一种高温蒸汽热泵系统及控制方法

技术领域

本发明涉及蒸汽热泵技术领域，尤其涉及一种高温蒸汽热泵系统及控制方法。

背景技术

高温蒸汽热泵是将工业企业排放、浪费的中低温度的余热通过余热提取来制取120℃至180℃的高温蒸汽，高温蒸汽热泵可用于工业工艺中，替代传统的蒸汽锅炉，实现节能降碳、降耗提效的效果。

目前，高温蒸汽热泵已经有少量应用，但少有商品化的成熟高温蒸汽热泵系统，在实际应用过程中尚无法全部代替传统蒸汽锅炉；同时，现有应用的高温蒸汽热泵系统仅作为分布式蒸汽供给应用，不能将产生的蒸汽并入原有用户端管网中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高温蒸汽热泵系统及控制方法，以解决现有技术中高温蒸汽热泵和主蒸汽管网不能并网使用的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种高温蒸汽热泵系统，包括：

第一供汽管路，包括与余热管道连接的低压蒸汽单元，及与所述低压蒸汽单元连接的增压蒸汽单元，所述增压蒸汽单元被配置为将所述低压蒸汽单元的蒸汽增压；

第二供汽管路，包括主分汽缸，所述主分汽缸通过蒸汽减压部件与蒸汽母管连接，所述蒸汽减压部件被配置为将所述蒸汽母管的蒸汽减压；

分路分汽缸，与用户端管路连接，所述第一供汽管路和所述第二供汽管路分别与所述分路分汽缸连接，其中，所述第一供汽管路和所述第二供汽管路上分别设置有调控通断状态的开关部件。

进一步地，所述低压蒸汽单元包括与余热管道连接的高温热泵，所述高温热泵的出口端连接有闪蒸器；

所述增压蒸汽单元包括与所述闪蒸器的出口端连接的蒸汽压缩机，所述蒸汽压缩机所在管路上连接有用于调节排汽压力的调节部件。

进一步地，所述第一供汽管路还包括补水单元，所述补水单元包括水源及与所述水源连接的驱动泵，所述补水单元和所述低压蒸汽单元的闪蒸器连接，以通过所述驱动泵向所述闪蒸器补水。

进一步地，所述增压蒸汽单元和所述分路分汽缸之间通过第一通断开关连接，所述主分汽缸和所述分路分汽缸之间通过第二通断开关连接，所述第一通断开关和所述第二通断开关为电磁阀。

进一步地，所述第一供汽管路、所述第二供汽管路及所述分路分汽缸均设置有检测部件，所述检测部件被配置为检测所述第一供汽管路、所述第二供汽管路及所述分路分汽缸的压力和温度值。

进一步地，所述检测部件包括设于所述闪蒸器出口端的温度传感器，所述温度传感器被配置为检测所述低压蒸汽单元的输送管路温度；

所述高温热泵被配置为将所述低压蒸汽单元的输送管路温度保持处于预设温度区间中。

进一步地，所述检测部件包括设于所述蒸汽压缩机所在管路上的第二压力传感器，所述第二压力传感器被配置为检测所述增压蒸汽单元的输送管路压力；

所述蒸汽压缩机被配置为将所述增压蒸汽单元的输送管路压力处于第一预设压力区间，以使所述第一供汽管路能够向所述用户端管路供汽。

进一步地，所述主分汽缸和所述蒸汽母管之间通过第三通断开关连接，所述分路分汽缸和所述用户端管路之间通过第四通断开关连接，所述第四通断开关的开度可调。

进一步地，所述检测部件包括设于所述分路分汽缸和所述用户端管路之间的第五压力传感器，所述第五压力传感器被配置为检测所述用户端管路的输送管路压力；

所述蒸汽压缩机被配置为将所述用户端管路的输送管路压力处于第二预设压力区间，以使所述第一供汽管路的输送管路压力适配所述用户端管路的管路压力。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种高温蒸汽热泵控制方法，适用于上述任一项所述的高温蒸汽热泵系统，所述方法包括：

获取第一供汽管路上增压蒸汽单元的压力值，获取所述分路分汽缸的压力值；

响应于确定增压蒸汽单元的压力值超出所述分路分汽缸压力值的数值大于第一预设阈值时，开启第一通断开关使所述第一供汽管路与所述分路分汽缸连通，关闭第二通断开关使所述第二供汽管路与所述分路分汽缸断开；

响应于确定所述分路分汽缸压力值的数值低于用户端管路的需求压力值的数值大于第二预设阈值时，关闭第一通断开关使所述第一供汽管路与所述分路分汽缸断开，开启第二通断开关使所述第二供汽管路与所述分路分汽缸连通。

从上面所述可以看出，本发明提供的高温蒸汽热泵系统，利用第一供汽管路接收余热管道的余热蒸汽，将余热蒸汽增压后可并入分路分汽缸中供用户端使用，利用第二供汽管路将蒸汽母管产生的主蒸汽减压后并入分路分汽缸中供用户端使用，由于第一供汽管路和第二供汽管路并联至分路分汽缸，第一供汽管路和所述第二供汽管路上分别设置有调控其通断状态的开关部件，通过切换开关部件的开关状态，能够调节第一供汽管路或第二供汽管路对用户端管路供汽，有利于在保证用户端供热需求的前提下充分利用工业余热，实现节能降碳、降耗提效的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高温蒸汽热泵的整体示意图。

附图标记说明

10、低压蒸汽单元；101、高温热泵；102、热水循环泵；103、闪蒸器；104、液位计；105、第一压力传感器；106、第一温度传感器；107、进汽阀；

20、补水单元；201、水源；202、驱动泵；203、第一止回阀；

30、增压蒸汽单元；301、蒸汽压缩机；302、第二止回阀；303、排汽电磁阀；304、第二压力传感器；305、第二温度传感器；306、流量计；307、第一通断开关；308、第三止回阀；

4、第二供汽管路；401、蒸汽减压部件；402、第三通断开关；403、第三压力传感器；404、第三温度传感器；405、主分汽缸；407、第二通断开关；408、第四止回阀；

409、第四压力传感器；410、第四温度传感器；411、分路分汽缸；412、第四通断开关；413、第五压力传感器；414、第五温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

高温蒸汽热泵是将工业企业排放、浪费的中低温度的余热通过余热提取来制取120℃至180℃的高温蒸汽，用于工业工艺中，可替代传统蒸汽锅炉，实现节能降碳、降耗提效的效果。

目前，高温蒸汽热泵已经有少量应用，但少有商品化的成熟高温蒸汽热泵系统，在实际应用过程中尚无法全部代替传统蒸汽锅炉，同时现有应用的高温蒸汽热泵系统仅作为分布式蒸汽供给应用，未能将产生的蒸汽并入原有管网互为备用。

由于高温蒸汽热泵系统受到余热管道中余热端温度变化影响，导致蒸汽产量发生波动，影响用户使用，其无法完全替代传统的蒸汽锅炉。因此，高温蒸汽热泵系统产出的蒸汽仅作为蒸汽补充供用户使用，在与主蒸汽切换时需要人工切换，并且存在蒸汽高压串低压的风险。

基于上述相关技术，本申请的一个或多个实施例中提供了一种高温蒸汽热泵系统，以下结合附图对其进行说明。

如图1所示，本申请所述的高温蒸汽热泵系统，包括第一供汽管路、第二供汽管路4及分路分汽缸411。

其中，第一供汽管路包括与余热管道连接的低压蒸汽单元10，及与所述低压蒸汽单元10连接的增压蒸汽单元30，所述增压蒸汽单元30被配置为将所述低压蒸汽单元10的蒸汽增压；第二供汽管路4包括主分汽缸405，所述主分汽缸405通过蒸汽减压部件401与蒸汽母管连接，所述蒸汽减压部件401被配置为将所述蒸汽母管的蒸汽减压；分路分汽缸411与用户端管路连接，所述第一供汽管路和所述第二供汽管路4分别与所述分路分汽缸411连接，所述第一供汽管路和所述第二供汽管路4上分别设置有调控其通断状态的开关部件。

通过以上描述可以看出，本申请所述的高温蒸汽热泵系统，利用第一供汽管路接收余热管道的余热水液，将余热水液转化为蒸汽增压后可并入分路分汽缸411中供用户端使用，利用第二供汽管路4将蒸汽母管产生的主蒸汽减压后并入分路分汽缸411中供用户端使用，由于第一供汽管路和第二供汽管路4并联至分路分汽缸411，第一供汽管路和所述第二供汽管路4上分别设置有调控其通断状态的开关部件，通过切换开关部件的开关状态，能够调节第一供汽管路或第二供汽管路4对用户端管路供汽，有利于在保证用户端供热需求的前提下充分利用工业余热，实现节能降碳、降耗提效的效果。

在上述实施例中，余热管道是指输送工业余热的管道，蒸汽母管是指在大型工业生产场所或热力站等地方，将多台蒸汽锅炉产生的蒸汽通过管道集中输送到各个用热设备的管道，在此，蒸汽母管用于输送蒸汽锅炉的热量。图1中用户端表示连接用户端管路，余热入口连接余热管道。

此外，需要说明的是，所述增压蒸汽单元和所述分路分汽缸411之间通过第一通断开关307连接，所述主分汽缸405和所述分路分汽缸411之间通过第二通断开关407连接。第一通断开关307和第二通断开关407采用电磁阀，通过外部控制实现通断状态的切换。一般的，第一通断开关307和第二通断开关407可以同时处于开启的通路状态或同时处于关闭的断路状态，当第一通断开关307和第二通断开关407同时处于通路状态时，余热管道和蒸汽母管同时向用户端管路供热。

在一些实施例中，低压蒸汽单元10包括与余热管道连接的高温热泵101，所述高温热泵101的出口端连接有闪蒸器103。

上述实施例中，高温热泵101将工业企业排放、浪费的中低温度的废水、废汽中的热量通过高温热能热泵进行转换成≤150℃的高温热水，当高温热泵产出到高温热水后，进入闪蒸器103的闪蒸成为低压蒸汽，低压蒸汽进入蒸汽压缩机301中，被蒸汽压缩机301压缩形成符合用户端管路需求的高压蒸汽。

上述实施例中，第一供汽管路中还包括补水单元20，所述补水单元20包括水源201及与所述水源201连接的驱动泵202，所述补水单元20和所述低压蒸汽单元10的闪蒸器103连接，以通过所述驱动泵202向所述闪蒸器103补水。在此示例性的，驱动泵202可以采用相关技术中的热水循环泵102，水源201为储存有软化水的水箱。此外，为了避免闪蒸器103内水液回流，在闪蒸器103和驱动泵202之间还设置有第一止回阀203，闪蒸器103和高温热泵101之间还设置有用于驱动水液流动的热水循环泵102。

如图1所示，在一些实施例中，闪蒸器103上还设置有液位计104，液位计104用于检测闪蒸器103内部的液位高度，以保证闪蒸器103的正常工作状态。在此，补水单元20的工作状态可参照液位计104的液位数值设置，当闪蒸器103内的液位高度达到预设液位后，驱动泵202降频运行；当闪蒸器103内的液位高度低于预设液位后，驱动泵202升频运行，从而使闪蒸器103内的液位维持在预设液位。

在一些实施例中，所述增压蒸汽单元包括与所述闪蒸器103的出口端连接的蒸汽压缩机301，所述蒸汽压缩机301所在管路上连接有用于调节排汽压力的调节部件。

上述实施例中，示例性的，调节部件包括与蒸汽压缩机301连接的排汽电磁阀303，排汽电磁阀303与外界连通，通过调控蒸汽压缩机301的转速来调节蒸汽压缩机301的排汽压力。此外，在蒸汽压缩机301的进口方向还设置有进汽阀107，在蒸汽压缩机301的出口方向还设置有流量计306，流量计306用于检测蒸汽压缩机301的输出蒸汽的流量大小。此外，在蒸汽压缩机301和排汽电磁阀303之间还设置有第二止回阀302，在第一通断开关307和分路分汽缸411之间还设置有第三止回阀308，第二止回阀302和第二止回阀302允许蒸汽朝向分路分汽缸411单向流动。

在一些实施例中，增压蒸汽单元中蒸汽压缩机301停止运行时，需同步关闭第一电磁阀，打开排汽电磁阀303，排汽一定时间后关闭排汽电磁阀303，防止蒸汽压缩机301倒转而损坏蒸汽压缩机301。

在一些实施例中，所述主分汽缸405和所述蒸汽母管之间通过第三通断开关402连接，所述分路分汽缸411和所述用户端管路之间通过第四通断开关412连接，所述第四通断开关412的开度可调。

在此，第三通断开关402和第四通断开关412采用手动阀门，第四通断开关412通过旋动阀门来调节其阀门开度，通过调控其阀门开度来调节蒸汽压缩机301的排汽压力。

如图1所示，在一些实施例中，第一供汽管路、所述第二供汽管路4及所述分路分汽缸411均设置有检测部件，所述检测部件被配置为检测所述第一供汽管路、所述第二供汽管路4及所述分路分汽缸411的压力和温度值。

示例性的，所述检测部件包括设于所述闪蒸器103出口端的第一温度传感器106，所述第一温度传感器106被配置为检测所述低压蒸汽单元10的输送管路温度；所述高温热泵101被配置为将所述低压蒸汽单元10的输送管路温度保持处于预设温度区间中。当第一温度传感器106检测到的输送管路温度低于预设温度区间时，增大高温热泵101的功率使高温热泵101加载运行，当第一温度传感器106检测到的输送管路温度高于预设温度区间时，减小高温热泵101的功率使高温热泵101减载运行。

在此，预设温度区间可根据实际输送场景和用户端管路需求温度来确定，由图1也可以看出，第一温度传感器106检测的温度为经过闪蒸器103闪蒸后的蒸汽温度，该蒸汽温度小于等于用户端管路的蒸汽温度，因此，预设温度区间应在考虑护管路输送损失、管路输送速度等因素综合设置。

在一些实施例中，在蒸汽压缩机301和分路分汽缸411之间还设置有第二温度传感器305，在主分汽缸405上设置有第三温度传感器404，在分路分汽缸411上设置有第四温度传感器410，在用户端管路和分路分汽缸411之间设置有第五温度传感器414，通过在不同的部件、不同位置分别设置温度传感器，能够更加精确的监控高温蒸汽热泵系统的实时管路温度，从而便于调控并网。

在一些实施例中，在闪蒸器103出口端还设置有第一压力传感器105，第一压力传感器105用于检测低压蒸汽单元10所在管路的管路压力。在一些实施例中，所述检测部件包括设于所述蒸汽压缩机301所在管路上的第二压力传感器304，所述第二压力传感器304被配置为检测所述增压蒸汽单元的输送管路压力，所述检测部件还包括设于主分汽缸405上的第三压力传感器403及设于分路分汽缸411上的第四压力传感器409，所述蒸汽压缩机301被配置为将所述增压蒸汽单元的输送管路压力保持处于第一预设压力区间中。

示例性的，初始状态下，蒸汽母管通过主分汽缸405、分路分汽缸411向用户端管路输送蒸汽，设置的第一预设压力区间为P＝1.1P

当增压蒸汽单元的第二压力传感器304的压力值大于分路分汽缸411第四压力传感器409的压力1.1倍时，满足并网条件，余热管道内的蒸汽能够进入分路分汽缸411中，此时，关闭第二通断开关407，开启第一通断开关307，此时主分汽缸405内蒸汽停止进入分路分汽缸411，切换至余热管道供应蒸汽。在此，需要说明的是，前述过程中，蒸汽压缩机301的排汽压力处于第一预设压力区间中时，通过调控蒸汽压缩机301的转速或调控蒸汽压缩机301的加减载功率来设置。

在上述实施例中，所述检测部件还包括设于所述分路分汽缸411和所述用户端管路之间的第五压力传感器413，所述第五压力传感器413被配置为检测所述用户端管路的输送管路压力；所述蒸汽压缩机301被配置为将所述用户端管路的输送管路压力处于第二预设压力区间，以使所述第一供汽管路的输送管路压力适配所述用户端管路的管路压力，此设置能够避免蒸汽高能低用，从而有利于提高整体热泵系统效率。

示例性的，当蒸汽切换至余热管道利用余热供应蒸汽后，考虑到用户端管路的需求压力和增压蒸汽单元的输送管路压力不适配，蒸汽压缩机301的输送管道压力根据第四通断开关412的开度、第五压力传感器413的压力值进行调整，此时蒸汽压缩机301的预设压力区间修改为第二预设压力区间M，按照模型M＝1.1nφ

在切换至余热管道利用余热供应蒸汽过程中，当分路分汽缸411的第四压力传感器409的压力值低于用户端管路的最低需求压力(也即第五压力传感器413的压力值)1.1倍时，关闭第一通断开关307,开启第二通断开关407,蒸汽压缩机301的排汽压力目标值范围调整为第一预设压力区间，此时余热管道的蒸汽停止进入分路分汽缸411，切换至主分汽缸405供应蒸汽。重复前述的蒸汽压缩机301的加载功率的调节过程。

在此，需要说明的是，上述过程中存在蒸汽母管和余热管道同时向用户端管路供汽的状态。

蒸汽母管的蒸汽经过蒸汽减压部件401减压后进入主分汽缸405，当主分汽缸405内的第三压力传感器403的压力值低于第四压力传感器409的压力值时，无法保证对用户端管路的正常供汽，因此，不能直接切换第二通断开关407为通路状态，此时调整蒸汽减压部件401，直至主分汽缸405内压力大于分路分汽缸411内第四压力传感器409压力时，接通第二通断开关407给用户端管路供汽。在此，主分汽缸405和分路分汽缸411之间还设置有第四止回阀408，第四止回阀408允许蒸汽朝向分路分汽缸411单向流动。

在一些实施例中，高温蒸汽热泵系统中还设置有控制模块，控制模块能够采集检测部件的检测数据，并根据检测数据来调控高温蒸汽热泵系统的不同工作状态。在此，示例性的，控制模块采集第一温度传感器106的温度信息后调控高温热泵101的工作功率，使高温热泵101加载或者减载运行；控制模块采集各压力传感器的压力信息后，在满足并网条件时控制第一供汽管路并入用户端管路中进行供汽，或者在不满足并网条件时，控制第一供汽管路的第一通断开关307断开，使第一供汽管路断开与用户端管路的连接。

当第一供汽管路的高温热泵101满载一定时间后，闪蒸器103的第一温度传感器106检测的温度值仍无法达到预设温度区间时，证明此时余热管道利用余热时无法达到并网条件，不能向用户端管路供汽，此时，需要停止高温热泵101的运行，并将异常信息上报至控制模块或云监控平台。在此示例性的，控制模块为PLC控制芯片。

本申请所述的高温蒸汽热泵系统，在系统运行过程中，高温蒸汽热泵系统结合末端用户端管路的实际用汽需求合理调整蒸汽供应温度，可自动的调节高温蒸汽热泵系统的运行，有效减小高温蒸汽热泵系统产量的波动对用户的影响，使高温蒸汽热泵产出的蒸汽自动并入原有蒸汽管网，原有蒸汽供应系统与高温蒸汽热泵系统能够自动切换，互为补充。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种高温蒸汽热泵控制方法，适用于上述任一项所述的高温蒸汽热泵系统，所述方法包括：

获取第一供汽管路上增压蒸汽单元的压力值，获取所述分路分汽缸411的压力值。

响应于确定增压蒸汽单元的压力值超出所述分路分汽缸411压力值的数值大于第一预设阈值时，开启第一通断开关307使所述第一供汽管路与所述分路分汽缸411连通，关闭第二通断开关407使所述第二供汽管路4与所述分路分汽缸411断开。

响应于确定所述分路分汽缸411压力值的数值低于用户端管路的需求压力值的数值大于第二预设阈值时，关闭第一通断开关307使所述第一供汽管路与所述分路分汽缸411断开，开启第二通断开关407使所述第二供汽管路4与所述分路分汽缸411连通。

上述方法中，高温蒸汽热泵系统中设置有控制模块，控制模块通过采集检测部件的检测数据来调控第一通断开关307和第二通断开关407的启闭状态。此外，第一预设阈值和第二预设阈值的设定可参照高温蒸汽热泵的实际运行情况进行设定，示例性的，增压蒸汽单元的压力值可以通过第二压力传感器304确定，分路分汽缸411的压力值可以通过第四压力传感器409确定，第一预设阈值为1.1倍的第四压力传感器409的压力值，第二预设阈值为1.1倍的用户端管路需求压力值，也即1.1倍的第五压力传感器的压力值，本申请中对此不做绝对限定。

由于本申请所述的高温蒸汽热泵控制方法适用于前述任一实施例中所述的高温蒸汽热泵系统，因此，该控制方法可参照高温蒸汽热泵系统的相关描述，并具有高温蒸汽热泵系统的所有优点。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。