一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统

技术领域

本发明属于工业蒸汽供应技术领域，尤其涉及一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统。

背景技术

蒸汽是工业的“血液”，其被广泛用于石油、化工、电力、机械、纺织、冶金、食品、制药等制造业各细分领域。

在传统的观念中，电能是高品位能源，从能量转换的角度来看是，电用来制取工业蒸汽的做法是不可取的，传统的做法是直接从一次化石能源燃烧制取工业蒸汽，2022年初，多家燃煤供蒸汽业务关联上市公司发布2021年财报显示，2021年蒸汽销售量保持稳定增长，同时由于煤炭价格较上年同期明显上涨，受煤热联动价格影响，蒸汽销售价格大幅上涨，导致销售收入、净利润较上一报告期有较大幅度的增长，而对于需求方而言，工业蒸汽价格的上涨则意味着生产成本的增加，严重影响企业利润和市场拓展。

在双碳的时代背景下，光伏、风电的装机规模迎来跨越式发展，其度电成本大幅下降，同时存在弃光弃风的现象，因此电能的成本越来越低，而化石能源的价格由于限煤的影响，价格越来越高，综上所述，采用电制蒸汽的做法符合市场和政策的需要。

目前针对非化石能源作为能量输入的工业蒸汽供应系统产生了多种技术路线，包括电极锅炉、固体蓄热电锅炉、电加热熔盐储能供蒸汽系统、热泵蒸汽机组等，目前逐步抢占燃煤锅炉供蒸汽市场。但以上技术路线均具有各种各样的缺陷，如电极锅炉、热泵蒸汽机组无蓄热能力，固体蓄热电锅炉生产的蒸汽参数最高仅到200℃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，以解决现有非化石能源作为能量输入的工业蒸汽供应系统效率低的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，包括：

低温循环系统，所述低温循环系统内的循环介质为第一介质，用于接收电能并提升所述第一介质的温度，所述低温循环系统内设有用于输出所述第一介质热能的第一热能输出端；

高温循环系统，所述高温循环系统内的循环介质为第二介质，用于接收电能并提升所述第二介质的温度；所述高温循环系统内设有与所述第一热能输出端传热连接的第一热能接收端，以及，用于输出所述第二介质内热能的第二热能输出端；

储能系统，所述储能系统包括第三热能输入端和第三热能输出端，所述第三热能输入端与所述第二热能输出端传热连接；

蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统包括第四热能输入端、用于接收水工质的水工质输入端和用于输出蒸汽的蒸汽输出端，所述第四热能输入端与所述第三热能输出端传热连接，用于接收所述第三热能输出端输出的热能并加热水工质为蒸汽；

其中，所述电能为谷电和/或可再生能源发电装置产生的电能，所述低温循环系统的循环模式为开式循环，所述高温循环系统的循环模式为闭式循环。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述低温循环系统包括第一压缩机、第一介质管路；

所述第一压缩机的输出端与所述第一介质管路的输入端连通，用于接收电能并压缩所述第一介质至高温高压状态；

所述第一热能输出端为连通于所述第一介质管路上的第一换热器的热端，用于接收所述第一介质的热能，所述第一介质转化为中温高压状态或常温高压状态并通过所述第一介质管路的输出端输出。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述低温循环系统还包括第一透平；

所述第一透平与所述第一压缩机同轴传动连接，且所述第一透平的输入端与所述第一介质管路的输出端连通，用于接收中温高压状态或常温高压状态的所述第一介质进行膨胀做功，并输出动力至所述第一压缩机。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述高温循环系统包括第二压缩机、第二介质管路；

所述第一热能接收端为连通于所述第二介质管路上的第一换热器的冷端，所述第一换热器的热端为所述第一热能输出端；

所述第二压缩机的输入端和输出端分别连通所述第二介质管路的两端，用于接收电能并压缩所述第二介质至高温高压状态；

所述第二热能输出端为连通于所述第二介质管路上的第二换热器的热端，用于接收所述第二介质的热能；第二换热器的热端位于所述第二压缩机在所述第二介质流向的下游，且位于所述第一换热器的冷端在所述第二介质流向的上游。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述高温循环系统还包括第二透平，

所述第二透平与所述第二压缩机同轴传动连接；所述第二透平布置于所述第二介质管路，且位于所述第一换热器与所述第二换热器之间，用于接收中温高压状态或常温高压状态的所述第二介质进行膨胀做功，并输出动力至所述第二压缩机。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述高温循环系统还包括第三换热器；

所述第三换热器的热端布置于所述第二介质管路，且位于所述第一换热器与所述第二换热器之间；

所述低温循环系统的介质输入端设有第一介质输入管，所述第三换热器的冷端布置于所述第一介质输入管。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述高温循环系统还包括第四换热器；

所述第四换热器的热端布置于所述第二介质管路，且位于所述第一换热器与所述第二换热器之间；

所述第四换热器的冷端布置于所述第二介质管路，且位于所述第一换热器与所述第二压缩机之间。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述储能系统包括固体储能装置、第三循环管路和第一循环风机；

所述固体储能装置的第三介质输入端和第三介质输出端分别与所述第三循环管路的两端连通；所述第一循环风机设于所述第三循环管路上；

所述第三热能输入端为连通于所述第三循环管路上的第二换热器的冷端，且位于所述固体储能装置的第三介质输出端与所述第一循环风机之间，所述第二换热器的热端为所述第二热能输出端。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述蒸汽发生系统包括SGS蒸汽发生器、第四循环管路和第二循环风机；

所述SGS蒸汽发生器的第四介质输入端和第四介质输出端分别连通所述第四循环管路的两端，所述第四介质输入端为所述第四热能输入端；所述第二循环风机设于所述第四循环管路上；

所述第三热能输出端传热连接于所述第四循环管路，且位于所述第四介质输出端和所述第二循环风机之间。

本发明的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，所述第一介质为空气或CO

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例通过将采用电能单一循环制热的系统拆分为低温循环系统和高温循环系统，即通过利用谷电和/或可再生能源发电装置产生的电能使得第一介质和第二介质在两个循环系统内的循环及升温，实现两段式的复叠制热，处于一级的低温循环系统采用开式循环从外界吸热，处于二级的高温循环系统采用闭式循环，接收低温循环系统产生的热能，并且闭式循环可提高内部循环压力，并提升闭式高温循环COP，从而提升整体高温制热循环的COP，以达到较高的系统效率，解决了现有非化石能源作为能量输入的工业蒸汽供应系统效率低的问题。同时，低温循环系统和高温循环系统分别采用开式循环和闭式循环，可避免全部用闭式循环带来的从空气吸热带来的结霜问题。

附图说明

图1为本发明实施例一的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统的系统框图；

图2为本发明实施例二的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统的系统框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

参看图1，在一个实施例中，一种复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，包括低温循环系统、高温循环系统、储能系统和蒸汽发生系统。

低温循环系统内的循环介质为第一介质，被配置为接收电能并提升其内第一介质的温度；并且，低温循环系统内设有用于输出第一介质热能的第一热能输出端。

高温循环系统内的循环介质则为第二介质，被配置为接收电能并提升其内第二介质的温度。高温循环系统内设有与第一热能输出端传热连接的第一热能接收端(即用于接收第一热能输出端输出的第一介质的热能加热第二介质)，以及，用于输出第二介质内热能的第二热能输出端。

储能系统设置为包括第三热能输入端和第三热能输出端，第三热能输入端与第二热能输出端传热连接(即用于接收第二热能输出端输出的第二介质的热能进行储热)。

蒸汽发生系统，蒸汽发生系统包括第四热能输入端、用于接收水工质的水工质输入端和用于输出蒸汽的蒸汽输出端，第四热能输入端与第三热能输出端传热连接，用于接收第三热能输出端输出的热能(即储热系统内的储热)并加热水工质(水工质输入端输入的水工质)为蒸汽(由蒸汽输出端输出)。

其中，电能为谷电和/或可再生能源发电装置产生的电能，低温循环系统的循环模式为开式循环，高温循环系统的循环模式为闭式循环。

本实施例通过将采用电能单一循环制热的系统拆分为低温循环系统和高温循环系统，即通过利用谷电和/或可再生能源发电装置产生的电能使得第一介质和第二介质在两个循环系统内的循环及升温，实现两段式的复叠制热，处于一级的低温循环系统采用开式循环从外界吸热，处于二级的高温循环系统采用闭式循环，接收低温循环系统产生的热能，并且闭式循环可提高内部循环压力，并提升闭式高温循环COP，从而提升整体高温制热循环的COP，以达到较高的系统效率，解决了现有非化石能源作为能量输入的工业蒸汽供应系统效率低的问题。同时，低温循环系统和高温循环系统分别采用开式循环和闭式循环，可避免全部用闭式循环带来的从空气吸热带来的结霜问题。

下面对本实施例的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统的具体结构进行进一步说明：

在本实施例中，第一介质可为空气，开式循环的低温循环系统可包括第一压缩机、第一介质管路。第一压缩机的输出端与第一介质管路的输入端连通，第一压缩机接收外界空气输入，接收电能并压缩第一介质至高温高压状态，并输出至第一介质管路。

上述的第一热能输出端则为连通于第一介质管路上的第一换热器的热端，用于接收第一介质的热能，放热后的第一介质转化为中温高压状态或常温高压状态并通过第一介质管路的输出端输出。

进一步地，为了提高低温循环系统的能量利用率，低温循环系统还包括第一透平，第一透平与第一压缩机同轴传动连接，且第一透平的输入端与第一介质管路的输出端连通，用于接收中温高压状态或常温高压状态的第一介质进行膨胀做功，并输出动力至第一压缩机(高压状态的空气膨胀带动第一压缩机转动，抵消一部分第一压缩机耗功，随后排入大气)。

在本实施例中，闭式循环的高温循环系统包括第二压缩机、第二介质管路。

第一热能接收端为连通于第二介质管路上的第一换热器的冷端，即第一换热器用于第一介质和第二介质之间的换热。第二压缩机的输入端和输出端分别连通第二介质管路的两端，用于接收电能并压缩第二介质至高温高压状态。第二热能输出端则为连通于第二介质管路上的第二换热器的热端，用于接收第二介质的热能，第二换热器的热端位于第二压缩机在第二介质流向的下游，且位于第一换热器的冷端在第二介质流向的上游，高温高压状态的第二介质在第二换热器处放热后转化为中温高压状态或常温高压状态，而后经第二介质管路流动至第一换热器处接收第一介质输出的热量。

进一步地，为了提高高温循环系统的能量利用率，高温循环系统还包括第二透平。第二透平与第二压缩机同轴传动连接。第二透平布置于第二介质管路，且位于第一换热器与第二换热器之间，用于接收中温高压状态或常温高压状态的第二介质进行膨胀做功，并输出动力至第二压缩机(带动第二压缩机转动，抵消一部分第二压缩机耗功)。

在本实施例中，为了进一步提高能量利用率，高温循环系统还可包括第三换热器。

该第三换热器的热端布置于第二介质管路，且位于第一换热器与第二换热器之间。

而上述的低温循环系统的介质输入端(即第一压缩机的空气输入端)设有第一介质输入管，第三换热器的冷端则是布置于第一介质输入管，即第二介质在第二换热器处放热后，进一步在第三换热器中对进入第一压缩机的空气进行预热。

在本实施例中，储能系统具体可包括固体储能装置、第三循环管路和第一循环风机。

固体储能装置的第三介质输入端和第三介质输出端分别与第三循环管路的两端连通。第一循环风机设于第三循环管路上。上述的第三热能输入端则为连通于第三循环管路上的第二换热器的冷端，且位于固体储能装置的第三介质输出端与第一循环风机之间。即第二介质内的热能通过第二换热器输出并通过第一循环风机将该部分热能释放给固体储能装置进行储热。

在本实施例中，蒸汽发生系统具体可包括SGS蒸汽发生器、第四循环管路和第二循环风机。

SGS蒸汽发生器的第四介质输入端和第四介质输出端分别连通第四循环管路的两端，第四介质输入端为上述的第四热能输入端。第二循环风机设于第四循环管路上。第三热能输出端传热连接于第四循环管路，且位于第四介质输出端和第二循环风机之间。即固体储能装置内的热能通过第三热能输出端输出，并通过第二循环风机将该部分热量输出至SGS蒸汽发生器内的水工质，使得水工质转化为蒸汽输出。

在本实施例中，上述的第一介质为空气或CO2或氩气或氮气等，第二介质为空气或CO2或氩气或氮气等。

下面对本实施例的复叠式高温热泵储能供蒸汽系统的循环郭超进行进一步说明：

低温循环过程为：常温常压空气通入第三换热器，经过升温后进入第一压缩机增压升温，随后通入第一换热器降温后进入第一透平后膨胀做功，带动第一压缩机转动，抵消一部分第一压缩机耗功，随后排入大气。

高温循环过程为：从第二透平出来的低温低压状态的第二工质进入第一换热器中，吸收从低温循环制得的热量，进入第二压缩机中，通过增压升温后进入第二换热器中，将换热量通过第一循环风机释放给固体储能装置后，进入第三换热器，加热常温空气，随后进入第二透平。

本实施例将高温热泵制热循环拆分为开式低温循环和闭式高温循环，开式循环由于循环压力小，密度小，体积流量大，导致第一压缩机设计制造较为困难，且循环COP不高，开式低温循环制得的热量传递给闭式高温循环，闭式高温循环可提高内部循环压力，减小第二压缩机入口体积流量，降低第二压缩机的成本及设计难度，并提升闭式高温循环COP，从而提升整体高温制热循环的COP，同时避免了全部用闭式循环带来的从空气吸热带来的结霜问题。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上，提供复叠式高温热泵储能供蒸汽系统，与实施例一方案的区别在于，高温循环系统内的第三换热器替换为第四换热器。

该第四换热器的热端布置于第二介质管路，且位于第一换热器与第二换热器之间；第四换热器的冷端布置于第二介质管路，且位于第一换热器与第二压缩机之间。将高温热泵循环完全分离为两个独立的制热循环，低温循环制得的热量作为高温循环的吸热段，此实施例可解决闭式循环结霜问题，但整体COP相对实施例一方案会有所降低。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。