基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统

技术领域

本发明属于热电机组供热改造技术领域，尤其涉及一种基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统。

背景技术

煤电机组是指使用煤炭作为主要燃料的发电设备。这些机组将煤炭燃烧产生的热能转化为电能，从而供应电力给工业、商业和家庭等各个领域。煤电机组通过燃烧煤炭产生高温高压的热能，这通常在锅炉内完成。热能被用来加热水，产生高温高压的蒸汽，蒸汽被导入蒸汽涡轮，高速旋转的涡轮带动连接的发电机转子，产生电能。通过电磁感应原理，发电机中的转子在磁场中转动，产生电流，最终将机械能转化为电能。

燃煤热电联产机组通常在基础热电负荷运行，具有稳定可靠的电力输出特点，煤炭作为燃料相对便宜且广泛可得，使得煤电机组的发电成本相对较低。在很多地区，煤电机组的基础设施已经建立，不需要大规模的新设施建设。然而，传统燃煤技术的能源转化效率相对较低，导致能源浪费。在某些地区的采暖方式，采用煤电机组发电仍然是主要承担电负荷的同时，还肩负着大量热负荷需求，因此需要采取技术改进和环保措施来减少其负面影响。

双级压缩式热泵技术已经在能源领域取得了一些进展。这种技术可以通过多级压缩和膨胀，实现更高效的热能转换和传递，提高能源利用效率。但是，目前将双级压缩式热泵技术与热电机组以及余热梯级利用系统集成，需要考虑如何对不同设备之间的协调和优化，以达到整体供热性能的最优化，提高供热能力，降低发电煤耗，是目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于双级压缩式热泵技术的热电机组深度余热梯级利用系统，通过对不同设备之间的协调和优化，有效的提高供热能力的，同时增加调峰深度，满足三改联动要求中灵活性调节与节能降碳的技术要求，能够积极响应电网深度调峰要球，同时满足采暖热负荷需求，又降低了机组煤耗量，。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统，包括，

负压闪蒸烟气余热回收系统，双级电压缩式热泵机组，燃煤热电联产机组和热网加热器；

所述热网加热器的疏水侧与燃煤热电联产机组的除氧器连接，所述热网加热器的汽侧与燃煤热电联产机组的采暖抽汽管道连接；所述热网加热器的循环水侧与一次网循环水系统连接；

所述双级电压缩式热泵机组包括低温环路回收机组和中温环路回收机组；所述低温环路回收机组与燃煤热电联产机组的凝汽器连接；所述中温环路回收机组与负压闪蒸烟气余热回收系统连接。

优选的，所述低温环路回收机组包括依次连接的凝器、高压级压缩机、低压级压缩机、蒸发器、第二膨胀阀和工质换热器。

优选的，所述中温环路回收机组包括依次连接的冷凝器、高压级压缩机、中间换热器、工质换热器和第一膨胀阀。

优选的，所述负压闪蒸烟气余热回收系统包括脱硫浆液喷淋泵、负压闪蒸罐、负压真空泵、脱硫浆液回送泵、闪蒸蒸汽凝结水泵和闪蒸蒸汽凝结水罐；

所述负压真空泵设置在负压闪蒸罐上，所述脱硫浆液喷淋泵设置在负压闪蒸罐的脱硫塔浆液进口管道上，所述脱硫浆液回送泵设置在负压闪蒸罐的脱硫塔浆液出口管道上；所述负压闪蒸罐的顶部出口与中间换热器的进口连接；中间换热器的出口分别与负压闪蒸罐的底部循环水进口和闪蒸蒸汽凝结水罐连接；所述闪蒸蒸汽凝结水泵设置在负压闪蒸罐的底部循环水进口和闪蒸蒸汽凝结水罐的汇合管路上；

优选的，所述负压闪蒸罐的底部循环水管路上设置有第一电动调节阀；所述闪蒸凝结水罐的进口管路上设置有第二电动调节阀；所述负压闪蒸罐的顶部与中间换热器之间的管路上设置有逆止阀；

优选的，所述燃煤发电机组还包括锅炉，汽轮机组，低压加热器组和高压加热器组；

所述锅炉，汽轮机组，凝汽器，低压加热器组，除氧器和高压加热器组依次连接；

所述除氧器的疏水侧与热网加热器的疏水侧连接；所述热网加热器的循环水侧进口与一次网循环水系统的回水管道连接，所述热网加热器的循环水侧出口与一次网循环水系统的供水管道连接；

所述凝汽器的乏汽余热侧与蒸发器的水侧连接；所述凝汽器的凝结水出口与低压加热器组之间的连接管路上设置有凝结水泵；所述高压加热器组与除氧器之间设置有给水泵。

优选的，所述汽轮机组包括汽轮机高压缸，汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；

所述锅炉的一路汽侧出口与汽轮机高压缸连接，所述锅炉的另一路汽侧出口依次与汽轮机中压缸和汽轮机低压缸连接，所述汽轮机中压缸与汽轮机低压缸的采暖抽汽管道与热网加热器的汽侧进口连接；所述汽轮机低压缸的排汽出口依次与凝汽器，低压加热器组，除氧器，高压加热器组和锅炉的水侧进口连接。

优选的，所述汽轮机中压缸与汽轮机低压缸之间的连接管路上设置有蒸汽蝶阀；采暖抽汽管道上设置有蒸汽逆止阀；所述汽轮机高压缸，汽轮机中压缸和汽轮机低压缸之间通过传动轴带动发电机发电。

优选的，所述热网加热器的循环水侧进口通过冷凝器与一次网循环水系统的回水管道连接；所述热网加热器的循环水侧出口与一次网循环水系统的供水管道连接。

优选的，所述一次网循环水系统的回水管道上设置有热网循环水泵。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明旨在提供一种基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统，建立一种双级电压缩式热泵耦合负压闪蒸罐的烟气余热回收系统，其中双级电压缩式热泵是将热泵压缩过程分为高低压两级进行工质分级压缩，将内部循环工质分为两路，在中间设置工质热交换过程以区分两路工质余热回收温度，低温环路回收机组中低温余热，中温环路回收机组中中温余热，以温度对口、梯级利用原则对各项余热量进行梯级利用，提高能源利用率与机组热效率；负压闪蒸罐是通过在罐内建立负压真空环境，使脱硫浆液在罐内闪蒸降温，产生部分携带大量潜热的水蒸气，这部分水蒸气中不含脱硫溶剂，相当于对浆液进行过滤后形成的具有低品位余热的水蒸气，这部分水蒸气作为热泵的中温热源，热泵的低温热源为循环水余热；余热回收系统利用双级压缩式热泵分级对温度不同的循环水余热和烟气余热进行利用，以梯级利用的方式在低温环路首先间接回收汽轮机冷端余热，再间接回收烟气余热，同时深度调峰时段的热泵压缩机耗电量由机组发电量提供，提高供热能力的同时增加调峰深度，满足三改联动要求中灵活性调节与节能降碳的技术要求，能够积极响应电网深度调峰要球，同时满足采暖热负荷需求，又降低了机组煤耗量。该系统基于负压闪蒸原理使浆液闪蒸降温，达到间接回收烟气余热的目的，提高机组烟气余热利用深度，提高整体热效率与供热能力，降低煤耗量，实现节能降碳；双级压缩式热泵依次对循环水余热和烟气余热进行深度利用，遵照温度对口、梯级利用原则，提高能源利用率，同时双级压缩过程可减少压缩机耗功，增大热泵COP，提高节能量；该系统可实现热电负荷自由分配，相对常规热电联产机组具有更高的深度调峰、快速爬坡以及供热能力，有助于新型电力系统的稳定运行，灵活性好，可为新能源上网电量让出大量空间。

进一步，燃煤热电联产机组由锅炉、高中低缸、发电机与附属回热设备构成，其原理与普通超临界机组相同，在凝汽器闭式循环水侧对汽轮机排汽冷端余热进行回收作为余热回收单元中的低温余热，以中低压联通管处的旁路抽汽管道为热网加热器提供采暖抽汽，用于对热网循环水进行尖峰加热，保证其能够满足一次网供水要求；

进一步，余热回收单元由电驱动的双级压缩式热泵耦合负压闪蒸烟气余热回收单元构成，负压闪蒸烟气余热回收原理为利用脱硫浆液中水的饱和温度随压力降低而降低的特性，将脱硫浆液喷淋至负压真空的闪蒸罐中，另其降温闪蒸，利用真空泵维持罐内负压，脱硫浆液中部分水分蒸发为携带大量低品位热能的水蒸气，这部分水蒸气进入中间换热器中作为热泵的中温余热，双级压缩式热泵对余热进行分级回收，其中携带乏汽余热的循环水为低温余热，双级压缩式热泵通过分级压缩将工质分为两环路，其中中温环路为先吸收一部分低温环路的热量，然后经中间换热器间接回收烟气中蕴含的余热，低温环路先将一部分热量传递给中温环路，然后在蒸发器中回收循环水低温余热，再经低压级压缩机压缩后与中温环路工质混合经高压级压缩机压缩，然后进入冷凝器凝结放热加热热网循环水，热泵压缩机电源为机组发电量，增加供热能力的同时降低机组发电量，提高系统运行灵活性及深度调峰能力；

进一步，热网循环水依次被热泵和热网加热器加热，热泵通过回收冷端余热与烟气余热作为热网循环水的基础热源，热网加热器利用采暖抽汽作为热网循环水的尖峰热源，二者互补可对热网水加热量的比重自由分配，热泵出力少则上调采暖抽汽量，采暖抽汽少则上调热泵耗电量，机组热电负荷分配自由度高。

进一步，回收烟气余热过程中使烟气中部分水蒸气凝结析出，通过闪蒸使这部分水蒸气提纯进入凝结水罐，其水质较好可作为热网循环水补水，减少系统补水量，降低耗水成本。

附图说明

图1为基于深度烟气余热利用的高背压机组热电协同优化系统的结构示意图。

图中：1-锅炉；2-汽轮机高压缸；3-汽轮机中压缸；4-蒸汽蝶阀；5-汽轮机低压缸；6-凝汽器；7-凝结水泵；8-低压加热器组；9-除氧器；10-给水泵；11-高压加热器组；12-发电机；13-蒸汽逆止阀；14-热网循环水泵；15-冷凝器；16-热网加热器；17-第一膨胀阀；18-工质换热器；19-中间换热器；20-高压级压缩机；21-第二膨胀阀；22-蒸发器；23-低压级压缩机；24-闪蒸蒸汽凝结水泵；25-第一电动调节阀；26-第二电动调节阀；27-闪蒸蒸汽凝结水罐；28-负压闪蒸罐；29-逆止阀；30-负压真空泵；31-脱硫浆液喷淋泵；32-脱硫浆液回送泵；33-循环水泵。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明旨在提供一种基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统，建立一种双级电压缩式热泵耦合负压闪蒸罐的烟气余热回收系统，其中双级电压缩式热泵是将热泵压缩过程分为高低压两级进行工质分级压缩，将内部循环工质分为两路，在中间设置工质热交换过程以区分两路工质余热回收温度，低温环路回收机组中低温余热，中温环路回收机组中中温余热，以温度对口、梯级利用原则对各项余热量进行梯级利用，提高能源利用率与机组热效率；负压闪蒸罐是通过在罐内建立负压真空环境，使脱硫浆液在罐内闪蒸降温，产生部分携带大量潜热的水蒸气，这部分水蒸气中不含脱硫溶剂，相当于对浆液进行过滤后形成的具有低品位余热的水蒸气，这部分水蒸气作为热泵的中温热源，热泵的低温热源为循环水余热；余热回收系统利用双级压缩式热泵分级对温度不同的循环水余热和烟气余热进行利用，以梯级利用的方式在低温环路首先间接回收汽轮机冷端余热，再间接回收烟气余热，同时深度调峰时段的热泵压缩机耗电量由机组发电量提供，提高供热能力的同时增加调峰深度，满足三改联动要求中灵活性调节与节能降碳的技术要求，能够积极响应电网深度调峰要球，同时满足采暖热负荷需求，又降低了机组煤耗量。

具体包括，如图1所示，

负压闪蒸烟气余热回收系统，双级电压缩式热泵机组，燃煤热电联产机组和热网加热器16；

所述热网加热器16的疏水侧与燃煤热电联产机组的除氧器9连接，所述热网加热器16的汽侧与燃煤热电联产机组的采暖抽汽管道连接；所述热网加热器16的循环水侧与一次网循环水系统连接；

所述双级电压缩式热泵机组包括低温环路回收机组和中温环路回收机组；所述低温环路回收机组与燃煤热电联产机组的凝汽器6连接；所述中温环路回收机组与负压闪蒸烟气余热回收系统连接。

所述低温环路回收机组包括依次连接的凝器15、高压级压缩机20、低压级压缩机23、蒸发器22、第二膨胀阀21和工质换热器18。

所述中温环路回收机组包括依次连接的冷凝器15、高压级压缩机20、中间换热器19、工质换热器18和第一膨胀阀17。

所述负压闪蒸烟气余热回收系统包括脱硫浆液喷淋泵31、负压闪蒸罐28、负压真空泵30、脱硫浆液回送泵32、闪蒸蒸汽凝结水泵24和闪蒸蒸汽凝结水罐27；

所述负压真空泵30设置在负压闪蒸罐28上，所述脱硫浆液喷淋泵31设置在负压闪蒸罐28的脱硫塔浆液进口管道上，所述脱硫浆液回送泵32设置在负压闪蒸罐26的脱硫塔浆液出口管道上；所述负压闪蒸罐28的顶部出口与中间换热器19的进口连接；中间换热器19的出口分别与负压闪蒸罐28的底部循环水进口和闪蒸蒸汽凝结水罐27连接；所述闪蒸蒸汽凝结水泵24设置在负压闪蒸罐28的底部循环水进口和闪蒸蒸汽凝结水罐27的汇合管路上；

所述负压闪蒸罐26的底部循环水管路上设置有第一电动调节阀25；所述闪蒸凝结水罐27的进口管路上设置有第二电动调节阀26；所述负压闪蒸罐26的顶部与中间换热器19之间的管路上设置有逆止阀29；

所述燃煤发电机组还包括锅炉1，汽轮机组，低压加热器组8和高压加热器组11；

所述锅炉1，汽轮机组，凝汽器6，低压加热器组8，除氧器9和高压加热器组11依次连接；

所述除氧器9的疏水侧与热网加热器39的疏水侧连接；所述热网加热器39的循环水侧进口与一次网循环水系统的回水管道连接，所述热网加热器39的循环水侧出口与一次网循环水系统的供水管道连接；

所述凝汽器6的乏汽余热侧与蒸发器22的水侧连接；所述凝汽器6的凝结水出口与低压加热器组8之间的连接管路上设置有凝结水泵7；所述高压加热器组11与除氧器9之间设置有给水泵10。

所述汽轮机组包括汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸5；

所述锅炉1的一路汽侧出口与汽轮机高压缸2连接，所述锅炉1的另一路汽侧出口依次与汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸5连接，所述汽轮机中压缸3与汽轮机低压缸5的采暖抽汽管道与热网加热器16的汽侧进口连接；所述汽轮机低压缸5的排汽出口依次与凝汽器6，低压加热器组8，除氧器9，高压加热器组11和锅炉1的水侧进口连接。

所述汽轮机中压缸3与汽轮机低压缸5之间的连接管路上设置有蒸汽蝶阀4；采暖抽汽管道上设置有蒸汽逆止阀13；所述汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3和汽轮机低压缸5之间通过传动轴带动发电机12发电。

所述热网加热器16的循环水侧进口通过冷凝器15与一次网循环水系统的回水管道连接；所述热网加热器16的循环水侧出口与一次网循环水系统的供水管道连接。

所述一次网循环水系统的回水管道上设置有热网循环水泵14。

该系统基于负压闪蒸原理使浆液闪蒸降温，达到间接回收烟气余热的目的，提高机组烟气余热利用深度，提高整体热效率与供热能力，降低煤耗量，实现节能降碳；回收烟气余热过程中使烟气中部分水蒸气凝结析出，通过闪蒸使这部分水蒸气提纯进入凝结水罐，其水质较好可作为热网循环水补水，减少系统补水量，降低耗水成本；双级压缩式热泵依次对循环水余热和烟气余热进行深度利用，遵照温度对口、梯级利用原则，提高能源利用率，同时双级压缩过程可减少压缩机耗功，增大热泵COP，提高节能量；系统可实现热电负荷自由分配，相对常规热电联产机组具有更高的深度调峰、快速爬坡以及供热能力，有助于新型电力系统的稳定运行，灵活性好，可为新能源上网电量让出大量空间。

具体的运行方式如下：

基于双级压缩式热泵的热电机组深度余热梯级利用系统在投入运行时，锅炉给水在锅炉1中受热蒸发、过热变为过热蒸汽，进入汽轮机高压缸2中做功，排汽回到锅炉1中再热后进入汽轮机中压缸3中做功，排汽在中低压联通管分两路，其中一路经蒸汽蝶阀4后进入汽轮机低压缸5中做功，另一路经逆止阀13进入热网加热器16中加热热网循环水，汽轮机低压缸5排汽进入凝汽器6中将乏汽余热传递给循环水，凝汽器6出口凝结水经凝结水泵7升压后送入低压加热器组8中加热，然后进入除氧器9中除氧，而后经给水泵10升压后送入高压加热器组11中加热，而后给水回到锅炉1中完成循环，高中低压缸通过中间轴带动发电机12做功发电；热网循环水回水经热网循环水泵14升压后首先经过热泵冷凝器15被一级加热，而后进入热网加热器16中被采暖抽汽二级加热至供水温度，最后对外供出，热网加热器汽源为中低压联通管旁路抽出的采暖抽汽，蒸汽蝶阀4用于调节进入热爱网加热器16的采暖抽汽量；余热回收单元由电驱动热双级压缩式热泵和负压闪蒸环路耦合构成，其中双级压缩式热泵由冷凝器15、第一膨胀阀17、工质换热器18、中间换热器19、高压级压缩机20、第二膨胀阀21、蒸发器22、低压级压缩机23组成，内部工质在冷凝器15冷凝放热加热热网循环水后，出口工质分两路，一路经第一膨胀阀17降压降温后至工质换热器18中吸收另一路工质热量，而后进入中间换热器19中吸收负压闪蒸环路来的闪蒸蒸汽余热后与另一路工质混合，另一路工质首先经工质换热器18将热量传递给中温环路工质，然后经第二膨胀阀21降压降温后进入蒸发器22中蒸发吸收循环水余热，再经低压级压缩机23压缩后与中温环路工质混合，然后一同送入高压级压缩机20压缩后送入冷凝器15完成循环；负压闪蒸环路中脱硫浆液首先经脱硫浆液喷淋泵31喷淋至负压闪蒸罐28内进行闪蒸降温，降温后的浆液通过脱硫浆液回送泵32送回脱硫塔对烟气进行喷淋降温，负压真空泵30用于维持罐内负压真空，闪蒸蒸汽经逆止阀29进入中间换热器19中被提取余热凝结，闪蒸凝结水经闪蒸凝结水泵24抽出经第一电动调节阀25送回负压闪蒸罐28内，当罐内液位过高时，调节第一电动调节阀25和第二电动调节阀26开度增大进入闪蒸蒸汽凝结水罐27中的凝结水量，以此实现动态水量平衡。

燃煤热电联产机组由锅炉、高中低缸、发电机与附属回热设备构成，其原理与普通超临界机组相同，在凝汽器闭式循环水侧对汽轮机排汽冷端余热进行回收作为余热回收单元中的低温余热，以中低压联通管处的旁路抽汽管道为热网加热器提供采暖抽汽，用于对热网循环水进行尖峰加热，保证其能够满足一次网供水要求；余热回收单元由电驱动的双级压缩式热泵耦合负压闪蒸烟气余热回收单元构成，负压闪蒸烟气余热回收原理为利用脱硫浆液中水的饱和温度随压力降低而降低的特性，将脱硫浆液喷淋至负压真空的闪蒸罐中，另其降温闪蒸，利用真空泵维持罐内负压，脱硫浆液中部分水分蒸发为携带大量低品位热能的水蒸气，这部分水蒸气进入中间换热器中作为热泵的中温余热，双级压缩式热泵对余热进行分级回收，其中携带乏汽余热的循环水为低温余热，双级压缩式热泵通过分级压缩将工质分为两环路，其中中温环路为先吸收一部分低温环路的热量，然后经中间换热器间接回收烟气中蕴含的余热，低温环路先将一部分热量传递给中温环路，然后在蒸发器中回收循环水低温余热，再经低压级压缩机压缩后与中温环路工质混合经高压级压缩机压缩，然后进入冷凝器凝结放热加热热网循环水，热泵压缩机电源为机组发电量，增加供热能力的同时降低机组发电量，提高系统运行灵活性及深度调峰能力；热网循环水依次被热泵和热网加热器加热，热泵通过回收冷端余热与烟气余热作为热网循环水的基础热源，热网加热器利用采暖抽汽作为热网循环水的尖峰热源，二者互补可对热网水加热量的比重自由分配，热泵出力少则上调采暖抽汽量，采暖抽汽少则上调热泵耗电量，机组热电负荷分配自由度高。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。