CN216361372U - 一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置 - Google Patents

一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，包括中深层地热地埋管单元、一级热泵机组单元、二级热泵机组单元、局部电加热单元、热回收单元、光伏发电单元、建筑用户单元；本实用新型以中深层地热地埋管为基础，通过间壁式换热的方式提取地下70‑90℃中深层地热能，实现中深层地热能这一高品位可再生能源的稳定、持续、高效利用，同时结合蒸汽使用后的大量可回收余热，大幅度替代了原有蒸汽制取过程中需要消耗的传统化石能源；其次，通过电驱动热泵集中制取120℃蒸汽，再由局部电加热小幅度体温，实现了蒸汽制取过程的全面电气化，配备以光伏发电系统，产生零碳的清洁电力驱动整个系统高效运行，实现了工业用蒸汽制取的零碳运行。

Description

一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置
技术领域
本实用新型涉及一种热泵蒸汽制取装置，尤其涉及一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置。
背景技术
我国是工业生产大国，工业领域能源消耗所带来的碳排放是我国总碳排放结构中的重要组成部分。工业用蒸汽是工业领域重要的能源消耗。目前，我国工业蒸汽制取的热源形式中，传统化石能源，包括燃煤、燃气仍然占主要地位。而传统化石能源通过燃烧将内能转化为热能进行供热，燃烧过程中产生的CO2是导致全球气候变暖的主要温室气体之一。因此为了实现2030年前碳排放达峰、2060年前碳排放中和，工业领域的持续低碳发展，特别是如何实现零碳运行的蒸汽制取，就变得至关重要。
如果采用直接电蒸汽发生器制取蒸汽，一方面会带来较大的运行费用，同时高品位电力直接供热也会带来较大的间接碳排放，与工业领域持续低碳发展的目标相违背。因此，如何充分利用可再生能源，包括可以提供高品位热量的中深层地热能，以及可以提供清洁电力的太阳能，就成为了实现工业蒸汽制取脱碳、甚至零碳的关键所在。
实用新型内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置。
为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，包括中深层地热地埋管单元、一级热泵机组单元、二级热泵机组单元、局部电加热单元、热回收单元、光伏发电单元、建筑用户单元；
中深层地热地埋管单元与地热能输配单元相连接，地热能输配单元与一级热泵机组单元相连接；一级热泵机组单元与热水输配单元相连接，热水输配单元与二级热泵机组单元相连接，二级热泵机组单元与蒸汽输配单元相连接，蒸汽输配单元与局部电加热单元相连接；局部电加热单元与建筑用户单元相连接，建筑用户单元与热回收单元相连接，热回收单元与二级热泵机组单元相连接，光伏发电单元与一级热泵机组单元、二级热泵机组单元、热水输配单元、地热能输配单元、蒸汽输配单元、局部电加热单元连接。
进一步地、中深层地热地埋管单元含有一根或多根中深层地热地埋管，每个中深层地热地埋管深度为2-3千米。中深层地热地埋管在不开采地下水的基础上，通过间壁式换热的方式提取地下70-90℃中深层地热能。
进一步地、地热能输配单元含有一台或多台变频水泵，水泵频率25Hz-50Hz可调；热回收单元含有蒸汽冷凝余热回收装置。
进一步地、一级热泵机组单元含有一台或多台磁悬浮高效热泵机组；二级热泵机组单元含有一台或多台磁悬浮高效热泵机组；一级热泵机组单元与二级热泵机组单元串联运行，实现梯级升温；蒸汽输配单元含有一台或多台蒸汽加压泵，用于将集中制取的蒸汽输配至各个用能末端；局部电加热单元含有一台或多台分布式的蒸汽电加热系统。
进一步地、光伏发电单元含有光伏板，为整个系统运行提供清洁电力。
进一步地、智能调控单元含有基于大数据分析的智能调控系统；蒸汽系统电气化后，一方面需要消纳光伏系统发电量，同时在光伏发电量不足时采用市政电力驱动，因此采用智能调控系统实现整个系统的高效运行调控。
本实用新型公开了一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，以中深层地热地埋管为基础，通过间壁式换热的方式提取地下70-90℃中深层地热能，实现中深层地热能这一高品位可再生能源的稳定、持续、高效利用，同时结合蒸汽使用后的大量可回收余热，大幅度替代了原有蒸汽制取过程中需要消耗的传统化石能源；其次，通过电驱动热泵集中制取120℃蒸汽，再由局部电加热小幅度体温，实现了蒸汽制取过程的全面电气化，配备以光伏发电系统，产生零碳的清洁电力驱动整个系统高效运行，实现了工业用蒸汽制取的零碳运行。
附图说明
图1为本实用新型的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置示意图。
图2为本实用新型的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置设计方法示意图。
图中：1、中深层地热地埋管单元；2、一级热泵机组单元；3、二级热泵机组单元；4、局部电加热单元；5、热回收单元；6、光伏发电单元；7、建筑用户单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，包括中深层地热地埋管单元1、一级热泵机组单元2、二级热泵机组单元3、局部电加热单元4、热回收单元5、光伏发电单元6、建筑用户单元7、智能调控单元；建筑用户单元7则为实际的供热末端。
中深层地热地埋管单元1通过地热能输配单元与一级热泵机组单元2相连接；一级热泵机组单元2通过热水输配单元与二级热泵机组单元3相连接；二级热泵机组单元3通过蒸汽输配单元与局部电加热单元4相连接；局部电加热单元4与建筑用户单元7相连接，建筑用户单元7通过热回收单元5与二级热泵机组单元相连接；光伏发电单元6与一级热泵机组单元2、二级热泵机组单元3、热水输配单元、地热能输配单元、蒸汽输配单元、局部电加热单元4相连接，智能调控单元与各个用能系统连接。
中深层地热地埋管单元1含有一根或多根中深层地热地埋管，每个中深层地热地埋管深度为2-3千米。中深层地热地埋管在不开采地下水的基础上，通过间壁式换热的方式提取地下70-90℃中深层地热能。若连续运行，一根中深层地热地埋管尖峰取热量可达500kW，出水温度可达30℃。若采用间歇运行模式(运行10小时，停机14小时)，一根中深层地热地埋管尖峰取热量可达700kW，出水温度可达40℃。
由于中深层地热能温度较高，只适合于冬季取热供热，夏季无法向其中排热，考虑到长期运行土壤温度的恢复需求，不同地热地质条件下一根中深层地热地埋管推荐累积取热量不同，也是设计方法中需要重点考虑的内容。
地热能输配单元含有一台或多台变频水泵，水泵频率25Hz-50Hz可调；热回收单元5含有蒸汽冷凝余热回收装置；工业蒸汽利用后，一定存在大量的冷凝余热，温度60-80℃，对于这部分热量的回收利用，相比于直接加热自来水(10-20℃)将实现大比例的能源节省，因此回收蒸汽冷凝余热将是本实用新型的一个关键核心。
热泵机组单元由两级热泵机组单元串联组成，一级热泵机组单元2含有一台或多台定制化的磁悬浮高效热泵机组，该热泵机组充分利用磁悬浮变频压缩机无需润滑油的特性，能够更好的适应于高温工况运行，从40℃或更高的中深层地热能提取热量，制取60℃高温水，一级热泵系统制热效率将达到6.0。
二级热泵机组单元3含有一台或多台定制化的磁悬浮高效热泵机组，该热泵机组充分利用磁悬浮变频压缩机无需润滑油的特性，能够更好的适应于高温和大压比工况运行，从60℃高温水提取热量，通过磁悬浮热泵大压比运行，经过特质的冷凝器，将直接产生110-120℃蒸汽。二级热泵系统制热效率将达到3.0，大幅度降低蒸汽制取需要消耗的电能，实现明显的节能减排效益。
一级热泵机组单元2与二级热泵机组单元3串联运行，实现梯级升温；该热泵机组充分利用磁悬浮变频压缩机无需润滑油的特性，能够更好的适应于高温和大压缩比工况运行，一级热泵机组单元从中深层地热能提取热量，加热至60℃，随后与蒸汽冷凝余热混合后，由二级热泵机组单元再次加热，通过磁悬浮热泵大压比运行，经过特质的冷凝器，将直接产生110-120℃蒸汽。
热水输配单元含有一台或多台变频水泵，水泵频率25Hz-50Hz可调。
蒸汽输配单元含有一台或多台蒸汽加压泵，用于将集中制取的蒸汽输配至各个用能末端；局部电加热单元含有一台或多台分布式的蒸汽电加热系统。由于不同蒸汽利用末端，对蒸汽温度、压力需求不同，因此对于集中制取的120℃蒸汽，输送到末端后，根据实际用蒸汽需求，局部进行电加热。
光伏发电单元6含有光伏板，为整个装置运行提供清洁电力。
智能调控单元含有基于大数据分析的智能调控系统，蒸汽系统电气化后，一方面需要消纳光伏系统发电量，同时在光伏发电量不足时采用市政电力驱动，因此采用智能调控系统实现整个装置的高效运行调控。
中深层地热地埋管热泵供热技术相比与常规供热技术，具有热源温度高、取热量大，系统运行稳定、性能高效，占地面积小、保护地下水资源等优势，且不受地面气候条件的影响，可实现中深层地热能的清洁、高效、持续利用，是一种更加优质的可再生能源清洁高效供热技术，在供热应用中，可再生能源占比高达80％以上，实现供热电气化，单位供热量二氧化碳排放仅为30-40kg/GJ，且随着清洁电力的驱动，可实现零碳供热的目标。
有蒸汽使用的地方必有余热回收，针对蒸汽使用后的冷凝余热，采用热回收装置进行充分回收，得到60-80℃回收热水，与中深层地热地埋管供水一并为热泵机组提供高温热源水，一方面提高蒸发温度从而提升热泵机组制取蒸汽的效率，降低耗电量。另一方面相比于直接加热自来水(10-20℃)将实现大比例的能源节省，起到明显的节能减排效益。
光伏发电技术通过充分利用太阳辐射，产生可在生清洁电力，用以驱动热泵系统为建筑用户单元(末端)供热，实现零碳供热的目标。
一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置的工作方法为：
地热能输配单元驱动热源水，经由中深层地热地埋管单元1从土壤中取热，热源水提取中深层地热能后进入一级热泵机组单元2；一级热泵机组单元2从热源水吸热，经由压缩机提升温度制取热水，制取得到的热水与经热回收单元5回收得到的蒸汽冷凝余热水混合后，输送至二级热泵机组单元3；二级热泵机组单元3从热水吸热后，经由压缩机提升温度制取蒸汽，制取得到的蒸汽经由蒸汽输配单元输送至建筑用户单元7使用；
局部需要更高温度和压力蒸汽的区域，采用局部电加热单元4进行加热；建筑用户单元7使用后的蒸汽经由热回收单元5回收蒸汽冷凝余热水；光伏发电单元6的太阳能光伏发电量承担整个系统耗电，驱动整个系统运行，实现用电零碳化。
针对本实用新型所公开的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，进行装置的具体配置设计。根据项目工艺需求，确定不同温度的蒸汽消耗需求，结合可回收蒸汽余热潜力，确定需要可再生地热能补充的热量；根据项目所在地地质地热条件确定单根中深层地热地埋管累计取热量，确定需要开采的中深层地热地埋管数量；根据局部需要的蒸汽特殊需求，选取电加热系统进行局部的蒸汽提温；在确定系统形式后，根据全年蒸汽消耗需求，明确全年累积耗电需求，结合全年太阳辐射强度，以光伏发电单元提供全部用电需求，计算光伏板铺设面积。
如图2所示，零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置的设计方法具体包括以下步骤：
步骤一、根据项目工艺需求，确定不同温度的蒸汽逐时消耗需求、全年累积消耗需求，明确制取蒸汽所需要消耗的热量Qh，a，包括从40℃热水提高至60℃热水的热量Qh，a，1，从60℃热水提高至0.2MPa蒸汽的热量Qh，a，2，以及局部继续提升温度和压力的热量Qh，a，3；本步骤所确定的各参数是装置配置的输入条件，其计算分析均为现有技术；
步骤二、结合项目工艺需求，对蒸汽使用后可回收的余热潜力进行评估，从而得到全年累积可回收的余热量Qr，a，明确需要从可再生地热能中补充的热量Qg，计算公式如公式1-2所示；
Qh，a，1＝Qh，a-Qh，a，2-Qh，a，3-Qr，a 公式1
Figure BDA0003411477230000071
其中，Qh，a，1为从40℃热水提高至60℃热水的热量，单位GJ；Qh，a，2为从60℃热水提高至0.2MPa蒸汽的热量，单位GJ；Qh，a，3为局部继续提升温度和压力的热量，单位GJ；Qe，a为全年累积可回收的余热量，单位GJ；Qg为需要从可再生地热能中补充的热量，单位GJ；COP1为一级热泵系统制热能效，可取为4.5；
步骤三、明确项目所在地地热地质条件，包括土壤导热系数、温升梯度，根据地质条件选取合适的地埋管尺寸及施工流程；
步骤四、结合地热地质条件，按每年土壤平均温降不大于0.2℃，计算单根中深层地热地埋管累积取热量的推荐值，从而根据全年需要从可再生地热能中补充的总热量计算出需要开采的中深层地热地埋管的数量，计算公式如公式3-4所示；
Qa＝Fg·qc·Δτ+Fg·H·ρ·Ct·ΔT 公式3
Figure BDA0003411477230000072
其中，Qa为中深层地热地埋管全年累积取热量推荐值，单位GJ；Fg为土壤控制体横截面积，单位m2；qC为当地地热热流密度，单位W/m2；Δτ为一年时间，单位s；H为中深层地热地埋管深度，单位m；ρ为土壤密度，单位kg/m3；Ct为土壤比热容，单位kJ/(kg·℃)；ΔT为土壤控制体每年温度变化。Qg为需要从可再生地热能中补充的热量，单位GJ；N为中深层地热地埋管开采数量。
步骤五、以一根中深层地热地埋管设计循环流量30m3/h，设计循环阻力50mH2O，根据需要开采的中深层地热地埋管数量，确定热源侧水泵装机容量；
步骤六、根据项目蒸汽供应需求，采用现有技术中的常规方法确定集中制取120℃蒸汽的热泵机组供热装机容量，以及集中输配蒸汽的输配系统装机容量；
步骤七、对于局部更高的蒸汽使用需求Qh，a，3，采用现有技术中的常规方法确定局部需要加装的电加热装置的供热装机容量Web；
步骤八、在明确系统形式后，即根据项目全年所需蒸汽量，及系统运行能效，确定全年累积耗电量，计算公式如公式5所示；
Figure BDA0003411477230000081
其中，W为系统全年耗电量，单位kWh；η为电加热效率；COP1为一级热泵系统制热能效，取为4.5；COP2为二级热泵系统制热能效，取为3.0；
步骤九、随后结合全年太阳辐射强度，以光伏发电单元提供模块化系统全部用电需求，采用现有技术中的常规方法计算光伏板铺设面积，随即得到光伏全年逐时发电量。
由此，对于本实用新型的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置与现有技术相比，具有以下优势：
1)本实用新型采用集中制取并输配低温(110-120℃)蒸汽，局部根据工艺需求采用电加热进一步提温提压。一方面避免集中制取过高温度蒸汽带来的能量浪费，另一方面避免了集中输配高温蒸汽带来的漏热损失；
2)本实用新型充分利用中深层地热地埋管横向占地面积小(管径仅为200-300mm)，可灵活布置开采的特点，构建模块化的蒸汽供应系统。紧贴建筑红线分散开采中深层地热地埋管，就近设置模块化蒸汽供应系统的方式，一方面避免集中开采中深层地热地埋管存在换热相互影响的情况，另一方面取消大面积蒸汽输配管网，避免了管网漏热损失、水力失调等问题，同时降低输送能耗；
3)本实用新型实现蒸汽制取的全面电气化，避免了传统化石能源燃烧所带来的直接碳排放。同时，通过充分利用中深层地热能、蒸汽回收余热、高效热泵技术等，相比于电直接加热，大幅度降低了用电需求，大幅度降低了蒸汽制取过程中的间接碳排放。最后结合光伏发电提供清洁电力，实现了零碳运行的蒸汽制取和供应；
4)本实用新型可进一步结合大数据分析的智能调控系统进行运行；蒸汽系统电气化后，一方面需要消纳光伏系统发电量，同时在光伏发电量不足时采用市政电力驱动。对于单个项目，基于天气预报预测光伏发电量并结合相应蓄电调控技术，是实现工业项目零碳蒸汽的关键所在。当技术推广到一定体量后，基于大数据分析的云平台智能调控系统，将实现本技术基于市政清洁电力发电规律的整体调度，实现电力需求侧响应，消纳更多清洁低碳电力。
上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，其特征在于：包括中深层地热地埋管单元(1)、一级热泵机组单元(2)、二级热泵机组单元(3)、局部电加热单元(4)、热回收单元(5)、光伏发电单元(6)、建筑用户单元(7)；
所述中深层地热地埋管单元(1)通过地热能输配单元与一级热泵机组单元(2)相连接；所述一级热泵机组单元(2)通过热水输配单元与二级热泵机组单元(3)相连接；所述二级热泵机组单元(3)通过蒸汽输配单元与局部电加热单元(4)相连接；所述局部电加热单元(4)与建筑用户单元(7)相连接，建筑用户单元(7)通过热回收单元(5)与二级热泵机组单元相连接；所述光伏发电单元(6)与一级热泵机组单元(2)、二级热泵机组单元(3)、热水输配单元、地热能输配单元、蒸汽输配单元、局部电加热单元(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，其特征在于：所述中深层地热地埋管单元(1)含有一根或多根中深层地热地埋管，每个中深层地热地埋管深度为2-3千米；中深层地热地埋管在不开采地下水的基础上，通过间壁式换热的方式提取地下70-90℃中深层地热能。
3.根据权利要求2所述的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，其特征在于：所述地热能输配单元含有一台或多台变频水泵，水泵频率25Hz-50Hz可调；所述热回收单元(5)含有蒸汽冷凝余热回收装置。
4.根据权利要求3所述的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，其特征在于：所述一级热泵机组单元(2)含有一台或多台磁悬浮高效热泵机组；所述二级热泵机组单元(3)含有一台或多台磁悬浮高效热泵机组；所述一级热泵机组单元(2)与二级热泵机组单元(3)串联运行，实现梯级升温；所述蒸汽输配单元含有一台或多台蒸汽加压泵，用于将集中制取的蒸汽输配至各个用能末端；所述局部电加热单元含有一台或多台分布式的蒸汽电加热系统。
5.根据权利要求4所述的零碳运行的电驱动热泵蒸汽制取装置，其特征在于：所述光伏发电单元(6)含有光伏板，为整个系统运行提供清洁电力。
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