一种梯级储能式蒸汽热泵机组及其控制方法

技术领域

本发明涉及蒸汽热泵机组技术领域，尤其涉及一种梯级储能式蒸汽热泵机组及其控制方法。

背景技术

目前已有一般的单级蓄热式热泵蒸汽机，可以用单级冷媒压缩循环制取高温热水储存于蓄热罐中，然后冷媒压缩及热泵系统停机，在需要应用时将蓄热罐中的高温热水取出至闪蒸罐用于蒸发产生水蒸汽。

但此类普通的单级蓄热式热泵蒸汽机，存在以下问题：

一、普通的单级蓄热式热泵蒸汽机的蓄热罐和闪蒸罐双重设置成本高、系统复杂、浪费空间；蓄热运行与蒸汽发生使用无法同时进行，只能高温热水蓄热完成后，再取出蓄热热水用于产生蒸汽，在蓄热热水用完时，无法直接用冷媒压缩机直接补充产生蒸汽，蓄热、用储与直接供热切换不灵活，且不方便蒸汽产量的调节。

二、在停机时，闪蒸罐中已经冷却的存水，无法返回蓄热罐进行补充加热，导致停机后再启动时，闪蒸罐中的水温过低，难以沸腾产生蒸气。

三、普通的单级蓄热式热泵蒸汽机的冷凝器出口的液体温度高，存在过冷度低，整机能效较低的问题。

四、普通的单级蓄热式热泵蒸汽机采用单级冷媒压缩循环制取高温水蒸汽，为了使高温热水沸腾，其单级冷媒压缩的冷凝温度需要达到100℃以上，导致高温热泵系统的冷凝温度、排气温度高、制冷剂液体温度高，运行工况劣，能耗大的同时产生了过热的不可靠因素。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种成本低、能耗低、效率高、系统结构简单、能提升制冷剂液体过冷度、防止过热运行工况好、能自由切换不同模式且能对停机时冷却的存水进行补充加热的梯级储能式蒸汽热泵机组及其控制方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种梯级储能式蒸汽热泵机组，包括蒸汽发生系统、若干个冷媒循环系统以及与冷媒循环系统对应设有若干个的梯级预热换热组件；

蒸汽发生系统包括依次通过管道连接的闪蒸罐组、第二调节阀、蒸汽压缩机以及蒸汽出口；

若干个冷媒循环系统均包括冷媒压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，冷媒压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过管道连接并形成闭环；

若干个梯级预热换热组件依次连接，且每个梯级预热换热组件连通于对应的冷凝器与膨胀阀之间；

最前端的梯级预热换热组件连接有进水口，进水口与梯级预热换热组件之间连通设有第一水泵；

若干个冷凝器依次连通，最后端的冷凝器通过第一调节阀与闪蒸罐组的上侧连通，最前端的冷凝器通过第二水泵与最后端的梯级预热换热组件连通，最后端的梯级预热换热组件与第二水泵之间的连接管道与闪蒸罐组的下侧连通；

闪蒸罐组包括依次连通的第一储能闪蒸罐、第二储能闪蒸罐和第三储能闪蒸罐，第一储能闪蒸罐的下侧与最后端的梯级预热换热组件与第二水泵之间的连接管道连通，第三储能闪蒸罐的上侧通过第一调节阀与最后端的冷凝器连通，第二调节阀与第三储能闪蒸罐通过管道连通

作为优选，冷媒循环系统和梯级预热换热组件均对应设有三个。

作为优选，第一储能闪蒸罐的上部一侧连通设有第一上调节阀，且其下部一侧连通设有第一下调节阀，第一上调节阀和第一下调节阀均与第二储能闪蒸罐的下部连通，第二储能闪蒸罐的上部一侧连通设有第二上调节阀，且其下部一侧连通设有第二下调节阀，第二上调节阀和第二下调节阀均与第三储能闪蒸罐的下部连通。

作为优选，还包括电气控制系统，电气控制系统包括：

传感器组件，用于感应目标位置的温度、压强或液位高度；

传感器数据采集模块，与传感器组件连接，用于采集传感器组件感应的数据；

中央控制器，与传感器数据采集模块连接，用于对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令；

受控器件包括控制第一水泵开度的水泵调速器，第一上调节阀、第一下调节阀、第二上调节阀、第二下调节阀、第一调节阀、第二调节阀、冷媒压缩机、第一水泵以及第二水泵均为受控器件；

显示操作模块，与中央控制器连接，用于设定预设的控制参数。

作为优选，传感器组件包括液位传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第三罐体温度传感器和第三温度传感器，液位传感器安装于第三储能闪蒸罐内，第一压力传感器安装于第一调节阀与最后端的冷凝器之间的连接管上，第二压力传感器安装于第二调节阀与第三储能闪蒸罐之间的连接管上，第三温度传感器和第三压力传感器均安装于第二调节阀与蒸汽压缩机之间的连接管上，第三罐体温度传感器安装于第三储能闪蒸罐的内侧底部。

本发明还提供了一种梯级储能式蒸汽热泵机组的控制方法，作为优选，在显示操作模块上设定储能运行模式、用储能蒸汽发生模式以及直接蒸汽发生模式，三个运行模式之间自由切换；

液位传感器实际测试液位为H

当H

当H

作为优选，当设定储能运行模式时，中央控制器控制第二调节阀关闭，并控制冷媒压缩机、第一水泵和第二水泵工作；

液位传感器实际测试液位为H

当H

当H

当H

第一压力传感器实际测试压力为P

当P

当P

当P

第三罐体温度传感器实际测试温度为T

当T

当T

当T

作为优选，当设定用储能蒸汽发生模式时，中央控制器控制第二调节阀开启，并控制冷媒压缩机、第一水泵和第二水泵停机；

液位传感器实际测试液位为H

当H

当H

在显示操作模块上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第三压力传感器实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器实际测试温度为T

当T

当T

当T

作为优选，当设定直接蒸汽发生模式时，中央控制器控制第二调节阀开启，并控制冷媒压缩机、第一水泵和第二水泵开启；

液位传感器实际测试液位为H

当H

当H

当H

在显示操作模块上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第三压力传感器实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器实际测试温度为T

当T

当T

当T

本发明的有益效果在于：

该梯级储能式蒸汽热泵机组采用创新的补水梯级预热、高温热水梯级加热、梯级储能闪蒸于一体结合的方案；

补水梯级预热的同时对各级冷媒循环系统中的制冷剂液体进行冷却，有效利用了能源且提升了制冷剂的液体过冷度；

采用多级冷媒压缩循环制取高温水蒸汽，实现高温热水的梯级加热，各级冷媒循环系统的冷凝温度从低到高，有效利用低品位的热源，且大幅度改善了运行工况，降低能耗的同时还提升了系统的可靠性；

储能、闪蒸于一体，提高利用率、系统简单、节省空间；

梯级储能使高温热水实现自然温度分层分级存储，热能储存时，从高温侧的第三储能闪蒸罐进入，从低温侧的第一储能闪蒸罐流出，实现低温水进入多级热泵系统补充加热，使长时间停机时闪蒸罐组中已冷却的热水可以直接预热加热，提升热泵系统的能效比；

储能热水用完后根据需要，可自动切换至直接蒸汽发生模式，且方便蒸汽产量的调节，机组储能运行、储能蒸汽发生和直接蒸汽发生运行模式切换自如，使用舒适、方便。

附图说明

图1为本发明的总系统结构示意图。

图2为电气控制系统的连接框架图。

图3为多级冷媒循环系统的结构示意图。

图4为多级梯级预热换热组件的结构示意图。

图5为闪蒸罐组补充加热方式的示意图。

图6为梯级储能闪蒸于一体的结构示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种梯级储能式蒸汽热泵机组，包括蒸汽发生系统1、若干个冷媒循环系统2以及与冷媒循环系统2对应设有若干个的梯级预热换热组件3；

蒸汽发生系统1包括依次通过管道连接的闪蒸罐组11、第二调节阀12、蒸汽压缩机13以及蒸汽出口14；

若干个冷媒循环系统2均包括冷媒压缩机21、冷凝器22、膨胀阀23和蒸发器24，冷媒压缩机21、冷凝器22、膨胀阀23和蒸发器24依次通过管道连接并形成闭环；

若干个梯级预热换热组件3依次连接，且每个梯级预热换热组件3连通于对应的冷凝器22与膨胀阀23之间；

最前端的梯级预热换热组件3连接有进水口4，进水口4与梯级预热换热组件3之间连通设有第一水泵5；

若干个冷凝器22依次连通，最后端的冷凝器22通过第一调节阀6与闪蒸罐组11的上侧连通，最前端的冷凝器22通过第二水泵7与最后端的梯级预热换热组件3连通，最后端的梯级预热换热组件3与第二水泵7之间的连接管道与闪蒸罐组11的下侧连通；

为了方便梯级储能使高温热水实现自然温度分层分级存储，闪蒸罐组11包括依次连通的第一储能闪蒸罐111、第二储能闪蒸罐112和第三储能闪蒸罐113，第一储能闪蒸罐111的下侧与最后端的梯级预热换热组件3与第二水泵7之间的连接管道连通，第三储能闪蒸罐113的上侧通过第一调节阀6与最后端的冷凝器22连通，第二调节阀12与第三储能闪蒸罐113通过管道连通，目的是在热能储存时，刚加热完毕的热水从高温侧的第三储能闪蒸罐113进入，冷却了的热水从低温侧的第一储能闪蒸罐111流出，实现低温水进入多级热泵系统补充加热，使长时间停机时闪蒸罐组11中已冷却的热水可以直接预热加热，提升热泵系统的能效比。

请参阅图4，为了方便逐级预热，提高能源利用率，本实施例中，优选的，每个梯级预热换热组件3均包括通过管道连接第一换热器31和第二换热器32；每个第一换热器31连通于对应的冷凝器22与膨胀阀23之间，每个冷媒压缩机21的油路出进口分别与对应的第二换热器32的油路进出口通过油管连通形成闭环；最前端的第一换热器31通过第一水泵5与进水口4连接，最后端的第二换热器32与最前端的冷凝器22连通，目的是冷媒压缩机21所用的润滑油需要有一定的黏度，而冷媒压缩机21工作后分离出来的润滑油温度较高，无法保证润滑油的黏度，因此需要进行冷却，通过第一换热器31对从冷凝器22出来的制冷剂液体进行冷却，提高过冷度，通过第二换热器32对润滑油换热冷却，保证润滑油的黏度，同时增加水的温度，达到进一步预热的效果。

为了大幅度降低热泵系统的冷凝温度，本实施例中，优选的，冷媒循环系统2和梯级预热换热组件3均对应设有三个，目的是方便采用高温热水梯级加热的方式，设置多个蒸汽发生系统2进行逐级加热，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

为了进一步方便梯级储能使高温热水实现自然温度分层分级存储，本实施例中，优选的，第一储能闪蒸罐111的上部一侧连通设有第一上调节阀114，且其下部一侧连通设有第一下调节阀115，第一上调节阀114和第一下调节阀115均与第二储能闪蒸罐112的下部连通，第二储能闪蒸罐112的上部一侧连通设有第二上调节阀116，且其下部一侧连通设有第二下调节阀117，第二上调节阀116和第二下调节阀117均与第三储能闪蒸罐113的下部连通，目的是通过控制阀门开关，刚加热完毕的热水从高温侧的第三储能闪蒸罐113进入，冷却了的热水从低温侧的第一储能闪蒸罐流出进行补充加热，并实现自然温度分层分级存储，从第三储能闪蒸罐113到第一储能闪蒸罐111温度由高到低分级，每个储能闪蒸罐从上部到下部的温度由高到低分层。

为了方便提高智能化控制程度，本实施例中，优选的，还包括电气控制系统8，电气控制系统8包括：

传感器组件，用于感应目标位置的温度、压强或液位高度；

传感器数据采集模块81，与传感器组件连接，用于采集传感器组件感应的数据；

中央控制器82，与传感器数据采集模块81连接，用于对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令；

受控器件包括第一上调节阀114、第一下调节阀115、第二上调节阀116、第二下调节阀117、第一调节阀6、第二调节阀12、冷媒压缩机21、第一水泵5、蒸汽压缩机13、第二水泵7以及控制第一水泵5开度的水泵调速器83；

显示操作模块84，与中央控制器82连接，用于设定预设的控制参数。

为了方便监测机组中各个位置的温度、压强或液位，本实施例中，优选的，传感器组件包括液位传感器801、第一压力传感器802、第二压力传感器803、第三压力传感器804、第三罐体温度传感器805和第三温度传感器806，液位传感器801安装于第三储能闪蒸罐113内，第一压力传感器802安装于第一调节阀6与最后端的冷凝器22之间的连接管上，第二压力传感器803安装于第二调节阀12与第三储能闪蒸罐113之间的连接管上，第三温度传感器806和第三压力传感器804均安装于第二调节阀12与蒸汽压缩机13之间的连接管上，第三罐体温度传感器805安装于第三储能闪蒸罐113的内侧底部。

为了进一步方便监测机组中各个位置的温度或压强，本实施例中，优选的，传感器组件还包括第四压力传感器807、第一温度传感器808、第二温度传感器809、第四温度传感器810、第五温度传感器811、第六温度传感器812、第一罐体温度传感器813、第二罐体温度传感器814和第四罐体温度传感器815；

第四压力传感器807安装于蒸汽压缩机13与蒸汽出口14之间的连接管道上，第一温度传感器808安装于第二水泵7与冷凝器22之间的连接管上，第二温度传感器809安装于第一调节阀6与最后端的冷凝器22之间的连接管上，第四温度传感器810、第五温度传感器811和第六温度传感器812分别安装于三个温度级别由低到高排序的冷媒压缩机21油路出口与对应第二换热器32油路进口之间的连接管处，第一罐体温度传感器813安装于第一储能闪蒸罐111的内侧底部，第二罐体温度传感器814安装于第二储能闪蒸罐112的内侧底部，第四罐体温度传感器815安装于第三储能闪蒸罐113的内侧顶部。

本发明还提供了一种梯级储能式蒸汽热泵机组的控制方法；

为了方便能进行储能、用储以及直接供热之间的自由切换，且保证热水分层分级设置，本实施例中，优选的，在显示操作模块84上设定储能运行模式、用储能蒸汽发生模式以及直接蒸汽发生模式，三个运行模式之间自由切换；

液位传感器801实际测试液位为H

当H

当H

为了方便对闪蒸罐组11内部热水进行储能，本实施例中，优选的，当设定储能运行模式时，中央控制器82控制第二调节阀12关闭，并控制冷媒压缩机21、第一水泵5和第二水泵7工作；

液位传感器801实际测试液位为H

当H

当H

当H

第一压力传感器802实际测试压力为P

当P

当P

当P

第三罐体温度传感器805实际测试温度为T

当T

当T

当T

为了方便使用闪蒸罐组11内部热水进行蒸发，本实施例中，优选的，当设定用储能蒸汽发生模式时，中央控制器82控制第二调节阀12开启，并控制冷媒压缩机21、第一水泵5和第二水泵7停机；

液位传感器801实际测试液位为H

当H

当H

在显示操作模块84上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第三压力传感器804实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器806实际测试温度为T

当T

当T

当T

为了方便在闪蒸罐组11内部热水用完后直接产生蒸汽，本实施例中，优选的，当设定直接蒸汽发生模式时，中央控制器82控制第二调节阀12开启，并控制冷媒压缩机21、第一水泵5和第二水泵7开启；

液位传感器801实际测试液位为H

当H

当H

当H

在显示操作模块84上设定蒸汽以压力为控制目标或以温度为控制目标；

当设定蒸汽以压力为控制目标时；

第三压力传感器804实际测试压力为P

当P

当P

当P

当设定蒸汽以温度为控制目标时；

第三温度传感器806实际测试温度为T

当T

当T

当T

本发明的工作原理及使用流程：在冷媒循环系统2中，冷媒压缩机21将低温低压的气体制冷剂压缩成高温高压气体，再经过冷凝器22，在冷凝器22中放热冷凝成高温高压的液体，经膨胀阀23节流后，则成为低温低压的液体，低温低压的液态制冷剂送入蒸发器24，在蒸发器24中吸热蒸发而成为低温低压的气体，气体制冷剂再重新进入冷媒压缩机21内从而完成冷媒循环。

在梯级预热换热组件3中，第一水泵5驱动低温水流经多级梯级预热换热组件3进行预热，同时，利用低温补水，每级的梯级预热换热组件3对每级对应的冷凝器22输出的制冷剂液体进行冷却，实现补水梯级预热，同时提升制冷剂液体的过冷度。

请参阅图3，设置有多个冷媒循环系统2，且根据加热程度依次增级，大幅度降低各级热泵系统的冷凝温度，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性，多个冷凝器22的冷凝温度由低到高设置，无需每个冷凝温度都达到100℃以上，只需最后一级的冷凝温度达到100℃以上即可，完成梯级预热的预热水依次经过多个冷凝器22进行梯级高温加热，实现高温热水梯级加热，有效利用低品位的热源，且大幅度改善了运行工况，大幅度降低各级热泵系统的冷凝温度，防止系统部件过热损坏的同时提升了蒸汽热泵系统的能效比和运行可靠性。

请参阅图6，加热水从最后一个冷凝器22出来后经第一调节阀6进入第三储能闪蒸罐113内，在蒸汽发生系统1中，第三储能闪蒸罐113内的热水通过第二调节阀12进入蒸汽压缩机13内，最后从蒸汽出口14喷出，实现储能闪蒸于一体，提高利用率、系统简单、节省空间。

请参阅图5，梯级储能使高温热水实现自然温度分层分级存储，热能储存时，从高温侧的第三储能闪蒸罐113进入，长时间停机时闪蒸罐组11中已冷却的热水从低温侧的第一储能闪蒸罐111流出，经第二水泵7驱动进入第一级的冷凝器22进行梯级高温加热，保证最低水温进入第一级冷凝器22，实现低温水进入多级热泵系统补充加热，然后再从最后一个冷凝器22出来后经第一调节阀6进入第三储能闪蒸罐113内，实现梯级储能闪蒸于一体，提升热泵系统的能效比。

在显示操作模块84上可设定储能运行模式、用储能蒸汽发生模式以及直接蒸汽发生模式，三个运行模式之间可自由切换，提高智能化控制程度，储能热水用完后根据需要，可自动切换至直接蒸汽发生模式，且方便蒸汽产量的调节，使用舒适、方便。

通过传感器监测机组中各个位置的温度、压强以及液位，继而控制受控器件进行调节，保持系统平衡，提高系统的可靠性，请参阅图2，在电气控制系统8中，通过显示操作模块84设定预设的控制参数，通过传感器组件感应目标位置的温度、压强或液位高度，通过传感器数据采集模块81采集传感器组件感应的数据，并发送到中央控制器52，由中央控制器82对采集的数据进行处理分析并通过预设的控制参数对受控器件发送控制指令，进而驱动水泵调速器83、第一上调节阀114、第一下调节阀115、第二上调节阀116、第二下调节阀117、第一调节阀6、第二调节阀12、冷媒压缩机21、第一水泵5、蒸汽压缩机13以及第二水泵7作出相应的调节动作，最后达到实测值与设定值相对平衡的状态，智能化程度更高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。