CN201964501U - 一种梯级利用潜热的热泵供暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种梯级利用潜热的热泵供暖系统，包括回热加热系统、汽轮机、第一蒸汽加热器和混合换热器，还包括第一水水换热器、电压缩式热泵单元、供水长输管道和回水长输管道；从汽轮机抽得的蒸汽作为热源通入第一蒸汽加热器，得到一次循环热媒水和冷凝水，所述一次循环热媒水通过供水长输管道输送到第一水水换热器，再经过电压缩式热泵单元加热后，通过回水长输管道输送回第一蒸汽加热器进行加热；第一蒸汽加热器的冷凝水经过混合换热器冷却后，再回到回热加热系统。本实用新型具有最高热效率、最大经济效益和最小CO₂排放的水源热泵供暖系统，在最充分利用电厂的蒸汽冷凝潜热的同时，使热泵系统达到最高的效率(COP)。

Description

一种梯级利用潜热的热泵供暖系统

技术领域

本发明涉及热工技术和建筑暖通技术领域，具体是一种梯级利用潜热的热泵供暖系统。

背景技术

中国现在社会经济的快速发展必然会带动能源需求总量的持续增长，从而加剧我国能源供应对外依赖程度；未来数年我国能源供应将呈现总体偏紧的局面。在能源问题从原来的民生问题转变为战略问题的今天，节能环保问题倍受关注。在建筑能耗构成中，采暖空调和生活热水能耗占有最大的比重，特别是在我国北方地区，冬季采暖能耗巨大。

中国专利文件CN1959220公开一种利用电厂凝汽余热的水源热泵供热系统，在发电厂原冷却系统的基础上增加了热网加热器、蒸汽引入管、凝水引出管、热网泵、热网供水管线、热网回水管线及热泵装置。将电厂汽轮机排汽的全部或一部分分至热网加热器中，凝结放热加热热网循环水，热网循环水在热网加热器中吸热升温后，通过热网供水管线由热网泵驱动输送到用户处，设置在用户处的热泵装置将热网循环水中的余热取出并升温后供热，热网循环水在热泵中放热降温后再通过热网回水管线返回热网加热器，在热网加热器中吸热升温后再输送到用户，如此循环不已，实现将电厂冷源余热用于供热的目的。

中国专利文件CN1137359C公开一种适用于大温差、可充分利用能源的溴化锂吸收制冷机，通过减小蒸发器内部的传热温差，减少了机内的不可逆损失，增加了供回水温差，机内增设低发凝水热交换器，利用其热蒸汽的余热加热生活给水。该发明适用于换热站集中、长距离输送的热电冷三联产系统，大温差满足了蓄热、蓄冷所需条件，为电力部门削峰填谷创造了条件。

中国专利文件CN101275763公开一种热电联产供能方法及系统，该系统包括：热电联产机组，用于产出电能和热能；空调器，通过电力线与热电联产机组相耦合，并由热电联产机组产生的电能驱动空调器的热泵产生热能；空调电表，与空调器相耦合，专门用于检测计量空调器中的热泵的耗电数据；控制装置，用于根据耗电数据和耗热数据获取热电联产机组的电能和热能产出的最佳工作点数据，并根据最佳工作点数据控制热电联产机组运行。采用上述系统，将居民采暖用户划分为空调热泵采暖用户和热水式散热器集中供暖用户，由热电联产向上述采暖用户分别提供电能和热能供其冬季采暖需要，以减少热电厂冬、夏两季的热负荷差异，提高热电厂能源利用效率和经济收益。

中国专利文件CN201396838公开的电厂饱和蒸汽驱动吸收式热泵利用余热的供暖系统，针对现有的以蒸汽为热源的换热设备，在冷却放热过程中会损失换热面积，降低换热效率，使换热设备不能达到额定出率，降低热泵的实际制热量的问题。吸收器通过溶液泵与热交换器连接，热交换器与发生器连接，发生器与热交换器连接，热交换器通过溶液阀与吸收器连接，翅片管式换热器通过疏水器与发生器连接，发生器与冷凝器连接，冷凝器通过节流阀与蒸发器连接，蒸发器与吸收器连接，吸收器与冷凝器连接。该实用新型具有换热面积不受损失，换热效率高，换热设备能够达到额定出率，热泵的实际制热量不会降低的优点。

中国专利文件CN201269574公开的一种冷却水水源热泵供暖装置，该实用新型公开了一种冷却水水源热泵供暖装置。这种冷却水水源热泵供暖装置包括具有进水管和回水管的热泵机组，进水管与系统输水泵连接，系统输水泵与发电机组的冷却塔的出水管相连，回水管与发电机组的冷却塔的入水管相连。因为通过系统输水泵、进水管和回水管将热泵机组与发电机组的冷却塔连接，从而将电厂的循环冷却水作为热泵的水源，而这种冷却水具有相对清洁的水质，流量和温度相对稳定，所以这种热泵供暖装置成本低、节能、环保。

然而，以上专利存在的不足之处包括：

(1)、未能全部利用汽轮机排汽潜热，汽轮机仍然存在着严重的冷源损失；

(2)、汽轮机冷凝水利用热泵升温的提升温差较大，需要消耗较多的电能或蒸汽能量，热泵的COP较小；

(3)、循环热媒水温差较小，输送距离较小，因而供暖覆盖面积不大；

(4)、供暖覆盖面积较大，但是各级热泵和换热器之间传热温差过大，致使火用损失较大，存在“高能低用”的现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于火用经济优化理论的、用于远郊电厂汽轮机极低温端抽汽和凝汽潜热的向城市中心建筑物长距离、大系统供暖的、具有最高热效率和最大经济效益、最小CO₂排放的水源热泵供暖系统，在最充分利用电厂的蒸汽冷凝潜热的同时，使热泵系统达到最高的效率(COP)。

本实用新型的目的实现所采用的技术方案如下：

一种梯级利用潜热的热泵供暖系统，包括去回热热系统、汽轮机、第一蒸汽加热器和混合换热器，其特征在于，还包括第一水水换热器、电压缩式热泵单元、供水长输管道和回水长输管道；

所述回热加热系统产生的高压蒸汽通入汽轮机，从汽轮机抽得的蒸汽作为热源通入第一蒸汽加热器，得到一次循环热媒水和冷凝水，所述一次循环热媒水通过供水长输管道输送到第一水水换热器，再经过电压缩式热泵单元加热后，通过回水长输管道输送回第一蒸汽加热器进行加热；第一蒸汽加热器的冷凝水经混合换热器冷却，然后回到回热加热系统。

还包括梯级预加热系统，该系统包括第二蒸汽加热器、第二水水换热器和凝汽加热器，所述第二蒸汽加热器也从汽轮机抽得蒸汽作为热源，第二蒸汽加热器的冷凝水仍作为热源送到第二水水换热器，所述经回水长输管道输送回的一次循环热媒水先通过分流器分送到凝气加热器和第二水水换热器进行一级预加热，再经混合器混合后回到第二蒸汽加热器进行二级预加热，最后回到第一蒸汽加热器；所述汽轮机的排气输出作为热源送到凝汽加热器，得到凝结水，该凝结水和第二水水换热器的冷凝水均经混合换热器流到回热加热系统。

所述第一蒸汽加热器的冷凝水与第二蒸汽加热器的冷凝水经混合器混合后送到第二水水换热器，再经混合换热器冷却回到回热加热系统。

所述一次循环热媒水流经电压缩式热泵单元的方向与供暖回水的流向相反。

所述凝汽加热器的热端进口接汽轮机的排汽口，其热端出口与第二混合器的一个进口连接，其冷端进口接分流器的一个出口，其冷端出口接第二混合器的一个进口。

所述第二水水换热器的热端进口接第三混合器的出口，其冷端进口接分流器的另一个出口，其冷端出口接第一混合器的一个进口，其热端出口接第二混合器的另一个进口。

所述第二蒸汽加热器的热端进口接汽轮机抽汽口，其冷端进口接第一混合器的出口，其冷端出口接供水长输管道，其热端出口接第三混合器的一个进口。

所述第一水水换热器的热端进口接来自供水长输管道的一次循环热媒水，其热端出口接电压缩式热泵单元热端进口，其冷端进口接电压缩式热泵单元的冷端出口，其冷端出口接供暖水，电压缩式热泵单元的热端出口接回水长输管道，其冷端进口接供暖回水。

所述混合换热器的进口接第二混合器的出口，其出口接供热系统。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点及有益效果：

(1)一次循环热媒水工作温度在90℃和10℃之间，温差大，流量小，可以进一步降低供暖循环水的流量，降低输送成本，充分利用远郊大型超超临界燃煤机组的废热，为城市中心的天然气冷热电联供能源系统(DES/CCHP)提供热源。通过合理的匹配在大部分供暖期间可以保证汽轮机没有冷源损失，在非采暖期则用于提供生活热水，从而大幅度提高能量利用效率。

(2)本实用新型的流程结构是基于能量梯级利用的原理，充分回收汽轮机的凝汽焓和利用低压抽汽，不仅可以减少冷却水流量进而降低冷却塔负荷，还可以降低汽轮机低压段通流面积，达到减少能量消耗和提高利用效率的目的。

附图说明

图1是本实用新型热泵供暖系统结构示意图；

图2是传统热电联产供暖系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

一台功率为300MW汽轮机，其排汽压力0.0042MPa，其饱和蒸汽温度约30℃，预加热抽汽压力为0.025MPa，加热蒸汽抽汽压力为0.08MPa。一次循环热媒水供水温度为90℃，回水温度为10℃，供暖水供水温度为60℃，供暖回水温度为45℃。具体实施步骤为：

如图1，经回水长输管道16输送回来的温度为10℃的一次循环热媒水回水流量为5578.3t/h，经分流器11分成两股，其中一股约占总流量的80％(4462.7t/h)进入凝汽加热器2中与汽轮机的排汽换热，并将这一股一次循环热媒水预加热至28.5℃，汽轮机的排汽全部凝结为凝结水；从分流器11中出来的另一股约占总流量20％(1115.6t/h)，温度为10℃的供暖一次循环热媒水经第二水水换热器3预加热至45.9℃。升温后的两股一次循环热媒水经第一混合器12混合后，温度约为32℃，再经第二蒸汽换热器4进行抽汽预加热，最后再进入第一蒸汽换热器5进行抽汽加热至92.2℃，其中抽汽预加热蒸汽量为310.4t/h，加热抽汽量为297.3t/h。经第二蒸汽加热器4和第一蒸汽加热器5而得到的冷凝水温度约为65℃，经第三混合器14混合后供给第二水水换热器3加热温度为10℃的一次循环热媒水回水。从凝汽加热器2热端出口流出的凝结水，以及第二水水换热器3的热端出口流出的冷凝水，经第二混合器13混合，再经混合换热器10冷却后，进入汽轮机的回热加热系统。

加热至92.2℃的一次循环热媒水经供水长输管道15输送至供热区域，由于输送过程的散热损失，温度降低至90℃。供热区域面积约900万平方米，总供热2000GJ/h，所需供暖热媒水流量为31746t/h。供暖回水温度约为45℃，以一次循环热媒水为热源，依次利用电压缩热泵单元的三个热泵7，将45℃的供暖回水加热至54℃，再经第一水水换热器6与90℃的一次循环热媒水换热而加热至60℃，然后再通过管道输送给供热用户，其中90℃的一次循环热媒水经第一水水换热器6后温度降低至55.9℃，然后依次进入电压缩热泵单元的三个热泵7，作为电压缩式热泵加热供暖回水的热源。经电压缩式热泵单元利用后，一次循环热媒水换热温度降低至10℃左右成为一次循环热媒水回水，然后通过回水长输管道16输送回分流器11进行复热。

利用本实用新型供暖系统进行的远程输送低温热共550MW；其中，需要电压缩式热泵单元提温部分(10～55.9℃)约为279.3MW；电压缩式热泵单元提温系统耗电35MWh，COP＝6.88；按散热损失2％计，总共供暖573MWh，热泵耗电52.33MW，制冷剂为R134a，热媒水泵耗电2.41MWh。

采用传统供暖系统如图2所示，实现同样供热量时，一次循环热媒水供水温度60℃，回水温度45℃，加热蒸汽抽汽压力为0.8MPa，经模拟计算该汽轮机0.8MPa抽汽量为800t/h，热媒水泵耗电13.47MW。

通过对比，本实用新型提出系统共耗用抽汽压力为0.08MPa的蒸汽297.3t/h、抽汽压力为0.025MPa蒸汽310.4t/h，这两部分的抽汽的等效发电量为43.98MW，而热泵耗电52.33MW，热媒水循环泵耗电2.41MW，因此采用本实用新型供热的等效耗电约为98.72MW。而采用传统供暖系统需耗用0.8MPa蒸汽800t/h，这部分抽汽的等效发电量约为131.21MW。综合考虑热泵和循环水泵耗电后，本实用新型更能满足等量供暖需求，并等效节约电能32.49MWh，以年供热时间3000h计，电费为0.5元/kwh，仅考虑发电效益，年收益4873.5万元。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯级利用潜热的热泵供暖系统，包括回热加热系统、汽轮机、第一蒸汽加热器和混合换热器，其特征在于，还包括第一水水换热器、电压缩式热泵单元、供水长输管道和回水长输管道；

所述回热加热系统产生的高压蒸汽通入汽轮机，从汽轮机抽得的蒸汽作为热源通入第一蒸汽加热器，得到一次循环热媒水和冷凝水，所述一次循环热媒水通过供水长输管道输送到第一水水换热器，再经过电压缩式热泵单元加热后，通过回水长输管道输送回第一蒸汽加热器进行加热；第一蒸汽加热器的冷凝水经混合换热器冷却，然后回到回热加热系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括梯级预加热系统，该系统包括第二蒸汽加热器、第二水水换热器和凝汽加热器，所述第二蒸汽加热器也从汽轮机抽得蒸汽作为热源，第二蒸汽加热器的冷凝水仍作为热源送到第二水水换热器，所述经回水长输管道输送回的一次循环热媒水先通过分流器分送到凝气加热器和第二水水换热器进行一级预加热，再经混合器混合后回到第二蒸汽加热器进行二级预加热，最后回到第一蒸汽加热器；所述汽轮机的排气输出作为热源送到凝汽加热器，得到凝结水，该凝结水和第二水水换热器的冷凝水均经混合换热器流到回热加热系统。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一蒸汽加热器的冷凝水与第二蒸汽加热器的冷凝水经混合器混合后送到第二水水换热器，再经混合换热器冷却回到回热加热系统。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述一次循环热媒水流经电压缩式热泵单元的方向与供暖回水的流向相反。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述凝汽加热器的热端进口接汽轮机的排汽口，其热端出口与第二混合器的一个进口连接，其冷端进口接分流器的一个出口，其冷端出口接第二混合器的一个进口。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二水水换热器的热端进口接第三混合器的出口，其冷端进口接分流器的另一个出口，其冷端出口接第一混合器的一个进口，其热端出口接第二混合器的另一个进口。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二蒸汽加热器的热端进口接汽轮机抽汽口，其冷端进口接第一混合器的出口，其冷端出口接供水长输管道，其热端出口接第三混合器的一个进口。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一水水换热器的热端进口接来自供水长输管道的一次循环热媒水，其热端出口接电压缩式热泵单元热端进口，其冷端进口接电压缩式热泵单元的冷端出口，其冷端出口接供暖水，电压缩式热泵单元的热端出口接回水长输管道，其冷端进口接供暖回水。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述混合换热器的进口接第二混合器的出口，其出口接供热系统。

Images