一种水源式高温热泵机组及用于火电厂的余热回收系统的制作方法

1.本发明涉及热泵技术领域，具体涉及一种水源式高温热泵机组及用于火电厂的余热回收系统。


背景技术：

2.目前，火电厂发电大多都是通过煤炭的燃烧将水变成蒸汽，再通过蒸汽来推动汽轮机高速运转以带动发电机高速运转从而进行发电，而驱动汽轮机高速运转需要在汽轮机两端形成大压差。
3.通常的做法一般是火电厂冷凝热通过冷却塔排入大气，从而降低凝汽器内的水温从而降低凝汽器内的压力，在汽轮机与凝汽器连接端形成“最有利真空”，让汽轮机进汽端与出汽端形成大压差从而驱动汽轮机进行高速运转。但因冷凝热排放到大气形成巨大的冷端损失，这样不仅造成能源和水（或电）的浪费，而且发电效率较低，同时也造成严重的大气污染，无法达到节能环保和低碳的目的。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种既能充分回收利用火电厂的余热/废热来提高火电厂发电效率，也能避免冷凝热排放到大气中造成大气污染的水源式高温热泵以及包含该热泵的余热回收系统。
5.本发明采用如下技术方案：一种水源式高温热泵机组，其包括压缩机；所述压缩机的排气口通过第一管道连接水源式逐级升温换热器的制冷剂入口；所述水源式逐级升温换热器的制冷剂出口通过第二管道连接四通换向阀后经第三管道连接使用侧水换热器的制冷剂入口；所述使用侧水换热器的制冷剂出口通过第四管道经节流阀连接热源侧水换热器的制冷剂入口；所述热源侧水换热器的制冷剂出口经第五管道连接四通换向阀后经过第六管道连接气液分离器，所述气液分离器通过第七管道连接压缩机的吸气口；所述使用侧水换热器的出水口与水源式逐级升温换热器的进水口相连。
6.进一步的，所述水源式逐级升温换热器包括顺次连接的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器。
7.进一步的，所述一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器的结构相同，均包括筒体、设置在筒体两端的封头以及设置在筒体内的换热铜管；所述筒体两端分别设置有进水管接头和出水管接头；所述换热铜管在所述筒体两端分别设置有进氟管接头和出氟管接头。
8.进一步的，所述一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器通过制冷剂连接管路顺次连接进氟管接头和出氟管接头；一级换热器的进氟管接头与第一管道连接，四级换热器的出氟管接头与第二管道连接。
9.进一步的，所述一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器通过水路管道
顺次连接进水管接头和出水管接头；所述四级换热器的进水管接头与使用侧水换热器的出水口相连。
10.进一步的，所述使用侧水换热器为高效壳管满液式蒸发器。
11.进一步的，所述热源侧水换热器为高效壳管干式冷凝器。
12.一种用于火电厂的余热回收系统，其上述水源式高温热泵机组、凝汽器、余热锅炉以及燃煤锅炉。
13.所述凝汽器的凝结水出口通过冷凝出水管道连接使用侧水换热器的进水口；所述水源式逐级升温换热器的出水口通过高温热水管道连接余热锅炉。
14.所述余热锅炉通过饱和蒸汽管道连接燃煤锅炉，所述燃煤锅炉通过高温蒸汽管道连接汽轮机。
15.汽轮机通过冷凝进水管道连接凝汽器。
16.余热回收系统中，所述水源式逐级升温换热器中的一级换热器的出水管接头通过高温热水管道连接余热锅炉。
17.余热回收系统中，所述凝汽器的冷却水出口通过凝汽器出水管连接热源侧水换热器10的进水口，所述热源侧水换热器的出水口通过凝汽器进水管连接凝汽器的冷却水进口。
18.余热回收系统中，所述凝汽器出水管上设置有单向导通阀。
19.余热回收系统中，其还包括控制单元、设置在冷凝出水管道上的冷凝进水温度传感单元、设置在凝汽器出水管上的热源侧进水温度传感单元、设置在凝汽器进水管上的热源侧出水温度传感单元、设置在高温热水管道上的高温热水出水温度传感单元、设置在饱和蒸汽管道上的饱和蒸汽温度传感单元、以及设置在高温蒸汽管道上的过热蒸汽温度传感单元。
20.所述冷凝进水温度传感单元、热源侧进水温度传感单元、热源侧出水温度传感单元、高温热水出水温度传感单元、饱和蒸汽温度传感单元以及过热蒸汽温度传感单元分别通过传感器连接线与控制单元连接。
21.余热回收系统中，所述第一管道上设置有与控制单元连接的排气温度传感单元和排气压力传感单元，所述第七管道上设置有与控制单元连接的吸气温度传感单元和吸气压力传感单元；所述压缩机和四通换向阀与控制单元电连接。
22.本发明的有益效果在于：本发明是综合利用水源式高温热泵机组的全热回收、冷凝热叠加和分段提取高温水等创新技术可将原本丢弃的发电后冷凝下来的30℃左右低品位热，有效地转化为80℃以上温度的高品位热再充分利用起来，通过锅炉转化为蒸汽后供发电机循环使用。在充分回收利用火电厂余热/废热的前提下，同时对火电厂发电系统的凝汽器降温降压，对系统的冷却水降温，从而提高火电厂发电效率。
23.本发明结合系统运行模式、控制单元通过系统各温度传感单元反馈的信号控制余热锅炉、燃煤锅炉的启停及水源式热泵机组启停和加减载运行，从而调节系统的出水温度、蒸汽温度和系统压差，来实现通过综合利用水源式高温热泵机组的全热回收、冷凝热叠加和分段提取高温水等创新技术来充分回收利用火电厂余热/废热，同时对火电厂发电系统的凝汽器降温降压，对系统的冷却水降温，以达到节能环保、降低碳排放和提高发电效率的
目的。
24.本发明突破了传统的火电厂发电过程中大量冷凝热排放到大气中无法回收利用和发电效率低的技术难题。实现了充分回收利用火电厂余热，大大提高火电厂的发电效率，大大减少火电厂对大气的污染和碳排放。
附图说明
25.图1水源式高温热泵机组的结构示意图。
26.图2为水源式逐级升温换热器的结构示意图。
27.图3为余热回收系统的原理示意图。
28.其中，1压缩机、2第一管道、3水源式逐级升温换热器、3-1一级换热器、3-2二级换热器、3-3三级换热器、3-4四级换热器、4第二管道、5四通换向阀、6第三管道、7使用侧水换热器、8第四管道、9节流阀、10热源侧水换热器、11第五管道、12第六管道、13气液分离器、14第七管道、15筒体、16封头、17换热铜管、18进水管接头、19出水管接头、20进氟管接头、21出氟管接头、22制冷剂连接管路、23水路管道、24水源式高温热泵机组、25凝汽器、26余热锅炉、27燃煤锅炉、28冷凝出水管道、29高温热水管道、30饱和蒸汽管道、31高温蒸汽管道、32汽轮机、33冷凝进水管道、34凝汽器出水管、35凝汽器进水管、36单向导通阀、37控制单元、38冷凝进水温度传感单元、39热源侧进水温度传感单元、40热源侧出水温度传感单元、41高温热水出水温度传感单元、42饱和蒸汽温度传感单元、43过热蒸汽温度传感单元、44传感器连接线、45排气温度传感单元、46排气压力传感单元、47吸气温度传感单元、48吸气压力传感单元。
具体实施方式
29.下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
30.实施例1如图1所示，一种水源式高温热泵机组，其包括压缩机1；所述压缩机1的排气口通过第一管道2连接水源式逐级升温换热器3的制冷剂入口；所述水源式逐级升温换热器3的制冷剂出口通过第二管道4连接四通换向阀5后经第三管道6连接使用侧水换热器7的制冷剂入口；所述使用侧水换热器7的制冷剂出口通过第四管道8经节流阀9连接热源侧水换热器10的制冷剂入口；所述热源侧水换热器10的制冷剂出口经第五管道11连接四通换向阀5后经过第六管道12连接气液分离器13，所述气液分离器13通过第七管道14连接压缩机1的吸气口；所述使用侧水换热器7的出水口与水源式逐级升温换热器3的进水口相连。
31.所述使用侧水换热器7为高效壳管满液式蒸发器。所述热源侧水换热器10为高效壳管干式冷凝器。所述压缩机1为螺杆式压缩机。
32.在机组制热水时，经压缩机1压缩的高温高压制冷剂气体流到水源式逐级升温换热器3，经过逐级放热冷凝后，变成高压制冷剂流到四通换向阀5，经过四通换向阀5流到使用侧水换热器7（冷凝器），在使用侧水换热器7（冷凝器）内制冷剂和水换热后，进一步冷凝成高压制冷剂液体，流到节流阀9进行节流后，变成低温低压制冷剂气液混合态，低温低压制冷剂气液混合态进入热源侧水换热器10（蒸发器）吸收从热源侧水换热器10中进水的热
量，吸热相变成低压制冷剂气体，经过四通换向阀5导流到气液分离器13，夹杂的制冷剂液体就留在气液分离器13里，制冷剂气体就从压缩机1吸气口进入压缩机1进行压缩，如此循环，这样制冷剂就可持续在使用侧水换热器7（冷凝器）中放热同时在热源侧水换热器10（蒸发器）吸热，构成逆卡诺循环。
33.如图2所示，所述水源式逐级升温换热器3包括顺次连接的一级换热器3-1、二级换热器3-2、三级换热器3-3和四级换热器3-4。
34.所述一级换热器3-1、二级换热器3-2、三级换热器3-3和四级换热器3-4的结构相同，均包括筒体15、设置在筒体15两端的封头16以及设置在筒体15内的换热铜管17；所述筒体15两端分别设置有进水管接头18和出水管接头19；所述换热铜管17在所述筒体15两端分别设置有进氟管接头20和出氟管接头21。
35.所述一级换热器3-1、二级换热器3-2、三级换热器3-3和四级换热器3-4通过制冷剂连接管路22顺次连接进氟管接头20和出氟管接头21；一级换热器3-1的进氟管接头20与第一管道2连接，四级换热器3-4的出氟管接头21与第二管道4连接。
36.所述一级换热器3-1、二级换热器3-2、三级换热器3-3和四级换热器3-4通过水路管道23顺次连接进水管接头18和出水管接头19；所述四级换热器3-4的进水管接头18与使用侧水换热器7的出水口相连。
37.所述的水源逐级升温换热器为多级高效式钢-铜壳管换热器，一级换热器3-1可充分吸收制冷剂显热的，二级换热器3-2及三级换热器3-3用于充分吸收制冷剂潜热和部分显热，四级换热器3-4用于吸收制冷剂潜热。
38.水源逐级升温换热器制冷剂流路说明：在机组制热水运行时，从压缩机1排气口出来的高温制冷剂气体先进入一级换热器3-1和水换热，高温制冷剂的显热大部分被水吸收后温度下降变为中温制冷剂液体及一部分高温制冷剂气体，这些制冷剂再进入二级换热器3-2中将热量传递给常温水，因释放显热和潜热后被冷凝成纯制冷剂液体，这些纯制冷剂液体再进入三级换热器3-3中进一步释放潜热将热量传递给水，被进一步冷凝后再进入四级换热器3-4中进一步释放潜热将热量传递给低温水，从而变成常温纯液态制冷剂进入节流部件进行节流、蒸发后回到压缩机1进行压缩，压缩成高温制冷剂后又进入一级换热器3-1，如此循环。因系统制冷剂经过四次冷凝叠加换热后，冷凝压力和冷凝温度也得到了进一步的降低，功耗也随之降低，系统能效随之提高。
39.水源逐级升温换热器水流路说明：在机组制热水运行时，低温水先进入四级换热器3-4中，通过吸收制冷剂的潜热后水温升高为中温水，这些中温水又进入三级换热器3-3中进一步吸收制冷剂的潜热后水温升高为中温水，中温水又进入二级换热器3-2中吸收制冷剂的潜热和部分显热使得水温进一步提升，又从二级换热器3-2出来进入一级换热器3-1中充分吸收高温制冷剂的显热水温进一步提升，变为高温热水。这样水通过四次叠加吸热提温后，低温水便提取成了高温水。这样机组在运行中不断将低温水提取成高温水，可供高温热水需求场所连续使用。而这些制冷剂中的所有热量本身是通过机组另一水路（热源侧）的水和制冷剂循环热交换取得，通过吸收热源侧水中的余热或废热再将热量转化到使用侧的水中并逐级升温提取高温热水的换热器，因此称为水源逐级升温换热器。
40.实施例2如图3所示，一种用于火电厂的余热回收系统，其包括实施例1所述的水源式高温
热泵机组24、凝汽器25、余热锅炉26以及燃煤锅炉27。
41.汽轮机32的冷凝进水管道33连接凝汽器25。所述凝汽器25的冷却水出口通过凝汽器出水管34连接水源式高温热泵机组24的热源侧水换热器10的进水口，所述水源式高温热泵机组24的热源侧水换热器10的出水口通过凝汽器进水管35连接凝汽器25的冷却水进口。通过降低凝汽器25内的水温从而降低凝汽器25内的压力，在汽轮机32与凝汽器25连接端形成“最有利真空”，让汽轮机32进汽端与出汽端形成大压差从而驱动汽轮机32进行高速运转，进而驱动发电机发电。
42.所述凝汽器25的凝结水出口通过冷凝出水管道28连接使用侧水换热器7的进水口；冷凝水在所述水源式高温热泵机组24内被加热，被加热的冷凝水通过高温热水管道29连接余热锅炉26。
43.所述余热锅炉26对冷凝水进行再次加热，产生饱和蒸汽。饱和蒸汽通过饱和蒸汽管道30进入燃煤锅炉27，在燃煤锅炉27中对饱和蒸汽继续进行加热，产生过热蒸汽。过热蒸汽通过高温蒸汽管道31连接汽轮机32。
44.所述水源式逐级升温换热器3中的一级换热器3-1的出水管接头19通过高温热水管道29连接余热锅炉26。
45.具体的说，所述凝汽器25的冷却水出口通过凝汽器出水管34连接热源侧水换热器10的进水口，所述热源侧水换热器的出水口通过凝汽器进水管35连接凝汽器25的冷却水进口。
46.所述凝汽器出水管34上设置有单向导通阀36。单向导通阀36可防止冷却水的反向流动，保证系统的正常运行。
47.所述系统还包括控制单元37、设置在冷凝出水管道28上的冷凝进水温度传感单元38、设置在凝汽器出水管34上的热源侧进水温度传感单元39、设置在凝汽器进水管35上的热源侧出水温度传感单元40、设置在高温热水管道29上的高温热水出水温度传感单元41、设置在饱和蒸汽管道30上的饱和蒸汽温度传感单元42、以及设置在高温蒸汽管道31上的过热蒸汽温度传感单元43。
48.所述冷凝进水温度传感单元38通过传感器连接线44连接到控制单元37，热源侧进水温度传感单元39通过传感器连接线44连接到控制单元37，热源侧出水温度传感单元40通过传感器连接线44连接到控制单元37，高温热水出水温度传感单元41通过传感器连接线44连接到控制单元37，饱和蒸汽温度传感单元42通过传感器连接线44连接到控制单元37，过热蒸汽温度传感单元43通过传感器连接线44连接到控制单元37，控制单元37连接机组到电源，如此构成控制电路。
49.所述冷凝进水温度传感单元38、热源侧进水温度传感单元39、热源侧出水温度传感单元40、高温热水出水温度传感单元41、饱和蒸汽温度传感单元42、过热蒸汽温度传感单元43均采用防爆型螺纹固定式铂热电阻温度传感器，它由阻燃接线盒、固定螺纹和保护管三部分组成，较普通的温度传感器耐压性更好，耐高温性更强，更精确可靠，并且阻燃防爆。
50.所述燃煤锅炉27、余热锅炉26以及水源式高温热泵机组24分别与控制器电性连接。
51.同样的，所述第一管道2上设置有与控制单元37连接的排气温度传感单元45和排气压力传感单元46，所述第七管道14上设置有与控制单元37连接的吸气温度传感单元47和
吸气压力传感单元48；所述压缩机1和四通换向阀5与控制单元37电连接。
52.发电运行时，燃煤锅炉27中的煤粉燃烧加热燃煤锅炉27使其中的饱和蒸汽变成340℃左右的过热蒸汽，通过高温蒸汽管道31输送到汽轮机32对其作功，已经作过功的蒸汽流经凝汽器25，经水源式高温热泵机组24回收热量后，汽轮机32出口端和凝汽器25连接处形成低压（最有利真空状态），在高压蒸汽压差的作用下汽轮机32高速旋转并带动发电机高速转动从而发电。
53.从热源侧水换热器10中进水的热量被吸收后温度降低至10~20℃并从机组流出，进入凝汽器25冷却盘管，与50℃蒸汽冷凝水在凝汽器25中进行热交换，蒸汽冷凝水温度下降到30℃后由凝汽器25出口出来，作为再利用水经过水泵输送到水源式高温热泵机组24的使用侧水换热器7中。
54.凝汽器25的冷却盘管的10~20℃的冷却水因在凝汽器25的冷却盘管中吸收了蒸汽冷凝水的热量，本身温度升高变为22~32℃，再从单向导通阀36进入热源侧进水口回到水源式高温热泵机组24的热源侧水换热器10中，冷却水的热量在热源侧水换热器10（蒸发器）蒸发侧吸收后，又变成10～20℃并从热源侧出水口出来后进入凝汽器25的冷却盘管，如此循环。这样就可持续为水源式高温热泵机组24供给22~32℃热量的循环水。
55.制高温热水运行时，从系统的凝汽器25出来的30℃冷凝水进入使用侧水换热器7后，在使用侧水换热器7（冷凝器）中充分吸收高温制冷剂的热量，水温升高变成常温热水（低于60℃），后从使用侧水换热器7（冷凝器）的出水口流经水路连接管进入水源逐级升温换热器后在里面和高温制冷剂进行逐级换热充分吸收制冷剂的潜热和显热，水温逐级升高变成高温热水（80~95℃），后从水源式逐级升温换热器3的出水口通过高温热水管道29进入余热锅炉26中进行加热，变为110~140℃的饱和蒸汽，再通过饱和蒸汽管道30进入燃煤锅炉27进一步加热变为500℃左右的过热蒸汽供汽轮机32发电，发电做功的蒸汽通过冷凝降温从系统凝汽器25出来变成30℃冷凝水不断进入使用侧水换热器7，高温热水（80~95℃）从水源逐级升温换热器的出水口不断流到余热锅炉26，如此循环，水源式高温热泵机组24可持续为余热锅炉26供给80~95℃的高温热水，从而持续供给发电所用的高温蒸汽。
56.此时，若（δt
高温热水出水
－水温规定值≥0）且（δt
高温热水出水
－水温规定值≥0持续15秒），控制单元37驱动水源式高温热泵机组24进行减载运行直到停止，水源式高温热泵机组中的水停止升温，从机组高温出水口出来的水温度逐渐降低最终保持和从冷凝水进水口进来时的温度一致，从而实现系统高温热水出水温度保持在设定温度，否则水源式高温热泵机组24进行开启和加载运行，水源式高温热泵机组24中的水开始升温，从机组高温热水出水口出来的水温度逐渐升高，来实现高温热水出水温度达到高温热水出水设定温度。其中，δt
高温热水出水
为发电模式下高温热水出水温度传感单元感测到的实际温度与设定出水温度之差，水温规定值为国家检测标准规定水温偏差值。
57.同时，控制单元37根据饱和蒸汽温度传感单元42检测到的饱和蒸汽温度进行判断：若（δt
饱和蒸汽温度
－饱和蒸汽温度规定值≥0）且（δt
饱和蒸汽温度
－饱和蒸汽温度规定值≥0持续15秒），控制单元37驱动余热锅炉26停止加热，来实现系统饱和蒸汽温度保持在设定温度，否则，余热锅炉26进行开启加热，来实现系统饱和蒸汽温度达到饱和蒸汽设定温度。其中，δt
饱和蒸汽温度
为发电模式下系统饱和蒸汽温度传感单元感测到的实际系统饱和蒸汽温度与设定系统饱和蒸汽温度之差，饱和蒸汽温度规定值为国家检测标准规定饱和蒸汽温度偏
差值另外，控制单元37根据过热蒸汽温度传感单元43检测到的系统过热蒸汽温度进行判断：若（δt
过热蒸汽温度
－过热蒸汽温度规定值≥0）且（δt
过热蒸汽温度
－过热蒸汽温度规定值≥0持续15秒），控制单元37驱动燃煤锅炉27停止工作，来实现系统过热蒸汽温度保持在设定温度，否则，燃煤锅炉27进行开启运行，来实现系统过热蒸汽温度达到过热蒸汽设定温度；这样就使系统高温出水温度、系统饱和蒸汽温度及系统过热蒸汽温度都能达到设定温度且可确保系统始终达到最佳运行状态的目的。其中，δt
过热蒸汽温度
为发电模式下过热蒸汽温度传感单元感测到的实际系统过热蒸汽温度与设定过热蒸汽温度之差，过热蒸汽温度规定值为国家检测标准规定过热蒸汽温度偏差值。
58.作为优选的，各判断中的持续时间由15秒减少为10秒时，更有利于精准调节水源式高温热泵机组的启停和加减载，以及余热锅炉26、燃煤锅炉27的启停和运行，从而更精准控制系统高温热水的水温、饱和蒸汽温度及过热蒸汽温度，进一步提高系统的稳定性和可靠性。
59.根据机组应用数据和理论计算分析得出，在能源节省方面：火电厂1台25000kw发电机组，应用此发明涉及的水源式高温热泵机组可吸收冷凝余热2436kw/h，2134万kw/年，减去耗电能源588万kw，年节省1546万kw热量，依据每天冷却循环水损失2300吨，吸收冷凝热可日节水275吨。每年节水10.02万吨，依据降低冷却循环水流量11.94%，循环泵功率200kw/h，每天节电573.12kw，每年节电20.92万kw。
60.本发明是在逆卡洛循环原理基础上，综合利用水源式热泵全热回收、冷凝热叠加和分段提取高温水等创新技术，为火电厂提供的一种全新的节能环保、低碳排放的创新技术，为行业内首创。它解决了火电厂的余热/废热需排放到大气中白白浪费、发电效率低等问题，也避免了冷凝热排放到大气中造成大气污染的问题。