用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统及其工作方法与流程

本发明涉及热能动力工程领域，具体涉及一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统及其工作方法。

背景技术：

我国大型燃煤发电机组不但承担基本负荷，还承担着电网调峰任务。由于近年来我国火电机组年利用小时数一直维持在4000小时左右，北方地区的供热机组也面临着很大的调峰压力。为解决供热机组灵活性运行及深度调峰的问题，国内外学者提出在热电厂设置储热罐进行热电解耦的技术方案，即在机组电负荷较高时以抽汽工况运行，供热抽汽不但用于加热热网循环水，还用于加热储热罐中的储热工质；在机组电负荷较低时以凝汽工况运行，利用储热罐中储热工质的热量向外供热。目前的技术方案中储热工质大多采用水，利用水温度变化的显热来实现储热。虽然水的比热较大，但由于大型供热机组的供热量很大，需要很大的储热罐才能满足要求。以某300mw供热机组为例，其设计抽汽量为500t/h，按照8小时储热量、水温变化值为20℃计算，储热罐的容积达到了12.7万立方米，超过了我国小2级水库的容量标准(10万立方米)；由于放热工况下机组没有供热抽汽，其实际供热能力也随之下降。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统及其工作方法，本发明利用储热介质浓度变化时吸收或放出水蒸汽的特性实现了用水的潜热储热，同时储热介质的温度变化范围增大、使显热储热量相应增加，从而增加了单位储热介质的储热量、减少了储热罐的容积、降低了系统投资；该系统始终以类似吸收式热泵的工作过程运行，能回收汽轮机的排汽余热，既可增加机组的供热能力，还可降低机组的发电煤耗率，具有良好的热经济性及技术经济性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统，包括储液罐1，储液罐1的储热介质出口端与输液泵7的进口端相连通；储液罐1的储热介质进口端与第二阀门10的出口端及第八阀门16的出口端相连通；输液泵7的出口端与第一阀门9的进口端及第七阀门15的进口端相连通；第一阀门9的出口端与溶液换热器2的吸热侧进口端及第五阀门13的出口端相连通；溶液换热器2的吸热侧出口端与蒸发器3的吸热侧进口端相连通；溶液换热器2的放热侧进口端与第三阀门11的出口端相连通；溶液换热器2的放热侧出口端与第四阀门12的进口端相连通；蒸发器3的吸热侧溶液出口端与第二阀门10的进口端及第三阀门11的进口端相连通；蒸发器3的吸热侧水蒸汽出口端与冷凝器4的放热侧进口端相连通；蒸发器3的放热侧进口端与供热抽汽19相连通；蒸发器3的放热侧出口端与供热抽汽的疏水20相连通；冷凝器4的放热侧出口端与水蒸汽的疏水18相连通；冷凝器4的吸热侧进口端与热网回水17相连通；吸收器5的吸热侧进口端与冷凝器4的吸热侧出口端相连通，吸收器5的放热侧进口端与低压蒸汽21、第四阀门12的出口端和第六阀门14的出口端相连通，吸收器5的放热侧出口端与回液泵8进口端相连通；溶液冷却器6的吸热侧进口端与吸收器5的吸热侧出口端相连通；溶液冷却器6的吸热侧出口端为向外供热的热网出水22；溶液冷却器6的放热侧进口端与第七阀门15的出口端相连通、溶液冷却器6的放热侧出口端与第六阀门14的进口端相连通；回液泵8出口端与第五阀门13的进口端及第八阀门16的进口端相连通；所述一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统所用的储热介质为溴化锂、氯化锂、氢氧化钠、氯化钙、硝酸钾、硝酸钠中一种物质的水溶液或多种物质的水溶液；所述溶液换热器2、蒸发器3、冷凝器4、吸收器5和溶液冷却器均为间壁式换热器。

所述储液罐1中工质为储热介质；溶液换热器2换热两侧工质为不同温度的储热介质；蒸发器3放热侧工质为供热抽汽19和供热抽汽19凝结形成的供热抽汽的疏水20，蒸发器3吸热侧工质为储热介质和储热介质蒸发生成的水蒸汽；冷凝器4放热侧工质为储热介质在蒸发器3中蒸发生成的水蒸汽及该水蒸汽凝结形成的水蒸汽的疏水18，冷凝器4吸热侧工质为热网回水17；吸收器5的吸热侧工质为热网回水17，吸收器5放热侧工质为储热介质和低压蒸汽21；溶液冷却器6放热侧工质为储热介质、溶液冷却器6吸热侧工质为热网出水22。

所述的一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统的工作方法，包括储热工作过程与放热工作过程；

所述储热工作过程为：在供热机组电负荷较高、运行于供热工况时，所述的一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统按照储热工作过程运行；投运输液泵7与回液泵8给储热介质提供流动的动力，开启第一阀门9、第二阀门10、第三阀门11、第四阀门12和第五阀门13，关闭第六阀门14、第七阀门15和第八阀门16以限制储热介质的流向，从而使储热介质形成如下流程与状态变化：从储热罐1来的低温稀浓度储热介质经过输液泵7与第一阀门9进入溶液换热器2，在溶液换热器2中受流经第三阀门11的储热介质加热后进入蒸发器3，再在蒸发器3中受供热抽汽19加热后产生水蒸汽与高温高浓度储热介质，蒸发器3产生的水蒸汽流入冷凝器4并加热热网回水17，蒸发器3中高温高浓度储热介质分为两路，一路经第二阀门10返回储热罐1，另一路依次流经第三阀门11、溶液换热器2、第四阀门12后进入吸收器5；进入吸收器5的储热介质吸收低压蒸汽21并加热冷凝器4流出的热网回水17后依次流经回液泵8、第五阀门13变成低温稀浓度储热介质后进入溶液换热器2；热网回水17依次流经冷凝器4、吸收器5及溶液冷却器6并在冷凝器4、吸收器5中被加热；在此过程中，流出储热罐1的储热介质的状态为低温稀浓度，进入储热罐1的储热介质的状态为高温高浓度；流入冷凝器4的热网回水17的状态为低温，流出溶液冷却器6的热网出水22的状态为高温；即通过储热工作过程使储热介质与热网循环水状态发生预设的变化，实现储热、向外供热效果；

所述放热工作过程为：在供热机组电负荷较低、运行于凝汽工况时，所述的一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统按照放热工作过程运行；投运输液泵7与回液泵8给储热介质提供流动的动力，关闭第一阀门9、第二阀门10、第四阀门12和第五阀门13，开启第六阀门14、第七阀门15和第八阀门16以限制储热介质的流向，从而使储热介质形成如下流程与状态变化：来自储热罐1中高温高浓度储热介质经过输液泵7与第七阀门15进入溶液冷却器6，储热介质在溶液冷却器6中加热依次流经冷凝器4、吸收器5、溶液冷却器6的热网回水17后经第六阀门14进入吸收器5，进入吸收器5的储热介质吸收低压蒸汽21并加热冷凝器4流出的热网回水17后变成低温稀浓度储热介质依次流经回液泵8、第八阀门16进入储液罐1；热网回水17依次流经冷凝器4、吸收器5和溶液冷却器6并在吸收器5和溶液冷却器6中被加热；在此过程中，流出储热罐1的储热介质的状态为高温高浓度，进入储热罐1的储热介质的状态为低温稀浓度；流入冷凝器4的热网回水17的状态为低温、流出溶液冷却器6的热网出水22的状态为高温，即通过放热工作过程使储热介质与热网循环水状态发生预设的变化，从而实现向外供热效果。

进入蒸发器3的供热抽汽19在加热储热介质后凝结为供热抽汽的疏水20并返回热力系统。

蒸发器3产生的水蒸汽在冷凝器4中加热热网回水17后产生的水蒸汽的疏水18引入疏水箱，经处理后作为供热机组的补充水，或用汽轮机低压缸的排汽余热加热蒸发器3产生的水蒸汽以供给吸收器5。

进入吸收器5的低压蒸汽21直接采用汽轮机低压缸的排汽，或由排汽余热通过循环水以间接加热的方式产生。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、与常规的以水为储热介质的相比，本发明利用溶液的显热及水蒸汽的潜热来实现储热，其单位储热罐体积的储热量比常规纯水高5倍以上。

在溶液显热储热方面，由于相同压力下溶液的饱和温度比纯水要高得多，因此溶液的最高工作温度可达到120℃以上，储热罐仍可工作在常压，而采用纯水的储热罐要工作在常压下其温度需低于100℃，从而增大了储热介质的温度变化范围，增加了显热储热量。

在潜热储热方面，以溴化锂溶液为例，浓度在50％左右的溴化锂溶液的密度与纯水比较接近，当其浓度变化范围为10％时，1kg溶液可吸收0.2kg的低压蒸汽，其储热量约为500kj/kg，大约相当于纯水温度变化120℃的显热储热量。

由上述分析可以看出，本发明的储热系统，其单位储热罐体积的储热量比纯水高5倍以上。

2、与常规的以水为储热介质的相比，本发明的储热系统的供热能力更大。

以供热机组每天供热工况运行16小时、凝汽工况运行8小时计算，采用纯水为储热介质，每天只有2/3的时间有供热抽汽，其供热能力下降1/3；而采用本发明的储热系统，由于吸收式热泵的cop可以达到1.7，机组在同样的工作过程下其供热能力最大可达到原设计工况的1.13倍，供热能力更大。

3、提高供热机组的热经济性。

本发明提出的储热系统实质上是一个吸收式热泵，该系统回收汽轮机低压缸的排汽余热向外供热，可大幅度提高机组的运行热经济性，降低燃料消耗，减少污染物排放，从而实现了供热机组的节能减排。

本发明可广泛用于我国大型供热机组的灵活性运行及深度调峰改造，以实现热电解耦。

附图说明

图1为本发明用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统示意图。

图中：1—储液罐2—溶液换热器3—蒸发器4—冷凝器5—吸收器6—溶液冷却器7—输液泵8—回液泵9—第一阀门10—第二阀门11—第三阀门12—第四阀门13—第五阀门14—第六阀门15—第七阀门16—第八阀门17—热网回水18—水蒸汽的疏水19—供热抽汽20—供热抽汽的疏水21—低压蒸汽22—热网出水。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

在热电厂设置储热系统是供热机组实现灵活性运行及深度调峰的主要技术路线之一。为降低成本，其储热系统所用的储热介质适合采用水、岩石、土壤及废旧金属等廉价储热材料，其中水的换热性能相对最好，定压比热也较大，现有的热电厂储热方案常选择水作为储热介质。但现代大型供热机组的供热量巨大，导致储热罐体积庞大、增大了系统投资，且在低电负荷下供热机组以凝汽工况运行、没有供热抽汽，其实际供热能力也随之下降。

分析水的热物理性质发现，水的定压比热为4.2kj/(kg℃)，如储热系统中水温变化幅度为20℃，则其储热量为84kj/kg；而水的汽化潜热约为2500kj/kg，如能利用水的汽液相变潜热进行储热，则其储热量达到2500kj/kg，是显热储热量的30倍左右。但水蒸汽的密度很小(0.4mpa的饱和水蒸汽密度为2.16kg/m³)，单位容积的储热量为5400kj/m³。因此，如储热系统直接采用水蒸汽为储热介质，在储热量相同时储热罐体积将更大。

在供热机组运行时，不论是在供热工况还是凝汽工况，其汽轮机低压缸均排出含有大量低温余热的乏汽。采用溴化锂吸收式热泵回收汽轮机排汽余热的技术已在我国火电行业得到了广泛的应用，其工作原理是首先利用供热抽汽将溴化锂溶液进行加热、释放出压力较高的水蒸汽，然后将溴化锂溶液进行降温、吸收压力较低的水蒸汽。设某一浓度下溴化锂水溶液的饱和蒸发温度比同等压力下的纯水高50℃，则通过溴化锂吸收过程可将饱和温度为35℃的水蒸汽的潜热转换为85℃的溶液的显热并向外输出。

本发明根据吸收式热泵的工作原理，通过储存高温高浓度储热介质并利用供热机组的排汽余热，构造了利用水蒸汽的汽化潜热、溶液温度变化的显热实现储热的系统，其工作原理如图1所示，该系统具有储热及放热两种典型工作过程。

如图1所示，本发明一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统，包括储液罐1，储液罐1的储热介质出口端与输液泵7的进口端相连通；储液罐1的储热介质进口端与第二阀门10的出口端及第八阀门16的出口端相连通；输液泵7的出口端与第一阀门9的进口端及第七阀门15的进口端相连通；第一阀门9的出口端与溶液换热器2的吸热侧进口端及第五阀门13的出口端相连通；溶液换热器2的吸热侧出口端与蒸发器3的吸热侧进口端相连通；溶液换热器2的放热侧进口端与第三阀门11的出口端相连通；溶液换热器2的放热侧出口端与第四阀门12的进口端相连通；蒸发器3的吸热侧溶液出口端与第二阀门10的进口端及第三阀门11的进口端相连通；蒸发器3的吸热侧水蒸汽出口端与冷凝器4的放热侧进口端相连通；蒸发器3的放热侧进口端与供热抽汽19相连通；蒸发器3的放热侧出口端与供热抽汽的疏水20相连通；冷凝器4的放热侧出口端与水蒸汽的疏水18相连通；冷凝器4的吸热侧进口端与热网回水17相连通；吸收器5的吸热侧进口端与冷凝器4的吸热侧出口端相连通，吸收器5的放热侧进口端与低压蒸汽21、第四阀门12的出口端和第六阀门14的出口端相连通，吸收器5的吸热侧出口端与回液泵8进口端相连通；溶液冷却器6的吸热侧进口端与吸收器5的吸热侧出口端相连通；溶液冷却器6的吸热侧出口端为向外供热的热网出水22；溶液冷却器6的放热侧进口端与第七阀门15的出口端相连通、溶液冷却器6的放热侧出口端与第六阀门14的进口端相连通；回液泵8出口端与第五阀门13的进口端及第八阀门16的进口端相连通。所述一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统所用的储热介质为溴化锂、氯化锂、氢氧化钠、氯化钙、硝酸钾、硝酸钠中一种物质的水溶液或多种物质的水溶液；所述溶液换热器2、蒸发器3、冷凝器4、吸收器5和溶液冷却器均为间壁式换热器。

由于溴化锂价格较贵，为降低系统的投资，图1系统的储热介质既可采用溴化锂溶液，也可采用氯化钙、氯化锂、氢氧化钠、氯化钙、硝酸钾及硝酸钠等物质中一种物质的水溶液或多种物质的水溶液。

储热罐1为容纳储热介质的容器；所述溶液换热器2换热两侧工质为不同温度的储热介质；蒸发器3放热侧工质为供热抽汽19和供热抽汽19凝结形成的供热抽汽的疏水20，蒸发器3吸热侧工质为储热介质和储热介质蒸发生成的水蒸汽；冷凝器4放热侧工质为储热介质在蒸发器3中蒸发生成的水蒸汽及该水蒸汽凝结形成的水蒸汽的疏水18，冷凝器4吸热侧工质为热网回水17；吸收器5的吸热侧工质为热网回水17，吸收器5的放热侧工质为储热介质和低压蒸汽21；溶液冷却器6放热侧工质为储热介质、溶液冷却器6吸热侧工质为热网出水22。

热网回水17、热网出水22均是热网循环水，热网回水17在冷凝器4与吸收器5中受热、或在吸收器5与溶液冷却器6中受热后形成热网出水22。

本发明用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统的工作方法，包括储热工作过程与放热工作过程；

所述储热工作过程为：在供热机组电负荷较高、运行于供热工况时，所述的一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统按照储热工作过程运行；投运输液泵7与回液泵8给储热介质提供流动的动力，开启第一阀门9、第二阀门10、第三阀门11、第四阀门12和第五阀门13，关闭第六阀门14、第七阀门15和第八阀门16以限制储热介质的流向，从而使储热介质形成如下流程与状态变化：从储热罐1来的低温稀浓度储热介质经过输液泵7与第一阀门9进入溶液换热器2，在溶液换热器2中受流经第三阀门11的储热介质加热后进入蒸发器3，再在蒸发器3中受供热抽汽19加热后产生水蒸汽与高温高浓度储热介质，蒸发器3产生的水蒸汽流入冷凝器4并加热热网回水17，蒸发器3中高温高浓度储热介质分为两路，一路经第二阀门10返回储热罐1，另一路依次流经第三阀门11、溶液换热器2、第四阀门12后进入吸收器5；进入吸收器5的储热介质吸收低压蒸汽21并加热冷凝器4流出的热网回水17后依次流经回液泵8、第五阀门13变成低温稀浓度储热介质后进入溶液换热器2；热网回水17依次流经冷凝器4、吸收器5及溶液冷却器6并在冷凝器4、吸收器5中被加热；在此过程中，流出储热罐1的储热介质的状态为低温稀浓度，进入储热罐1的储热介质的状态为高温高浓度；流入冷凝器4的热网回水17的状态为低温，流出溶液冷却器6的热网出水22的状态为高温；即通过储热工作过程使储热介质与热网循环水状态发生预设的变化，实现储热、向外供热效果；

所述放热工作过程为：在供热机组电负荷较低、运行于凝汽工况时，所述的一种用于供热机组的吸收式热泵储热与放热系统按照放热工作过程运行；投运输液泵7与回液泵8给储热介质提供流动的动力，关闭第一阀门9、第二阀门10、第四阀门12和第五阀门13，开启第六阀门14、第七阀门15和第八阀门16以限制储热介质的流向，从而使储热介质形成如下流程与状态变化：来自储热罐1中高温高浓度储热介质经过输液泵7与第七阀门15进入溶液冷却器6，储热介质在溶液冷却器6中加热依次流经冷凝器4、吸收器5、溶液冷却器6的热网回水17后经第六阀门14进入吸收器5，进入吸收器5的储热介质吸收低压蒸汽21并加热冷凝器4流出的热网回水17后变成低温稀浓度储热介质依次流经回液泵8、第八阀门16进入储液罐1；热网回水17依次流经冷凝器4、吸收器5和溶液冷却器6并在吸收器5和溶液冷却器6中被加热；在此过程中，流出储热罐1的储热介质的状态为高温高浓度，进入储热罐1的储热介质的状态为低温稀浓度；流入冷凝器4的热网回水17的状态为低温、流出溶液冷却器6的热网出水22的状态为高温，即通过放热工作过程使储热介质与热网循环水状态发生预设的变化，从而实现向外供热效果。

作为本发明的优选实施方式，进入蒸发器3的供热抽汽19在加热储热介质后凝结为供热抽汽的疏水20并返回热力系统。

作为本发明的优选实施方式，蒸发器3产生的水蒸汽在冷凝器4中加热热网回水17后产生的水蒸汽的疏水18引入疏水箱，经处理后作为供热机组的补充水，或用汽轮机低压缸的排汽余热加热蒸发器3产生的水蒸汽以供给吸收器5。

作为本发明的优选实施方式，进入吸收器5的低压蒸汽21直接采用汽轮机低压缸的排汽，或由排汽余热通过循环水以间接加热的方式产生。