利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热方法及系统与流程

本发明属于电厂乏汽余热利用领域，具体涉及一种充分利用汽轮机蒸汽做功能力驱动组合式热泵，回收汽轮机乏汽余热加热热网水的梯级加热方法及系统。

背景技术：

电厂蕴含丰富的汽轮机乏汽余热资源，以热泵回收汽轮机乏汽余热是目前主要的乏汽余热利用方法，其中以蒸汽驱动的压缩式热泵和蒸汽型吸收式热泵应用较为广泛。

对于蒸汽驱动的压缩式热泵，相同压降幅度下，蒸汽在压力较高段做功能力较强。但如果驱动蒸汽压力较低，不仅做功能力较小，而且会使得透平机体积较大，给现场布置带来困难，设备投资也相应较大。因此，蒸汽驱动的压缩式热泵更适合用于蒸汽压力较高的场合。

对于蒸汽型吸收式热泵，主要分为双效吸收式热泵和单效吸收式热泵。双效吸收式热泵虽然能利用较高压力的蒸汽作为驱动力，但热网水升温幅度较小，且设备结构复杂，投资较大，较少应用于大型乏汽余热利用项目。而如果将高压蒸汽用于驱动单效吸收式热泵，高品位蒸汽的做功能力不能得到充分发挥，不可逆损失较大。此外，对于单台吸收式热泵而言，难以实现在蒸发温度和冷凝温度温差较大的条件下运行。

对于蒸汽型吸收式热泵，主要分为双效吸收式热泵和单效吸收式热泵。双效吸收式热泵虽然能利用较高压力的蒸汽作为驱动力，但热网水升温幅度较小，且设备结构复杂，投资较大，较少应用于大型乏汽余热利用项目。而如果将高压蒸汽用于驱动单效吸收式热泵，高品位蒸汽的做功能力不能得到充分发挥，不可逆损失较大。此外，对于单台吸收式热泵而言，难以实现在蒸发温度和冷凝温度温差较大的条件下运行。

因此，从上述两类热泵的特点可以看出，当抽汽压力较高时，采用蒸汽驱动的压缩式热泵不仅可以合理利用高压蒸汽的做功能力提升能效，而且能降低投资。当抽汽压力降低以后，用其驱动单效吸收式热泵，蒸汽参数和热网水参数匹配是合理的，既提高了热泵性能，又保证了热泵有较大的升温幅度。通过组合式热泵的方式将两类热泵的特性进行优化整合，将有利于提升系统整体能效。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种充分利用较高品位蒸汽的做功能力驱动组合式热泵回收汽轮机乏汽余热梯级加热热网水的方法及系统，该方法及系统有效结合了蒸汽驱动的压缩式热泵和蒸汽型吸收式热泵的特点，一方面实现了抽汽能量品位的梯级利用，另一方面，通过优化旁通水和热网水的梯级换热流程，使得驱动蒸汽、旁通水及热网水三者在换热过程中能级均得到了合理匹配，在深度利用汽轮机乏汽余热的同时，减少了换热过程的不可逆损失，有效提高了系统整体能效。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热方法，该方法由汽轮机组高品位抽汽驱动组合热泵对汽轮机乏汽进行回收，利用组合热泵的特性对热网水进行梯级升温，对旁通水进行梯级降温，具体包括以下流程：

1)抽取汽轮机组高品位抽汽，驱动压缩式热泵回收乏汽余热，高品位抽汽做功后的排汽继续驱动蒸汽型吸收式热泵回收乏汽余热；

2)汽轮机组的乏汽经凝汽器换热对热网水进行升温，升温后的热网水依次进入压缩式热泵、蒸汽型吸收式热泵进行梯级升温；

3)将步骤2)中经凝汽器换热后的热网水作为旁通水，依次进入蒸汽型吸收式热泵、压缩式热泵进行梯级降温后再次返回凝汽器与汽轮机组乏汽换热升温。

一种利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热系统，该系统包括提供乏汽的汽轮机组、回收乏汽余热的凝汽器、利用汽轮机组的高品位抽汽驱动的透平机、利用透平机驱动的压缩式热泵、利用透平机做功后排汽驱动的蒸汽型吸收式热泵以及连接上述各设备以回收乏汽余热的蒸汽系统、热网水系统和旁通水系统，其中：

对于蒸汽系统，汽轮机组的抽汽进入透平机做功驱动压缩式热泵回收乏汽余热，做功后的排汽驱动蒸汽型吸收式热泵回收乏汽余热；

对于热网水系统，一次网回水由一次网回水管道进入凝汽器加热后，先通过压缩式热泵升温，再通过蒸汽型吸收式热泵升温后进入一次网供水管道；

对于旁通水系统，旁通水系统的旁通水来自热网水系统的回水，热网水系统的一次网回水由一次网回水管道进入凝汽器加热后，分出一路依次串联通过蒸汽型吸收式热泵和压缩式热泵逐级降温后返回凝汽器前的一次网回水管道。

进一步的，还包括用于加热一次网回水的尖峰加热器，对于蒸汽系统，透平机做功后的排汽还分出一路引至尖峰加热器用于热网尖峰加热，对于热网水系统，经压缩式热泵和蒸汽型吸收式热泵逐级升温的热网水，再由尖峰加热器补充加热后进入一次网供水管道。

更进一步的，在热网水系统的凝汽器后设有冷却水出水管道，在所述冷却水出水管道上设有阀门，凝汽器前设有冷却水进水管道，在所述冷却水进水管道上设有用于调节系统回收余热量的阀门。

更进一步的，在凝汽器的乏汽进口管上设有乏汽管道，乏汽管道上设有用于调节系统回收余热量的阀门。

优选的，所述汽轮机组为两组，包括#1汽轮机组、#2汽轮机组，对应的凝汽器为#1凝汽器、#2凝汽器，对应的蒸汽系统中，#1汽轮机组的抽汽和#2汽轮机组的抽汽分别由#1汽轮机组的蒸汽管道和#2汽轮机组的蒸汽管道经三通汇合于蒸汽母管，蒸汽母管与透平机蒸汽入口连接，为透平机供应抽汽；对应的热网水系统，一次网回水管道的一次网回水与旁通水经三通汇合后一次经#1凝汽器、#2凝汽器加热后分为两路，一路一次经压缩式热泵、蒸汽型吸收式热泵升温后，再经尖峰加热器加热后进入一次网供水管道，另一路进入旁通水系统的旁通水管道，并依次经蒸汽型吸收式热泵、压缩式热泵降温后返回凝汽器前的一次网回水管道。

更进一步的，所述旁通水系统中设有旁通水泵，为旁通水系统提供所需的循环动力。所述旁通水泵的流量可调节，即旁通水流量可调节。

优选的，所述压缩式热泵、蒸汽型吸收式热泵分别与#1汽轮机组、#2汽轮机组一一对应，即每台汽轮机组对应设置一台热泵机组，两热泵机组之间的制冷侧和制热侧均分别采用串联方式连接。

优选的，汽轮机组还可以是一组或者多组，且可以是湿冷机组或间接空冷机组。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1.本发明充分结合蒸汽驱动的压缩式热泵和蒸汽型吸收式热泵的特点，以合理的蒸汽压力驱动对应的热泵，实现了较高品位蒸汽做功能力的梯级利用。

2.旁通水和热网水均以多级串联为基本思路，实现了梯级降温和梯级升温，有效减少系统换热过程不可逆损失。

3.组合式热泵采用串联连接的形式，根据蒸发温度高低，热网水先经过蒸发温度较低的热泵，降低了串联各级热泵的冷凝温度，提高了串联各台热泵的性能。

4.组合式热泵通过采用多级串联的形式，提高了热泵整体的升温幅度。解决了蒸发温度低、冷凝温度高带来的热泵升温困难的问题。

5.相比于单独采用蒸汽型吸收式热泵回收乏汽余热的系统而言，由于组合式热泵采用了较高品位的蒸汽驱动压缩式热泵，避免了抽汽做功能力的浪费，使得在相同抽汽量下能回收更多的乏汽余热，提高了系统能效。

附图说明

图1为本发明利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热方法及系统的流程图(湿冷或间接空冷系统)；

图2为本发明利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热方法及系统的流程图(直接空冷系统)；

其中：1.#1汽轮机组，2.#2汽轮机组，3.#1凝汽器，4.#2凝汽器，5.压缩式热泵，6.透平机，7.蒸汽型吸收式热泵，8.尖峰加热器，9.旁通水泵，31.#1凝汽器入口，32.#1凝汽器出口，41.#2凝汽器入口，42.#2凝汽器出口，51.压缩式热泵蒸发器，52.压缩机，53.压缩式热泵冷凝器，54.节流阀，61.透平机蒸汽入口，62.透平机排汽出口，71.吸收式热泵发生器，72.吸收式热泵吸收器，73.吸收式热泵冷凝器，74.吸收式热泵蒸发器，75.溶液换热器，76.溶液泵，77.冷剂泵，81.尖峰加热器蒸汽入口，82.尖峰加热器热水入口，83.尖峰加热器热水出口，511.压缩式热泵蒸发器入口，512.压缩式热泵蒸发器出口，531.压缩式热泵冷凝器入口，532.压缩式热泵冷凝器出口，721.吸收式热泵吸收器入口，722.吸收式热泵吸收器出口，731.吸收式热泵冷凝器入口，732.吸收式热泵冷凝器出口，741.吸收式热泵蒸发器入口，742.吸收式热泵蒸发器出口。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步详细描述：

本发明是利用组合式热泵回收电厂乏汽余热的梯级加热方法及系统，其中梯级加热方法是利用汽轮机组高品位抽汽驱动组合热泵对汽轮机乏汽进行回收，利用组合热泵的特性对热网水进行梯级升温，对旁通水进行梯级降温，具体包括以下流程：

1)抽取汽轮机组高品位抽汽，驱动压缩式热泵回收乏汽余热，高品位抽汽做功后的排汽继续驱动蒸汽型吸收式热泵回收乏汽余热；

2)汽轮机组的乏汽经凝汽器换热对热网水进行升温，升温后的热网水依次进入压缩式热泵、蒸汽型吸收式热泵进行梯级升温；

3)将步骤2)中经凝汽器换热后的热网水作为旁通水，依次进入蒸汽型吸收式热泵、压缩式热泵进行梯级降温后再次返回凝汽器与汽轮机组乏汽换热升温。

梯级加热系统包括提供乏汽的汽轮机组、回收乏汽余热的凝汽器、利用汽轮机组的高品位抽汽驱动的透平机、利用透平机驱动的压缩式热泵、利用透平机做功后排汽驱动的蒸汽型吸收式热泵、对热网水进行加热的尖峰加热器等设备以及连接上述各设备以回收乏汽余热的蒸汽系统、热网水系统和旁通水系统，各系统工作流程如下：对于蒸汽系统，汽轮机组的抽汽进入透平机做功驱动压缩式热泵回收乏汽余热，做功后的排汽驱动蒸汽型吸收式热泵回收乏汽余热；对于热网水系统，一次网回水由一次网回水管道进入凝汽器加热后，先通过压缩式热泵升温，再通过蒸汽型吸收式热泵升温后进入一次网供水管道；对于旁通水系统，旁通水系统的旁通水来自热网水系统的回水，热网水系统的一次网回水由一次网回水管道进入凝汽器加热后，分出一路依次串联通过蒸汽型吸收式热泵和压缩式热泵逐级降温后返回凝汽器前的一次网回水管道。

对于由纯凝改为抽凝的大型汽轮机组，通常抽汽压力较高。抽汽驱动透平机做功用来驱动压缩式热泵来回收乏汽，结合蒸汽型吸收式热泵对乏汽的吸收，可以深度利用汽轮机乏汽余热，提高了系统整体能效。

对于本发明中的汽轮机组(热源)可以是一组、两组或者多组，每组均对应设置一台凝汽器，并且每台汽轮机组均对应设置一台热泵机组，各汽轮机组的抽汽汇合在一起为各透平机提供驱动蒸汽，各热泵机组之间的制冷侧(蒸发器)和制热侧(冷凝器)均分别采用串联方式连接。另外，本发明的汽轮机组还可以采用湿冷机组或间接空冷机组。

实施例1：

如图1所示，本实施例针对湿冷或间接空冷机组乏汽余热利用系统。其中汽轮机组是两组，压缩式热泵、蒸汽型吸收式热泵分别与#1汽轮机组、#2汽轮机组一一对应，即每台汽轮机组对应设置一台热泵机组，两热泵机组之间的制冷侧和制热侧均分别采用串联方式连接。

蒸汽系统、热网水系统以及旁通水系统的连接形式如下：

对蒸汽系统，#1汽轮机组1蒸汽管道p1和#2汽轮机组2蒸汽管道p2经三通汇合为蒸汽母管p3，与透平机蒸汽入口61连接，透平机排汽管p4与透平机排汽出口62连接，并由三通分为蒸汽管道p5和蒸汽管道p6两路，蒸汽管道p5进入蒸汽型吸收式热泵发生器71，蒸汽管道p6连接尖峰加热器蒸汽入口81。

对热网水系统，一次网回水管道p7与旁通水管道p22经三通汇合为热水管道p8，热水管道p8与冷却水进水管道p23经三通汇合为热水管道p9，与#1凝汽器入口31连接，#1凝汽器出口32与热水管道p10连接，热水管道p10与冷却水出水管道p24经三通汇合为热水管道p11，热水管道p11再与冷却水进水管道p25经三通汇合为热水管道p12，与#2凝汽器入口41连接，#2凝汽器出口42与热水管道p13连接，热水管道p13与冷却水出水管道p26经三通汇合为热水管道p14，热水管道p14再经三通分为两路，其中热网水路进入热水管道p15后与压缩式热泵冷凝器入口531连接，压缩式热泵冷凝器出口532与热水管道p16连接，热水管道p16连接蒸汽型吸收式热泵吸收器入口721，蒸汽型吸收式热泵吸收器出口722与蒸汽型吸收式热泵冷凝器入口p731通过热水管道p17连接，蒸汽型吸收式热泵冷凝器出口p732与热水管道p18连接，热水管道p18与尖峰加热器热水入口82连接，尖峰加热器热水出口83与一次网供水管道p19连接。

对旁通水系统，一次网回水管道p7与旁通水管道p22经三通汇合为热水管道p8，热水管道p8与热水管道p14之间管道连接形式同热网水系统，热水管道p14再经三通分为两路，其中旁通水路进入旁通水管道p20后与蒸汽型吸收式热泵蒸发器入口741连接，蒸汽型吸收式热泵蒸发器出口742与压缩式热泵蒸发器入口511通过旁通水管道p21连接，压缩式热泵蒸发器出口512与旁通水管道p22连接，最终与回水管道p7连接。在旁通水管道p22上设有旁通水泵，为旁通水系统提供所需的循环动力。

蒸汽系统、热网水系统以及旁通水系统的工作过程分别为：

对蒸汽系统，由#1汽轮机机组和#2汽轮机组引出的蒸汽分别经蒸汽管道p1和蒸汽管道p2进入蒸汽母管p3，蒸汽先进入透平机6做功驱动压缩式热泵5回收乏汽余热，当透平机排汽压力降低到一定程度后，透平机排汽进入蒸汽管道p4，蒸汽并联分为两路，一部分蒸汽进入蒸汽管道p5，用于驱动蒸汽型吸收式热泵7回收乏汽余热，另一部分进入蒸汽管道p6，引至尖峰加热器8用于热网尖峰加热。

对热网水系统，一次网回水与旁通水分别经热水管道p7和热水管道p22混合后，经三通进入热水管道p8，混合的热网水依次串联经过#1凝汽器3、#2凝汽器4加热，#2凝汽器4出口热网水由热水管道p14分为两路，即热网水路和旁通水路：其中，热网水路进入热水管道p15，仍采用串联方式，先通过压缩式热泵的冷凝器53，再通过蒸汽型吸收式热泵吸收器72和蒸汽型吸收式热泵冷凝器73逐级升温，最后再由尖峰加热器8补充加热后由一次网供水管p19供出。

对旁通水系统，一次网回水与旁通水分别经热水管道p7和热水管道p22混合后，经三通进入热水管道p8，混合的热网水依次串联经过#1凝汽器3、#2凝汽器4加热，#2凝汽器4出口热网水由热水管道p14分为两路，即热网水路和旁通水路：其中，旁通水路进入旁通水管道p20，依次串联通过蒸汽型吸收式热泵蒸发器74和压缩式热泵蒸发器51逐级降温后返回混合点。

沿热网水流向，各台汽轮机组背压逐级升高，此时可以通过调节旁通水流量(调节旁通水泵流量)来改变串联连接的各台凝汽器的出口温度，从而改善对应各台汽轮机组背压，并保证各台汽轮机机组安全运行。

在冷却水进水管道p23、p25上设有控制阀门v2、v4，在冷却水出水管道p24、p26上设有控制阀门v1、v3，系统运行过程中通过控制阀门v1、v2、v3、v4调节系统回收余热量，若全部回收乏汽余热，阀门v1、v2、v3、v4全部关闭；若仅回收部分乏汽余热，开启阀门v1、v2，阀门v3、v4保持关闭，当系统散热能力不够时，全部开启阀门v1、v2、v3、v4。

实施例2：

如图2所示，本实施例针对直接空冷机组乏汽余热利用系统。系统主体设备配置、蒸汽管道、热网水管道以及旁通水管道连接形式与系统运行方式均与实施例1相同。不同之处在于两者乏汽冷端连接形式不同：实施例1中多余的乏汽热量通过冷却水由冷却水出水管道p24和冷却水出水管道p26带走散热，而实施例2中通过在凝汽器的乏汽进口管上设有乏汽管道p27、p28，并在乏汽管道p27、p28上设置控制阀门v5、v6调节系统回收余热量，乏汽管道p27、p28将多余的乏汽送至空冷岛冷却，由空冷岛带走多余的余热量。

运行中通过控制阀门v5、v6调节系统回收余热量，若全部回收乏汽余热，阀门v5、v6全部关闭；正常情况下，若仅回收部分乏汽余热，开启阀门v5，阀门v6保持关闭，当系统散热能力不够时，全部开启阀门v5、v6。

各设备的具体说明如下：

1.汽轮机，根据热电联产的生产量确定，为常用设备；

2.凝汽器，根据余热回收量和加热温度确定，湿冷或间接空冷系统可采用原设备，但须校核运行参数。直接空冷系统须新增设，为非标设计设备；

3.透平机，根据汽轮机抽汽、排汽参数确定，为非标设计设备；

4.压缩式热泵，根据背压、加热温度确定，为非标设计设备；

5.蒸汽型吸收式热泵，根据背压、加热温度确定，此为非标设计设备；

6.尖峰加热器，根据加热温度确定，为常用设备；

7.旁通水泵，根据旁通流量和阻力确定，为常用设备。