结合了热泵系统的热电联产区域供暖生产系统及控制方法与流程

本发明涉及了一种结合了热泵系统的热电联产区域供暖生产系统及其控制方法。

背景技术：

该部分中描述的内容仅是提供本发明相关的背景信息，而并非构成现有技术。

区域供暖系统是指，在特定区域内的住宅、商场等建筑不会各自配备供暖设备，而是通过区域内的大型热电联产设施集中生产区域供热所需的热水(95～120℃)，并通过热输送管输送到各建筑物的系统。

此类区域供暖系统首先通过燃烧化石燃料驱动燃气涡轮及蒸汽涡轮发电机生产电力，并将发电过程中的余热蒸汽通过热交换器生产区域供暖水。这种同时生产电力和热量的系统虽然一次能源利用效率较高，但还是有约20％的热量因温度低而无法使用。为了将这种低温未利用热量利用起来以此进一步提高热电联产供应区域供暖的一次能源效率，需要额外的配备热泵并消耗额外的电力来实现。

技术实现要素：

对图1所示的现有技术的热电联产(cogeneration)系统进行描述，来自区域的区域供暖回水进入区域供暖热交换器，利用汽轮机st的抽汽蒸气以及尾气进行对区域供暖回水进行加热，并最终供应到区域。如上所述，化石燃料拥有的一次能源热量除了转换为电和热的能源以外，还是有约20％左右的低温热能(放热、排气气体热、旋转体摩擦、变压损失等)将无法被利用，最终排放到大气。而现有的技术是，为了将这种低温的外部未利用热量回收到区域供暖系统，使用电力驱动的热泵以消耗额外电力为代价加大共热量，因而存电力消耗过大的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种结合了热泵系统的热电联产区域供暖生产系统及其控制方法，克服上述的现有技术问题、通过在热电联产模式中高效回收外部未利用热量来使区域供暖一次能源效率最大化。

一种结合了高效率热泵系统的热电联产区域供暖生产系统，包括：

汽轮机，利用发电余热锅炉产生的高温蒸汽进行发电；

区域供暖热交换器，利用上述汽轮机的抽气蒸汽及排气蒸汽热供应区域供暖水的换热器；

从外部系统回收未利用热量的热水驱动式吸收式热泵，从上述区域供暖热交换器供应的区域供暖高温水的至少一部分驱动热泵，利用循环于所述热水驱动式吸收式热泵的内部的吸收剂对区域供暖回水的至少一部分进行升温，使所述区域供暖热交换器的入口水温上升；

上述热水驱动式吸收式热泵包括：

蒸发器,利用冷剂水蒸发吸收热量回收外部未利用热量；

吸收器,接收区域供暖回水,并利用热泵内部溴化锂吸收剂吸收蒸发器产生制冷剂蒸汽时产生的热量对区域供暖回水进行1次加热；

发生器,从上述区域供暖热交换器出口接收高温的区域供暖供水并用其加热上述吸收器中吸收了制冷剂蒸汽的溴化锂稀溶液,将稀溶液分离为水蒸气和溴化锂浓溶液；

冷凝器,接收吸收器出口的集中供暖回水,与上述发生器产生的水蒸气热交换,对区域供暖回水进行2次加热,同时将水蒸气冷凝为液体冷剂水,此冷剂水进入上述蒸发器再进行蒸发吸热,以此循环；

以及包括两个区域供暖水流量调节装置,上述两个流量调节装置一个配置于所述吸收器的入口,控制进入热泵升温的区域供暖回水流量；另一个配置于上述区域供暖热交换器的出口,控制热泵的运行负荷以控制外部未利用能源的回收量。

需要说明的是，本发明的研发课题编码为2018201060010b，研发主管部门是韩国产业通商资源部，研究管理机关是韩国能源技术评价院，并且研究项目名称为能源需求管理核心技术，研究课题名称是cascade热利用区域冷热供应优化技术开发，主管部门为首尔能源公司，研发周期为2018年5月11日至2021年12月31日。

本发明附加的技术方案将在以下的说明中进行部分说明，可从该说明中较简明得理解本发明。

前述的一般说明及以下的详细说明仅是为了对本发明进行说明，而并非是限制另附的权利要求书中记载的本发明的保护范围。

根据本发明的结合了热泵系统的热电联产区域供暖生产系统，由于其设计为能够回收作为低温热能的排气气体水分冷凝潜热、装置冷却热、变压过程中的放热、燃料电池冷却热等，而在此过程中不需要消耗额外的电力或蒸高温蒸汽，因而能够最大限度增大发电效率及热回收效率。

本发明中的结合了热泵系统的热电联产区域供暖生产系统，包括了能将热泵系统和原有的热电联产系统进行完全结合的控制系统，能够稳定维持热电联产系统的发电输出、区域供暖流量、区域供暖供应温度。

附图说明

图1，现有区域供暖生产系统概念图。

图2，本发明中说明的结合了高效热泵的区域供暖生产系统。

图3，本发明中说明的结合了高效热泵的区域供暖生产系统结构。

图4，本发明中说明的结合高效率热泵的区域供暖系统综合温度控制系统的框图。

附图标记的说明

100：结合了高效热泵的区域供暖生产系统；200：汽轮机；300：区域供暖热交换器；400：吸收式热泵；600：综合温度控制系统

具体系统构成方式

以下内容将参照附图对本发明的具体系统结构进行说明.

但系统中的一些功能或者组成部分的细节部分对本次发明的说明产生不必要的误解时，会予以省略。。

图1是现有区域供暖生产系统的概念图。

图1说明了现有的热电联产电厂供应区域供热的生产流程概念图

图2是本发明中说明的结合了高效热泵的区域供暖生产流程的概念图

图3是本发明中说明的结合了高效热泵的区域供暖生产系统的结构概念图

如图2及图3中所示，本发明的结合了高效率热泵的区域供暖系统100包括了：汽轮机200、区域供暖热交换器300、吸收式热泵400。

余热锅炉可以将燃气涡轮的排气热能生产出蒸汽，为后述的汽轮机200供应高温高压蒸汽。

汽轮机200是利用高温、高压的蒸汽来转动叶轮进行发电的发电装置。高温、高压的蒸汽热能转换为动能转动汽轮机200的叶轮发电后，相对低温、低压状态的蒸汽通过汽轮机蒸汽出口排出。可以从汽轮机200的中间段进行抽汽和利用汽轮机200蒸汽出口的低压蒸汽余热作为区域供暖热源实现热电联产。

区域供暖热交换器300是利用汽轮机200的中间段抽汽和汽轮机200蒸汽出口的低压蒸汽加热区域供暖水的设备。通过与汽轮机200的蒸汽进行热交换，区域供暖水低温回水将被升温成为区域供暖水高温供水，以满足区域内的制热及卫生热水需求。

吸收式热泵400起到在区域供暖水通过区域供暖热交换机300之前经由的中间通道的作用，在区域中被收回的低温的区域供暖水在通过吸收式热泵400的吸收器420的过程中，利用溴化锂溶液进行第一次升温，并利用吸收式热泵400的冷凝器440的制冷剂蒸汽进行第二次升温。此时，在升温的总热量中包含有将吸收式热泵400的蒸发器410中原先因制冷剂蒸发而无法使用的低温的未使用热能进行回收的热量，以及向后述的吸收式热泵400的再生器430供应的高温的区域供暖水的热量。利用吸收式热泵400的吸收器420及冷凝器440进行升温的区域供暖水将被区域供暖热交换机300加热为高温的区域供暖水。被加热的高温的区域供暖水在通过吸收式热泵400的再生器430的过程中加热再生器430内部的溴化锂溶液，从而再生制冷剂蒸汽。在高温的区域供暖水向吸收式热泵400的再生器430提供一部分热量的情况下，也能够使供应的区域供暖高温水的出口温度保持与运行吸收式热泵400之前相同。

吸收式热泵400可以包括：蒸发器410、吸收器420、再生器430以及冷凝器440。

蒸发器410可以接收后述的未使用的热量。

吸收器420可以接收被收回的区域供暖低温水，并可以对区域供暖低温水进行第一次加热后排出。

冷凝器440接收从再生器供应的蒸汽，将所述蒸汽与从吸收器排出的第一次加热的区域供暖低温水进行热交换而进行第二次加热后，将所述区域供暖低温水向区域供暖热交换机300的入口排出。

再生器430可以将区域供暖热交换机300的区域供暖高温水作为驱动热源，接收从区域供暖热交换机的出口排出的区域供暖高温水，并可以将随着进行热交换而温度降低的区域供暖高温水向需要供暖的区域排出。

制冷剂可以在热泵400的内部按照再生器-冷凝器-蒸发器-吸收器-再生器的顺序进行循环。

溴化锂溶液可以在热泵400的内部按照再生器-吸收器-再生器的顺序进行循环。

参照图3，未使用热量(未使用能源)可以通过蒸发器410来回收。

未使用热量q3可以包含有在燃料燃烧的过程中发生并排出的排气气体中含有的水蒸汽冷凝潜热、向电力网供电时起到中间桥梁作用的变压器中进行收发电变压过程中发生的冷却热、冷却塔中冷却各种轴承、压缩机以及泵等外围装置的冷却热中的一种以上。即，蒸发器410可以回收以上提及到的未使用热量。

与再生器430从区域供暖高温水接收的热量q1对应的被回收的未使用热量q3的比率是0.6至0.8，优选地可以是0.7。据此，能够使与q1对应的q3，即q3/q1的比率被固定，从而可以根据废热发电站的热输出量来调节q3和区域供暖流量以构建热平衡。

再次参照图3，可以还包括流量调节装置。

流量调节装置可以包括第一流量调节装置510及第二流量调节装置520。

第一流量调节装置510可以配置于吸收器的入口。

第一流量调节装置510构成为三通(3-way)方式，从而能够调节分别向区域供暖热交换机300和吸收器供应的区域供暖低温水的流动方向或者流量比率。区域供暖低温水的流量与汽轮机后端压力对应的由低温水升压泵来决定，并且，根据本发明的系统运行与否，流动方向或者流量比率由第一流量调节装置510来调节。

第二流量调节装置520可以配置于区域供暖热交换机的出口。

第二流量调节装置520构成为3-way方式，从而能够调节经过区域供暖热交换机300而升温的区域供暖高温水分别向再生器和区域供应的流量的比率。通过这样的结构，能够调节再生器的出口温度，而这直接关系到能够调节区域供暖高温水的供应温度。

基本上，第二流量调节装置520进行热量调节的目的在于，使向区域供应的区域供暖高温水的温度始终保持恒定的温度。利用流入到吸收式热泵的再生器430的区域供暖高温水的流量来决定再生器内的溴化锂溶液的温度，由此，将决定吸收式热泵蒸发器410的未使用热量的回收容量。

图4是本发明的一实施例的本发明的结合高效率热泵的区域供暖系统的整合温度控制部的框图。

参照图4，整合温度控制部600可以包括温度检测部610及流量控制部620。

整合温度控制部600在本发明的区域供暖系统中起到的作用在于，测量各区间的区域供暖水的温度，并基于此控制各区间的区域供暖水的流量，从而实现适当的区域供暖。

本发明的温度控制的目标值是高温的区域供暖水的区域供应温度。根据该设定目标温度，通过第二流量调节装置520来决定区域供暖热交换机300中进行升温的高温水通过吸收式热泵400的流量和旁通的流量的比率。根据通过吸收式热泵400的区域供暖高温水的流量来决定再生器430内部的溴化锂溶液的温度，该温度将决定蒸发器410的热回收量。对于如装置冷却水的需要恒定的温度的冷却水的未使用能源供应处，可以设计为与原有的冷却设备共同运营，并在吸收式热泵的蒸发器的冷却负荷不足时，能够将原有的冷却设备作为部分负荷运行。在如排气气体水分冷凝潜热的废热的情况下，回收量将减少。温度检测部610可以通过分别设置于被收回的区域供暖低温水的入口、区域供暖热交换机300的入口及出口，以及供应的区域供暖高温水的出口的温度传感器(未图示)来测量区域供暖水的各区间的温度。

流量控制部620可以基于区域供暖水的温度信息及蒸发器410所吸收的热量信息来控制流量调节装置的驱动。

具体而言，本发明的流量控制部620的流量控制是对区域供暖水的供应流量控制。为了保持汽轮机200的输出，需要保持向起到排气蒸汽的凝汽作用的区域供暖热交换机300的恒定的区域供暖水供应流量。随着利用吸收式热泵400的吸收器420及冷凝器440来对低温的区域供暖水进行升温，向区域供暖热交换机300供应的区域供暖水的流量需要增加。该流量的控制与本发明的吸收式热泵系统无关，而是根据汽轮机200的背压由区域供暖供应水泵进行控制。只是，根据吸收式热泵的投入使用与否，利用第一流量调节装置510转换区域供暖供应水的流动方向。

第二流量调节装置520根据上述的温度检测部的目标温度，调节向吸收式热泵流入的高温的区域供暖供应水的流量和旁通的流量的比率。第一流量调节装置510和第二流量调节装置520不改变区域供暖供应水的总流量，而是通过仅调节吸收式热泵中通过的流量的比率来形成与热电联产系统的结合。这样的第一流量调节装置510和第二流量调节装置520除了使用基于阀的方式以外，还可以使用基于泵的施压方式来以相同的控制原理进行驱动。

根据本发明能够实现的效果如下。

在原有的热电联产系统中，在不改变能源投放量及电力生产量的情况下，能够将热效率提高4至10％，并能够将发电站的最大热输出提高10至15％。根据本发明，吸收式热泵系统不影响汽轮机的蒸汽抽气或者汽轮机的排气压力，从而对所生产的电力量不构成影响。并且，吸收式热泵的驱动源也使用原有的升温区域供暖水的热量中的一部分，并通过将该部分的热量和未使用能源回收热量相加来升温低温的区域供暖水，因此，不需要投放追加的能源。由于是回收发电站自身不使用被回收的未使用能源而浪费的废热，无需提供发电站系统外部的水热/水电，也能够提高发电站的自身效率，从而具有较高的利用率。

本实施例仅是例示说明本发明的技术思想，本发明所属的技术领域的一般技术人员可以在不背离本发明的本质特性的范围内对本实施例进行多种修改及变形。本实施例意在说明本发明的技术思想，而并非意在对其进行限定，因此，本实施例并不限定本发明的保护范围。本发明的保护范围应当由所附的权利要求书进行解释，被认为是阈值等同或均等的所有技术思想应当被解释为落入本发明的保护范围。