一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源系统及方法

本发明属于锅炉与热泵，具体涉及一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源系统及方法。

背景技术：

1、烟气余热回收利用是实现锅炉效率提高的有效途径之一。燃气锅炉的排烟温度一般在50℃～200℃之间，烟气中的水蒸气仅部分冷凝或完全没有冷凝，烟气中还存在有大量的汽化潜热没有利用，若烟气的水蒸气完全冷凝可以释放出燃料低位热值8％～11％的热量。燃气烟气的水露点大多在55℃～58℃，燃气蒸汽锅炉的给水温度大约在20℃～70℃，给水量远低于燃气热水锅炉，即使给水温度低于烟气的水露点，也只能部分利用水蒸气的潜热。传统蒸汽锅炉在回水温度50℃的条件下，效率仅能达到97％，在回水温度20℃的条件下，效率可以达到99％，而以低位发热值计算的热效率最高可达111％，燃气蒸汽锅炉排烟中的大量水蒸气潜热未被有效利用。给水温度低于水露点时才能有效利用水蒸气的潜热，但蒸汽锅炉给水量极少，给水进入锅炉后迅速升温至水露点以上，亟待一种能够将锅炉烟气中的水蒸气潜热转移至锅炉给水或是助燃风的系统，以提高燃气锅炉的效率。

2、热泵是一种能够充分利用低品位热能的高效节能装置，近年来受到了广泛的关注。热泵的工作原理是从低温物体中吸收热量，释放给高温物体，仅消耗少量的功就可以得到较大的供热量，可以把较难利用的低品位热能有效地利用起来。通常热泵的制热系数为4～5，也就是说，热泵能够从低温热源中吸热将自身所消耗能量的4到5倍的热能传送到高温物体。目前市场上的主要热泵根据制冷原理的不同可分为压缩式热泵和吸收式热泵。目前热泵已广泛应用于锅炉排出烟气的余热回收、工厂排出污水的余热回收等。燃气与热泵耦合通过以电代气提高锅炉效率节约天然气。当热泵cop提高至3～6时，系统可在短期内收回投资。

3、天津市燃气热力规划设计研究院有限公司申请的cn208253927u一种燃气锅炉烟气余热回收系统利用热泵有效吸收烟气余热对给水进行预热，可以降低排烟温度。但是，系统使用喷淋塔降低烟温，用水量较大，系统也较庞大，需要考虑成本和收益问题。东北电力大学申请的cn111156733a生物质烟气余热全热回收型吸收-压缩耦合热泵系统将压缩热泵单元和升温吸收热泵单元耦合构成升温吸收-压缩耦合热泵模块，生物质烟气依次经过第一、第二和第三烟气换热单元将温度从145℃降到40℃以下，采暖热水从45℃升至70℃以上。该发明实现了烟气余热的梯级利用，提高了生物质锅炉的效率。但是，该发明只将供暖水作为冷源吸收烟气余热，显然是不够的。目前与热泵耦合的燃气锅炉多为热水锅炉，极少有蒸汽锅炉与热泵耦合的案例。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源系统及方法，利用给水、空气和低温热泵充分吸收烟气冷凝热，使烟气温度降低至30℃以下，锅炉效率提升至107％以上，达到节能目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源方法，燃气锅炉的烟气经过两级烟气-水换热器放热后，进入并联的第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器和烟气-循环水换热器放热，或进入并联的第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器和空气源热泵放热，或进入并联的第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器和溴化锂吸收式热泵放热，并且在并联结构中的放热能够进行调控，烟气放热后加热空气和给水，烟气分别通过低温热泵、空气源热泵或溴化锂吸收式热泵加热给水，经过加热后的给水再经高温热泵和第一级烟气-水换热器吸热，吸热后的空气和给水进入燃气锅炉。

3、进一步的，对经过第一级烟气-空气换热器加热后的空气利用第二级烟气-空气换热器加热，并调控所用烟气的流量。

4、进一步的，对经过第一级烟气-空气换热器加热后的空气依次利用第二级烟气-空气换热器和第三级烟气-空气换热器加热，并调控所用烟气的流量。

5、进一步的，对经过第一级烟气-空气换热器加热后的空气利用第二级水-空气换热器进行第二级加热，第二级水-空气换热器的给水来自低温热泵。

6、进一步的，对经过第一级烟气-空气换热器加热后的空气依次利用第二级水-空气换热器和第三级水-空气换热器加热，第三级水-空气换热器的给水来自高温热泵。

7、基于同样的发明构思，本发明提供一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源系统，包括沿着烟气流向依次连接的燃气锅炉、第一级烟气-水换热器和第二级烟气-水换热器，第二级烟气-水换热器的烟气出口连接第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器和烟气-循环水换热器，烟气-循环水换热器连接低温热泵，或第二级烟气-水换热器的烟气出口连接第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器以及空气源热泵；或第二级烟气-水换热器的烟气出口连接第一级烟气-空气换热器、第三级烟气-水换热器以及溴化锂吸收式热泵；第二级烟气-水换热器连接高温热泵，低温热泵和高温热泵采用压缩式水源热泵，第三级烟气-水换热器、低温热泵、高温热泵以及第一级烟气-水换热器的水侧连通，第一级烟气-水换热器的水侧出口连接燃气锅炉给水入口；第一级烟气-空气换热器的空气侧连通风机和燃气锅炉。

8、进一步的，第二级烟气-水换热器上并联第二级烟气-空气换热器，第一级烟气-空气换热器的空气侧出口经第二级烟气-空气换热器连通燃气锅炉，第二级烟气-水换热器和第二级烟气-空气换热器烟气侧进出口设置三通阀。

9、进一步的，第一级烟气-水换热器上并联第三级烟气-空气换热器，第一级烟气-空气换热器的空气侧出口依次经第二级烟气-空气换热器和第三级烟气-空气换热器连通燃气锅炉，第一级烟气-水换热器和第三级烟气-空气换热器的烟气侧进出口设置三通阀。

10、进一步的，低温热泵包括第一蒸发器、第一节流阀、第一冷凝器和第一压缩机；第一蒸发器的冷侧出口沿制冷工质流向依次连接第一压缩机、第一冷凝器和第一节流阀，第一节流阀连接第一蒸发器的冷侧入口；第一蒸发器的热侧连接烟气-循环水换热器的冷侧，第一冷凝器的水侧连接高温热泵的水侧。

11、进一步的，第一冷凝器的水侧与高温热泵的水侧之间设置第二级水-空气换热器，第一级烟气-空气换热器的空气侧经第二级水-空气换热器的空气侧连通燃气锅炉。

12、进一步的，高温热泵包括第二蒸发器、第二节流阀、第二冷凝器和第二压缩机；第二蒸发器的冷侧出口沿制冷工质流向依次连接第二压缩机、第二压缩机和第二节流阀，第二节流阀出口连接第二蒸发器的冷侧入口，第二蒸发器的热侧连接第二级烟气-水换热器的冷侧，第二冷凝器的水侧入口连接低温热泵水侧出口，第二冷凝器的水侧出口连接第一级烟气-水换热器的水侧入口。

13、进一步的，高温热泵的水侧出口经第三级水-空气换热器连接第一级烟气-水换热器的水侧入口，第一级烟气-空气换热器的空气侧经第二级水-空气换热器和第三级水-空气换热器的空气侧连通燃气锅炉。

14、进一步的，空气源热泵采用压缩式热泵，空气源热泵包括第三蒸发器、第三节流阀、第三冷凝器和第三压缩机，第三蒸发器的冷侧出口依次连接第四压缩机、第三冷凝器和第三节流阀，第三节流阀的出口连接第三蒸发器的冷侧入口，第三蒸发器的热侧入口连接第二级烟气-水换热器的烟气出口，第三蒸发器的热侧出口排空；第三冷凝器的水侧出口连接高温热泵。

15、进一步的，溴化锂吸收式热泵包括发生器、第四冷凝器、第四节流阀、第四蒸发器、吸收器、溶液阀、溶液泵以及溶液换热器；发生器的工质出口连接第四冷凝器的工质侧，第四冷凝器的工质侧出口通过第四节流阀连接第四蒸发器的工质侧，第四蒸发器的工质侧连接吸收器的工质入口，吸收器的工质出口与溶液换热器的稀溶液入口相连，溶液换热器的稀溶液出口与发生器的工质入口相连，吸收器至溶液换热器的管路上设置溶液泵，发生器与溶液换热器连通，溶液换热器至吸收器的管路上设置溶液阀；第四蒸发器的热侧连接烟气-循环水换热器的冷侧，第三级烟气-水换热器的水侧出口进入吸收器的水侧进口，吸收器的水侧出口连接第四冷凝器的水侧入口，第四冷凝器的水侧出口连接高温热泵。溴化锂吸收式热泵由燃气锅炉产生的高温蒸汽驱动，或者采用高温水或导热油驱动。

16、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

17、本发明提供一种燃气蒸汽锅炉耦合双级热泵的多冷源系统及方法，利用给水、空气和低温热泵充分吸收蕴藏在烟气中的水蒸气潜热和少量显热。本发明采用并联系统，末级烟气一分为三分别进入烟气-水换热器、烟气-空气换热器和烟气-循环水换热器，给水通过烟气、低温热泵和高温热泵实现梯级加热，通过控制阀门的开度，实现烟气热量的合理分配，进而控制给水和空气的出口温度，使系统运行在最佳状态；使烟气温度降低至30℃以下，给水由20℃升至120～140℃，空气由20℃升至50～90℃，锅炉效率提升至107％以上，达到节能目的。

18、进一步的，本发明实现烟气余热的梯级利用，给水得到梯级加热；根据系统的不同，空气也可以实现逐级加热，并且可以采用烟气加热和给水加热两种不同的方式。

19、进一步的，设置第二级烟气-空气换热器，空气通过烟气实现两次加热。

20、进一步的，设置第二级烟气-空气换热器和第三级烟气-空气换热器，空气通过烟气实现三次加热。

21、进一步的，通过设置第二级水-空气换热器，空气通过烟气和给水实现两次加热。

22、进一步的，通过同时设置第二级水-空气换热器和第三级水-空气换热器，空气通过烟气和给水实现三次加热。

23、进一步的，热泵cop维持在3～6，使系统效率始终维持在最佳状态，同时尽可能多的回收热量，以电代气，可在短期内实现投资回收，经济效益显著。

24、进一步的，压缩式热泵和吸收式热泵也可以采用可再生能源驱动，以零碳的方式回收烟气余热。