CN209877073U - 一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，由螺杆膨胀机、吸收式热泵和发电机组成。该供暖装置遵循“温度对口、梯级利用”的原则，可与发电厂的系统进行耦合、参数匹配，组成供热系统，在不影响发电量和保证低压缸排汽背压正常的情况下，实现了对电厂循环冷却水余热的深度回收以及充分利用中压缸排汽的余压进行了发电，克服了供热能力不足、能量梯级利用率不高的问题。该供暖装置成本较低，能效比高，资金回收期短，工艺技术成熟可靠。

Description

一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置

技术领域

本实用新型属于能量梯级利用技术领域，具体涉及一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置。

背景技术

我国是全世界最大的能源消费国。在我国三北地区，冬季采暖对能源的消耗量占据建筑能耗的25％，如何在采暖这一民生工程上使用清洁高效并且具有很强的经济可行性的供暖方案成为了目前关注的热点问题，其中一种行之有效的供暖方案就是“分配科学、各取所需、温度对口”的能量梯级利用技术，此方法不仅能使能源利用率提高，而且还能减少碳硫氮氧化物的排放。

我国北方城镇供暖用能中用煤占比高达75％——85％。目前火电厂中，利用低压缸的排汽或抽汽供暖方案中应用最多的是采用高背压和热泵方案，但是高背压方案未能较好地实现能量梯级利用，而且每年在采暖季之前要更换汽轮机转子以达到高背压采暖的需求，在此期间机组必须停运，不仅损失了大量的机组运行时长，与此同时在高背压供热期间还损失了高温高压蒸汽的余压推动功，研究表明仅此一项的蒸汽损在45％——55％；同时虽然热泵技术方案的可选择项很多，但是在应用于热电联产系统的采暖供热问题上时往往由于其驱动热源需要从具有很高压力和温度的中压缸排汽获得，目前为了使其在热泵发生器处有很好的换热效果，通常采取节流阀的手段实现其压降，损失了大量的余压推动功；同时初期造价高、升温区间有限、资金回收周期长以及占地面积大等能效与经济性问题也制约着热泵技术的发展。

在本方案中，以我国目前具有代表性的大容量高参数热力发电机组的数据作为基础，所使用的各个热力学设备制造工艺成熟简单、运行维护安全可靠；因此本发明具有很强的普适性，为目前我国火电厂在进行供热改造时提供了新的参考思路。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，充分利用热力发电厂中的带压蒸汽的梯级能量，实现热电联产的供暖装置。

本实用新型的技术方案是一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，由螺杆膨胀机、吸收式热泵和发电机组成；螺杆膨胀机的输出轴与发电机的输入轴连接；螺杆膨胀机的进口与带压高温热源连通，螺杆膨胀机的出口与吸收式热泵的发生器的进口连通，发生器的出口与带压高温热源的回汽口连通，吸收式热泵的蒸发器的进口与低温热源连通，蒸发器的出口与低温热源的回汽口连通，热网的回水口与吸收式热泵的吸收器的进口连通，吸收器的出口与吸收式热泵的冷凝器的进口连通，冷凝器的出口与热网的供水口连通。

所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置带有尖峰加热器、主阀门和旁路阀门，尖峰加热器的进口与带压高温热源连通，尖峰加热器的出口与带压高温热源的回汽口连通；在吸收式热泵的冷凝器的出口与热网供水口之间装有主阀门，在主阀门前的管路上开有旁路管道，在旁路管道上装有旁路阀门，旁路管道与尖峰加热器的再热水进口连通，尖峰加热器的再热水出口与热网的供水口连通。

所述带压高温热源为发电厂的汽轮机的中压缸排出的蒸汽，其蒸汽的热力学参数为：压力在0.308MPa——1.096MPa之间，温度在280.7℃——375℃之间，质量流量在5——15kg/s之间。

所述低温热源为发电厂的凝汽器中的冷凝水。

所述螺杆膨胀机利用蒸汽的余压发电，发电功率为1.50MW——3.30MW，螺杆膨胀机的平均发电效率在65％——75％。

所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置可以实现热网回水在0.15MPa下、热网供水在0.8MPa下，热网回水从50℃加热到75℃，也可将热网回水从50℃加热到110℃；所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置将全部热网回水加热至110℃时，热网回水在吸收式热泵中的吸热量与在尖峰加热器中的吸热量之比为0.71。

在所述发电厂的汽轮机中压缸的排汽管道开口布置在中压缸出口处开口上，设置调节阀门，调整排汽量；管道安装坡度坡向蒸汽流动方向，避免疏水流向汽轮机。

本实用新型的所提供的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置具有以下优点：

1.本实用新型的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置能够遵循“温度对口、梯级利用”的原则：即考虑了能量转换过程中能量的品位，使不同品位的能量得到合理利用，获得了较好的整体效果。具体在此方案中体现为：按质用能、逐级高效利用来自汽轮机中压缸的过热蒸汽(280.7℃——375℃、0.308MPa——1.096MPa)，将热网的供回水侧和火力发电厂的过热蒸汽侧的热能都设置在一个合理的温度区间并得到利用。

2.螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置由螺杆膨胀机、单效吸收式溴化锂热泵、发电机和/不和尖峰加热器组成模块化供暖装置后再和火电厂系统进行耦合、参数匹配，从而到达节能高效地进行集中式采暖供热的方案。该供暖装置成本较低，能效比高，资金回收期短，工艺技术成熟可靠，可以实现火力发电厂中高品位热源能量的梯级利用。

3.螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置在实际工程应用中，螺杆膨胀机具有响应快、对蒸汽参数适应性强、鲁棒性好的特点，充分利用蒸汽的余压而不会使蒸汽有很大的温降，发电机可以提供1.50MW——3.30MW电量，其发电效率在65％——75％。单效吸收式溴化锂热泵具有噪音小、运行维护成本低和设备安全性高的特点；所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置可以实现热网回水在0.15MPa下、热网供水在0.8MPa下，热网回水从50℃加热到75℃，也可将热网回水从50℃加热到110℃；所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置将全部热网回水加热至110℃时，热网回水在吸收式热泵中的吸热量与在尖峰加热器中的吸热量之比为0.71。所述热网回水在吸收式热泵中的吸热量与在尖峰加热器中的吸热量之比是指在设计工况时，主阀门关闭，旁路阀门全开，此时吸收式热泵将热网回水从50℃加热至75℃，尖峰加热器将75℃热网水加热至110℃，假定热网水在电厂侧无流量损失，此时热网回水在吸收式热泵中的吸热量与在尖峰加热器中的吸热量之比即：(75-50)/(110-75)＝0.71428。

4.螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置是以我国现有规模的火力发电机组中压缸排汽为热源，基于能量梯级利用原则发明出的新型热电联产方式，可以在维持主力热源和主机发电量基本不变的情况下，消耗一定量的中压缸排汽用来提升供热负荷、发出额外电量的同时能够有效地降低部分凝汽器循环冷却水温度。

附图说明

图1为螺杆膨胀机的结构剖面示意图。

图2为吸收式热泵的工作原理示意图。

图3为一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置工作原理示意图。

图4为另一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置工作原理示意图。

图5为一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置在600MW火力发电机组中应用的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

实施例1

本实施例所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置见图1到图3所示。

所述螺杆膨胀机的工作原理如图1所示，吸收式热泵的工作原理如图2所示。

本实施例所述的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置如图3所示，由螺杆膨胀机、吸收式热泵和发电机组成；螺杆膨胀机的输出轴与发电机的输入轴连接；螺杆膨胀机的进口与带压高温热源连通，螺杆膨胀机的出口与吸收式热泵的发生器的进口连通，发生器的出口与带压高温热源的回汽口连通，吸收式热泵的蒸发器的进口与低温热源连通，蒸发器的出口与低温热源的回汽口连通，热网的回水口与吸收式热泵的吸收器的进口连通，吸收器的出口与吸收式热泵的冷凝器的进口连通，冷凝器的出口与热网的供水口连通。

所述带压高温热源为发电厂的汽轮机的中压缸排出的蒸汽，其蒸汽的热力学参数为：压力在0.308MPa——1.096MPa之间，温度在280.7℃——370℃之间，质量流量在5——15kg/s之间。

所述低温热源为发电厂的凝汽器中的冷凝水。

发电厂的汽轮机的中压缸排出的蒸汽进入螺杆膨胀机做功带动发电机发电，从螺杆膨胀机排出的蒸汽作为驱动热源进入吸收式热泵，在吸收式热泵中放热后的蒸汽回流至带压高温热源的回汽口，同时吸收式热泵将发电厂的凝汽器冷凝水作为冷端热源。该螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置能够实现带动发电机发电，对热网回水的加热，实现供暖。

实施例2

本实施例所述的另一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置见图4到图5所示。

如图4所示，本实施例所述的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置是在实施例1所述的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置的基础上增加尖峰加热器、主阀门和旁路阀门实现的，尖峰加热器的进口与带压高温热源连通，尖峰加热器的出口与带压高温热源的回汽口连通；在吸收式热泵的冷凝器的出口与热网供水口之间装有主阀门，在主阀门前的管路上开有旁路管道，在旁路管道上装有旁路阀门，旁路管道与尖峰加热器的再热水进口连通，尖峰加热器的再热水出口与热网的供水口连通。

采用尖峰加热器的作用是利用中压缸排出的蒸汽对经过吸收式热泵加热的低温热网供水进行再次加热，进一步提高热网的供水温度，以提高热网的尖峰负荷，实现中远距离供热。

图5表示的是螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置与600MW火力发电机组耦合应用的情况，用以对本发明的应用作具体的详细说明。

首先在发电厂的汽轮机的中压缸排汽口处，设置调节阀门，以调整排汽量，管道安装坡度坡向蒸汽流动方向，避免疏水流向汽轮机，使高温高压过热水蒸气(373.221℃、1.059MPa)以最小的损进入螺杆膨胀机，螺杆膨胀机的输出轴与发电机的输入轴连接，螺杆膨胀机利用蒸汽的余压带动发电机发电，发电功率为1.50MW，螺杆膨胀机的平均发电效率在65％——75％。发电机发出的电能可以在满足热负荷的同时能够满足吸收式热泵中的溶液泵、凝汽器压力泵、热网水增压泵等系统工作用电和厂区内生活用电。

从螺杆膨胀机出口排出的蒸气(183.198℃、0.2MPa)再进入蒸汽单效型吸收式溴化锂热泵中的发生器，以实现蒸汽热量的再次回收利用，释放完热量的工质水根据其热力学参数(20℃、0.005MPa)回流至凝汽器压力泵前。发电厂的凝汽器的冷凝水进入蒸汽单效型吸收式溴化锂热泵的蒸发器中，作为蒸发器的加热源。热网回水(50℃、0.15MPa)依次进入进入蒸汽单效型吸收式溴化锂热泵中的吸收器和冷凝器，将热网回水进行第一次加热，使水温提升到(75℃、0.15MPa)，此时，可将第一次加热后的低温热水作为热网的供水输出。

在中压缸排汽口处增设分流器、管道，在螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置中增设尖峰加热器、主阀门和旁路阀门，实现调峰热源的建立。尖峰加热器的进口与中压缸排汽口连通，尖峰加热器的出口与除氧器连通；在吸收式热泵的冷凝器的出口与热网供水口之间装有主阀门，在主阀门前的管路上开有旁路管道，在旁路管道上装有旁路阀门，旁路管道与尖峰加热器的再热水进口连通，尖峰加热器的再热水出口与热网的供水口连通。在尖峰加热器(即一种汽水换热器)处可以将从单效型吸收式溴化锂热泵中的冷凝器引出的第一次加热后的低温热水(75℃、0.15MPa)再次加热升温(110℃、0.15MPa)成高温热水，第二次加热后的高温热水可作为热网的供水输出。

在冬季采暖过程中，随着室外温度的变化，热网的回水参数也随之发生变化，上述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置可以通过调节供水温度来适应热负荷的变化，能够满足热用户需求的同时克服热电联产机组中供热能力不足的问题。

当热网的热负荷不大时，可以使用第一次加热后的低温热水(75℃、0.15MPa)作为热网的供水输出。

当进入采暖高峰季时，供热面积增大、热负荷增加；尤其对于大容量高参数机组而言还需实现中远距离供热，此时需要加入调峰热源以满足采暖需求，使用热力发电厂的中压缸排出的蒸气源作为调峰热源，使用尖峰加热器对热网回水实现第二次加热，蒸气冷凝后的冷却水回流至除氧器中，第二次加热后的高温热水(110℃、0.15MPa)可作为热网的供水输出。

根据供热需求不同，通过控制主阀门、旁路阀门，可以实现热网回水不同的加热循环，可以只有吸收式热泵一次加热环节，也可以有吸收式热泵和尖峰加热器联合二次加热环节，还可以有吸收式热泵和尖峰加热器二次混合加热环节，可以实现输出不同温度的供水。当外界热负荷逐渐降低，在运行时优先考虑调节热网供水温度来适应相关要求，此时调峰环节对热网回水的加热量逐渐减小甚至退出流程。

在本实施例的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置与600MW火力发电机组耦合应用方案流程中，热网回水被吸收式热泵、尖峰加热器逐级加热，在不影响发电量和保证低压缸排汽背压正常的情况下，实现了对电厂循环冷却水余热的深度回收以及充分利用中压缸排汽的余压进行了发电，克服了供热能力不足、能量梯级利用率不高的问题。

在本实施例的螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置与600MW火力发电机组耦合应用方案中，针对目前热泵技术与能量梯级利用在火电厂方面的系统耦合协调优化与改进的问题，基于多能协调互补政策，提出一种将螺杆膨胀机与热泵模块化后再和火电厂系统进行耦合、参数匹配，从而到达节能高效地进行集中式采暖供热的方案。该方案技术成本较低，能效比高，资金回收期短，工艺技术成熟可靠。该供暖装置遵循“温度对口、梯级利用”的原则，按质用能、逐级高效利用自中压缸的汽轮机过热蒸汽(290.8℃——364.9℃、0.308MPa——1.096MPa)，将热网的供回水侧和火力发电厂的过热蒸汽侧的热能都设置在一个合理的温度区间并得到利用。

在实际工程应用中，螺杆膨胀机具有响应快、对蒸汽参数适应性强、鲁棒性好的特点，同时会充分利用蒸汽的余压而不会有很大的温降；蒸汽单效型吸收式溴化锂热泵具有噪音小、运行维护成本低和设备安全性高的特点。本方案在保证这两个设备高效运行的同时，将两个设备科学地模块化组装，并根据其各自工作的条件进行运行维护的配置，进而实现了火力发电厂中高品位热源能量的梯级利用。

本方案以我国现有规模的火力发电机组中压缸排汽为热源，提出基于能量梯级利用原则的新型热电联产方式，可以在维持主力热源和主机发电量基本不变的情况下，消耗一定量的中压缸排汽用来提升供热负荷、发出额外电量的同时能够有效的降低部分凝汽器循环冷却水温度。

本方案还可以以我国目前装机容量最具代表性的300MW、330MW、600MW、660MW、1000MW火力发电机组的热平衡图为数据采样依据，考虑上述5种发电机组在THA工况、TRL工况、TMCR工况、VWO工况、75％THA工况、50％THA工况、40％THA工况、30％THA工况下中压缸排汽的热力学参数，利用螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置对上述典型发电厂机组进行系统偶合，组成热网，在不影响发电量和保证低压缸排汽背压正常的情况下，实现了对电厂循环冷却水余热的深度回收以及充分利用中压缸排汽的余压进行了发电，克服了供热能力不足、能量梯级利用率不高的问题。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征是：由螺杆膨胀机、吸收式热泵和发电机组成；螺杆膨胀机的输出轴与发电机的输入轴连接；螺杆膨胀机的进口与带压高温热源连通，螺杆膨胀机的出口与吸收式热泵的发生器的进口连通，发生器的出口与带压高温热源的回汽口连通，吸收式热泵的蒸发器的进口与低温热源连通，蒸发器的出口与低温热源的回汽口连通，热网的回水口与吸收式热泵的吸收器的进口连通，吸收器的出口与吸收式热泵的冷凝器的进口连通，冷凝器的出口与热网的供水口连通。

2.根据权利要求1所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置带有尖峰加热器、主阀门和旁路阀门，尖峰加热器的进口与带压高温热源连通，尖峰加热器的出口与带压高温热源的回汽口连通；在吸收式热泵的冷凝器的出口与热网供水口之间装有主阀门，在主阀门前的管路上开有旁路管道，在旁路管道上装有旁路阀门，旁路管道与尖峰加热器的再热水进口连通，尖峰加热器的再热水出口与热网的供水口连通。

3.根据权利要求1所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：所述带压高温热源为发电厂的汽轮机的中压缸排出的蒸汽，其蒸汽的热力学参数为：压力在0.308MPa——1.096MPa之间，温度在280.7℃——375℃之间，质量流量在5——15kg/s之间。

4.根据权利要求1所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：所述低温热源为发电厂的凝汽器中的冷凝水。

5.根据权利要求1所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：所述螺杆膨胀机利用蒸汽的余压发电，发电功率为1.50MW——3.30MW，螺杆膨胀机的平均发电效率在65％——75％。

6.根据权利要求1或2所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置可以实现热网回水在0.15MPa下、热网供水在0.8MPa下，热网回水从50℃加热到75℃，也可将热网回水从50℃加热到110℃；所述螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置将全部热网回水加热至110℃时，热网回水在吸收式热泵中的吸热量与在尖峰加热器中的吸热量之比为0.71。

7.根据权利要求3所述的一种螺杆膨胀机与热泵综合应用的供暖装置，其特征还在于是：在所述发电厂的汽轮机中压缸的排汽管道开口布置在中压缸出口处开口上，设置调节阀门，调整排汽量；管道安装坡度坡向蒸汽流动方向，避免疏水流向汽轮机。