还设有压力传感器99，通过压力传感器99实现对蒸汽发生器9内的压力监测，确保蒸汽发生器9内的真空环境；在壳体的底部设有接口并作为冷却后水的循环水出口95，该接口通过循环的管道连接至喷淋装置97，通过循环水出口95收集蒸汽发生器9内的相对降温后的水，该循环的管道上设有循环水阀13，通过循环水阀13控制将蒸汽发生器9内的底部水输送至喷淋装置97进行循环利用；该用于循环的管道上还设有水泵8，通过水泵8将水从蒸汽发生器9的底部输送至喷淋装置97中，提供高温热水至蒸汽发生器9内；在壳体的底部还设有另一接口并作为补水口94，补水口94连接的管道上设有补水阀12，该管道连接至水源处，通过补水口94连接的管道能够对蒸汽发生器9底部的水进行补充；蒸汽发生器9的内部空间的底部用于储液，在其中的储液的液面始终位于气体冷却器二92的下方，采用现有的液位传感器96，将液位传感器96置于内部空间的底部并用于监测储液的液位，通过液位传感器96实现对蒸汽发生器9内的热水液位进行监测，确保液位在符合要求的范围内波动。

请参照图2，本实施例中，蒸汽发生器9的内部空间，即壳体内，设置有气体冷却器一91、气体冷却器二92、气体冷却器三93和喷淋装置97，喷淋装置97为带多组喷孔的现有装置，气体冷却器一91安装于内部空间的上部，气体冷却器二92安装于气体冷却器一91下方，喷淋装置97设在气体冷却器一91和气体冷却器二92之间，气体冷却器二92位于喷淋装置97的喷孔下方，气体冷却器三93相间隔地设于气体冷却器二92下方，且气体冷却器三93淹没于内部空间的底部的储液中，这样，气体冷却器一91、气体冷却器二92、气体冷却器三93在内部空间呈上中下关系布置。气体冷却器一91、气体冷却器二92、气体冷却器三93在蒸汽发生器9的壳体处均设有两个接口，一个作为气体出口，另一个作为气体入口，在制热和除霜两种工作状态下，气体出口和气体入口能够进行转换，气体冷却器一91、气体冷却器二92、气体冷却器三93通过对应位置的气体入口和气体出口依次相连通，气体冷却器一91的入口用于通入二氧化碳，即气体冷却器一91的气体入口通过管道连接至四通换向阀2的a端，气体冷却器一91的气体出口通过管道连接至气体冷却器二92的气体入口，气体冷却器二92的气体出口通过管道连接至气体冷却器三93的气体入口，气体冷却器三93的气体出口通过管道连接至回热器3。

本实施例中，高温热水通过喷淋装置97进入蒸汽发生器9，高温热水通过喷淋装置进入蒸汽发生器9内产生蒸发有两个过程，一是进入后直接闪蒸产生蒸汽，二是热水喷洒在气体冷却器二92的表面，与气体冷却器二92内的高温二氧化碳进行热交换，高温热水在气体冷却器二92表面蒸发产生蒸汽，同时气体冷却器二92内的高温二氧化碳被冷却。蒸汽发生器9内进行多级加热过程，首先气体冷却器一91内的高温高压二氧化碳对蒸汽发生器9内部产生的蒸汽对进行一级加热，然后气体冷却器二92内的高温二氧化碳与喷淋装置97喷出的高温热水热交换，进行二级加热，最后通过蒸汽发生器9内部空间的底部储液对气体冷却器三93中的二氧化碳进行降温，经过上述三个过程，三个气体冷却器内的二氧化碳同时也进行了三次冷却，最终通过管道回到回热器3；通过多级加热过程，有效将热水转化为蒸汽。在其他实施例中，蒸汽发生器9内设置有气体冷却器n，n为大于3的整数，如气体冷却器四、气体冷却器五，其中气体冷却器n的位置位于内部空间的上部、中部或底部，即可在本实施例的上、中、底部布置的气体冷却器的布局位置再进行设置；通过设置多个气体冷却器，在蒸汽发生器9内能够进行多级加热过程，能够更加有效地产生蒸汽。

本实施例中，监测组件还包括功率采集器17、温度传感器一14、温度传感器二15和温度传感器三16，功率采集器17分别与热泵压缩机1、风机6、水泵8、水蒸气压缩机11和真空泵10通过接线电连接，通过功率采集器17实现对各设备的输入功率监测；温度传感器一14设在循环水出口95和水泵8之间管道上，通过温度传感器一14对循环水出口95流出的水温进行监测，温度传感器二15设在热泵压缩机1连接的出口处管道上，即该管道的起始位置的管外壁处，通过温度传感器二15对热泵压缩机1出口处的二氧化碳温度进行监测，温度传感器三16设在水蒸气压缩机11连接的出口处管道上，通过温度传感器三16对水蒸气压缩机11输出的蒸汽温度进行监测，以保持正常工作。

以下对本实施例的机组使用原理进行说明，包括系统正常制热原理和系统除霜原理。

系统正常制热原理

制冷剂循环流程：四通换向阀2的a端和b端连通、c端和d端连通。低温低压二氧化碳经热泵压缩机1压缩产生的高温高压二氧化碳，经四通换向阀2的ab通道进入气体冷却器一91与蒸汽发生器9上部的低温蒸汽换热被冷却，后进入气体冷却器二92中与喷淋装置97喷淋的高温热水换热继续被冷却，后经气体冷却器三93与蒸汽发生器9底部低温水换热进一步被冷却，再进入回热器3与蒸发器5出口二氧化碳换热被进一步冷却；冷却后的二氧化碳再进入节流装置4进行节流降压，后进入蒸发器5中与空气换热蒸发，流经回热器3与气体冷却器三93出口二氧化碳换热被加热，以提高回气过热度，经四通换向阀2的cd通道和气液分离器7进入压缩机1中，完成一次制热循环过程。

水循环流程：开启水泵8和真空泵10，系统由补水阀12经补水口94向蒸汽发生器9内补充低温水，低温水与低温气体换热器93内的二氧化碳换热被加热产生高温热水，高温热水经循环水出口95、循环水阀13由水泵8输送至喷淋装置97，喷淋装置97将将高温热水喷淋雾化，一部分热水直接闪蒸产生蒸汽，其余部分落在气体冷却器二92与其中的二氧化碳换热，高温热水被加热，其中一部分高温热水被加热蒸发产生蒸汽，蒸汽上升过程在与气体冷却器一91内高温二氧化碳换热被进一步加热，被加热的蒸汽经蒸汽发生器9上部蒸汽出口98进入水蒸气压缩机11被压缩提升蒸汽的温度和压力，以满足用户的需求；剩余未蒸发部分的液态水则流入蒸汽发生器9底部与补水口94进入系统的低温水混合，与气体换热器三93内的二氧化碳换热被加热。

系统除霜原理

当机组在制热模式下运行达到除霜条件时，四通换向阀2的a端和c端连通、b端和d端连通。低温低压二氧化碳经热泵压缩机1压缩产生的高温高压二氧化碳，经四通换向阀2的bd通道进入回热器3与节流装置4出口二氧化碳换热，后进入蒸发器5中换热被冷却，以提供蒸发器5除霜所需热量，被冷却的二氧化碳经节流装置4节流降压，然后进入回热器3与压缩机出口二氧化碳换热被加热，然后依次经过气体冷却器三93、气体冷却器二92、气体冷却器一91吸收热量，后经四通换向阀2的ac通道和气液分离器7进入热泵压缩机1中，完成一次除霜循环过程。

实施例2

请参照图3，本实施例提供一种高温空气源热泵蒸汽机组的控制方法，采用实施例1的高温空气源热泵蒸汽机组，控制方法包括以下步骤：

S1、对于上述跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机系统，若循环水流量一定，水蒸气压缩机11出口产生一定温度的蒸汽，蒸汽发生器9中压力越低，对应的饱和蒸汽温度越低，热泵压缩机1和风机6的输入功率就越低，而真空泵10和水蒸气压缩机11输入功率就会越高。反之，蒸汽发生器9中压力越高，对应的饱和蒸汽温度越高，热泵压缩机1和风机6的输入功率就越高，而真空泵10和水蒸气压缩机11输入功率就会越低。因此，蒸汽发生器9存在最佳压力，使得系统输入功率最低，基于此，系统控制目标函数为：

minW=W₁+W₂+W₃+W₄+W₅

其中，W为系统输入总功率，W₁为热泵压缩机1输入功率，W₂为风机6输入功率，W₃为水泵8输入功率，W₄为水蒸气压缩机11输入功率，W₅为真空泵10输入功率；通过S1建立系统输入总功率的函数，由于蒸汽发生器9存在最佳压力使函数值最小，这样便于得出最优解。

S2、系统启动后，设置蒸汽发生器9底部目标液位高度最大值Hws(max)和最小值Hws(min)，设置水蒸气压缩机11出口目标蒸汽温度Tss (可设置范围100~150℃)及回差温度ΔTs（可设置范围2~5℃），设置蒸汽发生器9内部空间的目标压力Ps (可设置范围0.05~0.1 MPa)及回差压力ΔP（设置为0.005 MPa），设置热泵压缩机1的排气回差温度ΔTp（可设置范围2~5℃）、循环水阀13出口热水回差温度ΔTw（可设置范围2~5℃）、热泵压缩机1的目标排气温度Tps与循环水阀13出口目标水温Tws的差值ΔTwp（可设置范围5~15℃）；通过S2的设置，机组能够保持在一定范围内正常运行。

S3、将蒸汽发生器9内部空间的目标压力Ps，在设置范围由高到低划分为多个可控制目标压力点Ps1、Ps2、Ps3、…、Psi、…、Psn (1≤i≤n)，其中Ps1=0.1 Mpa，Psn=0.05 MPa，设置初始Ps=Ps1；通过S3限制边界条件，也减小了计算量。

S4、将循环水阀13处目标水温Tws设置为Ps对应的饱和蒸汽温度，计算公式为业内采用公式：

S5、根据Tws计算热泵压缩机1的目标排气温度Tps=Tws+ΔTwp；通过S4和S5，便于计算出目标水温和目标排气温度。

S6、通过温度传感器一14检测循环水阀13出口水温Tw、温度传感器二15检测热泵压缩机1的排气温度Tp、温度传感器三16检测水蒸气压缩机11出口蒸汽温度Ts、液位传感器96检测蒸汽发生器9底部的液位高度Hw、压力传感器99检测蒸汽发生器9内部空间的压力P。功率采集器17采集热泵压缩机1输入功率W₁、风机6输入功率W₂、水泵8输入功率W₃、水蒸气压缩机11输入功率W₄、真空泵10输入功率W₅；通过S6实现对各监测位置的温度、功率的监测。

S7、判断蒸汽发生器9内部空间的压力P是否达到目标压力Ps，若Ps≥P+ΔP，则真空泵10加载，若Ps≤P-ΔP，则真空泵10减载，否则真空泵10维持当前状态；通过S7实现对真空泵10最佳效率的调节。

S8、判断排气温度Tp是否达到目标排气温度Tps，若Tp≥Tps+ΔTp，则增大节流装置4的开度，若Tp≤Tps-ΔTp则减小节流装置4的开度，否则保持节流装置4的开度；通过S8实现对节流装置4最佳效率的调节。

S9、判断液位高度Hw是否达到目标液位高度最大值Hws(max)或最小值Hws(min)，若Hw≥Hws(max)则减小补水阀12的开度，若Hw≤Hws(min)则增大补水阀12的开度，否则，判断循环水阀13出口水温Tw是否达到目标水温Tws，若Tw ≥ Tws+ΔTw，则增大补水阀12的开度，若Tw ≤ Tws-ΔTw，则减小补水阀12的开度，否则保持补水阀12的开度；通过S9实现对蒸汽发生器9内的液位最佳位置的调节。

S10、判断水蒸气压缩机11出口蒸汽温度Ts是否达到目标蒸汽温度Tss，若Ts≥Tss+ΔTs，水蒸气压缩机11减载，若Ts≤Tss-ΔTs，水蒸气压缩机11加载，否则，水蒸气压缩机11保持当前状态；通过S10实现水蒸气压缩机11的最佳效率的调节。

S11、系统运行稳定后，计算当前Psi对应的系统输入总功率W(Psi)=W₁(Psi)+W₂(Psi)+W₃(Psi)+W₄(Psi)+W₅(Psi)。

S12、判定是否满足i＞1，若不成立，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤(4)~(11)，直至i＞1，若W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器9的最优目标压力，使得系统输入总功率最低，否则，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤(4)~(11)，直至W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器9的最优目标压力，使得系统输入总功率最低；通过S11-S12得到系统输入总功率的最优解，确定出各设备的最优功率，实现最低能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，包括应用在空气源热泵供热系统中的蒸汽发生器（9），所述蒸汽发生器（9）的内部空间设有气体冷却器一（91）、气体冷却器二（92）、气体冷却器三（93）和喷淋装置（97），所述气体冷却器一（91）设于所述内部空间的上部，所述气体冷却器二（92）设于所述气体冷却器一（91）下方，所述喷淋装置（97）设在所述气体冷却器一（91）和所述气体冷却器二（92）之间，所述气体冷却器三（93）相间隔地设于所述气体冷却器二（92）下方，且所述气体冷却器三（93）淹没于所述内部空间的底部的储液中，所述气体冷却器一（91）、气体冷却器二（92）、气体冷却器三（93）依次相连通，所述气体冷却器一（91）的入口用于通入二氧化碳，所述蒸汽发生器（9）设有用于蒸汽排出的蒸汽出口（98）、用于补充水的补水口（94）、用于循环储液的循环水出口（95）。

2.根据权利要求1所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，所述蒸汽发生器（9）的内部空间还设有气体冷却器n，n为大于3的整数，气体冷却器n的位置位于所述内部空间的上部、中部或底部。

3.根据权利要求2所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括水泵（8），所述水泵（8）设在所述循环水出口（95）和所述喷淋装置（97）之间的管道上。

4.根据权利要求3所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括真空泵（10），所述真空泵（10）连接至所述蒸汽发生器（9）。

5.根据权利要求4所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括水蒸气压缩机（11），所述水蒸气压缩机（11）的入口通过管道连接至所述蒸汽出口（98），所述水蒸气压缩机（11）的出口通过管道连接至用户处。

6.根据权利要求5所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括补水阀（12）和循环水阀（13），所述循环水阀（13）安装在所述循环水出口（95）连接的管道上，所述补水阀（12）安装在所述补水口（94）连接的管道上。

7.根据权利要求6所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括四通换向阀（2），所述四通换向阀包括a、b、c、d四个端口，所述a端通过管道连接至所述气体冷却器一（91），所述b端通过管道连接至热泵压缩机（1），所述c端通过管道连接至气液分离器（7），气液分离器（7）用于分离二氧化碳气体并回流至热泵压缩机（1），所述d端通过管道连接至换热组件；制热时，所述a端和所述b端连通、所述c端和所述d端连通；除霜时，所述a端和所述c端连通、所述b端和所述d端连通。

8.根据权利要求7所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，所述换热组件包括蒸发器（5）和回热器（3），所述回热器（3）通过管道与所述气体冷却器三（93）连接，所述回热器（3）通过管道与所述四通换向阀的d端连接，所述回热器（3）通过管道与所述蒸发器（5）连接，经所述蒸发器（5）后再通过管道连接至所述回热器（3），所述回热器（3）和所述蒸发器（5）之间的管道上设有节流装置（4），所述蒸发器（5）处设有风机（6）。

9.根据权利要求8所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，还包括监测组件，所述监测组件包括功率采集器（17）、压力传感器（99）、液位传感器（96）、温度传感器一（14）、温度传感器二（15）和温度传感器三（16），所述功率采集器（17）分别与所述热泵压缩机（1）、所述风机（6）、所述水泵（8）、所述水蒸气压缩机（11）和所述真空泵（10）连接，所述压力传感器（99）连接至所述蒸汽发生器（9）上，所述液位传感器（96）置于所述内部空间的底部并用于监测所述储液的液位，所述温度传感器一（14）设在所述循环水出口（95）与所述水泵（8）之间的管道上，所述温度传感器二（15）设在所述热泵压缩机（1）连接的出口处管道上，所述温度传感器三（16）设在所述水蒸气压缩机（11）连接的出口处管道上。

10.一种高温空气源热泵蒸汽机组的控制方法，采用权利要求1-10任一所述的高温空气源热泵蒸汽机组，其特征在于，控制方法包括以下步骤：

S1、建立各设备的系统输入总功率函数W，设备包括水泵（10）、真空泵（14）、热泵压缩机（1）、水蒸气压缩机（11）和风机（6）；

S2、启动上述各设备，设置蒸汽发生器（9）的液位最大值Hws(max)和最小值Hws(min)，设置水蒸气压缩机（11）的出口目标蒸汽温度Tss及回差温度ΔTs，设置蒸汽发生器（9）的内部空间的压力Ps及回差压力ΔP，设置热泵压缩机（1）的排气回差温度ΔTp，循环水阀（13）的出口热水回差温度ΔTw，热泵压缩机（1）的目标排气温度Tps与循环水阀（13）的出口目标水温Tws的差值ΔTwp；

S3、设置蒸汽发生器（9）的内部空间的目标压力Ps，在设置范围由高到低划分为多个可控制目标压力点Ps1、Ps2、Ps3、…、Psi、…、Psn (1≤i≤n)，其中Ps1=0.1 Mpa，Psn=0.05MPa；

S4、将循环水阀（13）处目标水温Tws设置为Ps对应的饱和蒸汽温度；

S5、根据循环水阀（13）的出口目标水温Tws计算热泵压缩机（1）的目标排气温度Tps，Tps= Tws+ΔTwp；

S6、通过温度传感器一（14）、温度传感器二（15）、温度传感器三（16）监测各处温度，通过压力传感器（99）监测蒸汽发生器（9）的内部空间压力P，通过功率采集器（17）监测各设备的功率；

S7、判断蒸汽发生器（9）内部压力P是否达到目标压力Ps，若Ps≥P+ΔP，则通过真空泵（10）加载，若Ps≤P-ΔP，则通过真空泵（10）减载，否则维持当前状态；

S8、判断排气温度Tp是否达到目标排气温度Tps，若Tp≥Tps+ΔTp，则增大节流装置（4）的开度，若Tp≤Tps-ΔTp，则减小节流装置（4）的开度，否则维持当前状态；

S9、判断液位高度Hw是否达到目标液位高度最大值Hws(max)或最小值Hws(min)，若Hw≥Hws(max)，则减小补水阀（12）的开度，若Hw≤Hws(min)则增大补水阀（12）的开度；若未达到Hws(max)或Hws(min)，则判断循环水阀（13）出口水温Tw是否达到目标水温Tws，若Tw ≥Tws+ΔTw，则增大补水阀（12）的开度，若Tw ≤ Tws-ΔTw，则减小补水阀（12）的开度，否则维持当前状态；

S10、判断水蒸气压缩机（11）出口蒸汽温度Ts是否达到目标蒸汽温度Tss，若Ts≥Tss+ΔTs，则水蒸气压缩机（11）减载，若Ts≤Tss-ΔTs，则水蒸气压缩机（11）加载，否则维持当前状态；

S11、待机组运行稳定后，计算当前Psi对应的系统输入总功率W（Psi）；

S12、判定是否满足i＞1，若不成立，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤S4~S11，直至i＞1，若W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器（9）的最优目标压力，使得系统输入总功率最低；否则，令i=i+1、Ps=Psi，重复步骤S4~S11，直至W(Psi)＞W(Ps(i-1))，则确定Ps(i-1)为蒸汽发生器（9）的最优目标压力，使得系统输入总功率W最低。