一种空气源高温蒸汽热泵系统以及控制方法与流程

本发明涉及工业高温热泵与蒸汽供热，尤其是一种空气源高温蒸汽热泵系统以及控制方法。

背景技术：

1、随着工业过程电气化及节能降碳要求的不断提高，采用高温热泵替代部分燃煤锅炉、燃气锅炉及常规电加热蒸汽发生装置，已成为工业供热领域的重要技术发展方向。食品、化工、制药、印染、造纸等工业生产过程通常需要持续使用一定温度和压力等级的蒸汽，并对蒸汽供应的连续性、母管压力稳定性及蒸汽品质一致性具有较高要求。因此，高温蒸汽热泵除了需要满足蒸汽温度和压力要求外，还应具备适应环境变化、负荷波动及运行模式切换的连续供汽能力。

2、空气源高温蒸汽热泵在低环境温度、高空气湿度条件下运行时，蒸发器表面容易发生结霜现象。随着霜层厚度的持续增加，蒸发侧的空气流通阻力增大，传热热阻上升，导致蒸发温度降低、压缩机压比增大及系统制热能力和运行效率下降。霜层积聚严重时，需要停止蒸发器工作并实施化霜，由此可能造成整个热泵系统的性能下降甚至停机，进而促使蒸汽产量下降、供汽压力波动和供汽中断等多种问题。

3、现有空气源热泵化霜方式主要包括逆循环化霜、热气旁通化霜、电加热化霜以及双蒸发器或多蒸发器轮换化霜等。上述方式通常以清除蒸发器表面霜层和恢复换热能力为主要目标。其中，逆循环化霜需要系统暂时停机或降低冷凝侧的供热输出；热气旁通化霜则需要从压缩机排气侧分配部分高温制冷剂，容易造成主循环制热能力下降；电加热化霜需要额外消耗电能；双蒸发器轮换化霜虽然能够保留部分取热能力，但处于正常运行状态的蒸发器还需要承担化霜期间减少的取热负荷，系统瞬时负荷变化较大。对于以稳定制取工业蒸汽为目的的高温热泵系统，上述化霜方式仍可能引起蒸汽发生单元热输入不足及蒸汽母管压力波动。

4、对于普通的热水热泵系统，化霜期间短时间的供热衰减可以通过建筑热惯性、水系统蓄热量或末端缓冲能力进行补偿。但工业蒸汽系统的热惯性相对较小，蒸汽发生单元的热量输入变化会快速反映为蒸汽产量和蒸汽母管压力的波动。当蒸发器进入化霜状态后，如果热泵循环的供热能力下降，蒸汽发生单元无法获得足够的热量，则容易出现蒸汽产量不足、母管压力下降和供汽品质波动等问题。因此，传统以恢复蒸发器换热能力为主要目标的化霜方式，难以同时满足工业蒸汽系统对连续供汽和压力稳定的要求。

5、因此，现有技术仍缺少一种能够利用同一双向中间储热供能单元，通过制汽补热支路和化霜供热支路分别向蒸汽发生单元和目标化霜蒸发器提供热量，并根据蒸汽母管压力、制汽热量缺口、化霜需求及储热状态协调分配热量的高温蒸汽热泵系统，以在完成蒸发器化霜的同时维持连续供汽，并降低化霜过程对主循环的负荷冲击。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提出了一种空气源高温蒸汽热泵系统以及控制方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种空气源高温蒸汽热泵系统，包括：

3、低温级循环回路，包括至少两个并联设置的蒸发器、蒸发器切换阀组、低温级压缩机和复叠换热器，侧蒸发器的制冷剂出口汇合后依次与低温级压缩机和复叠换热器的低温级冷凝侧相连，复叠换热器的低温级冷凝侧出口经蒸发器切换阀组与蒸发器的制冷剂入口相连，形成低温级制冷剂循环；

4、高温级循环回路，包括复叠换热器的高温级蒸发侧、高温级压缩机和冷凝器，复叠换热器的高温级蒸发侧出口依次与高温级压缩机和冷凝器的制冷剂入口相连，冷凝器的制冷剂出口与复叠换热器的高温级蒸发侧入口相连，形成高温级制冷剂循环；低温级循环回路与高温级循环回路通过复叠换热器进行间接换热；

5、蒸汽发生单元，包括蒸汽发生器和稳压罐，冷凝器的水侧通过主供热支路与蒸汽发生器的加热侧形成循环回路，蒸汽发生器的蒸汽出口与稳压罐相连；

6、双向中间储热供能单元，通过充热支路与冷凝器的水侧出口相连，用于储存冷凝器的富余热量；

7、制汽补热支路，一端与双向中间储热供能单元的热媒出口相连，另一端连接至蒸汽发生器入口前的水侧管路；

8、化霜供热支路，一端与双向中间储热供能单元的热媒出口相连，另一端连接至化霜辅助换热器，化霜辅助换热器与各蒸发器对应设置；

9、以及控制器，分别与蒸发器切换阀组及各支路调节阀连接。

10、优选的，主供热支路与充热支路并联设置；制汽补热支路和化霜供热支路并联设置并分别设置独立的调节阀，使双向中间储热供能单元能够在化霜期间同时向蒸汽发生器和化霜辅助换热器供热，实现补热量和化霜供热量的独立调节；

11、制汽补热支路用于向蒸汽发生器补充热量；化霜供热支路用于向需要化霜的蒸发器提供热量；控制器用于控制各支路的通断和流量。

12、优选的，稳压罐上设置有液位计、安全阀、液位控制器和压力调节阀；液位控制器与液位计和压力调节阀连接，用于根据罐内液位调节排液量。

13、一种空气源高温蒸汽热泵系统控制方法，采用所述的空气源高温蒸汽热泵系统，包括：

14、s1：启动控制器，读取控制参数并进行状态自检，打开主供热支路，关闭充热支路、制汽补热支路和化霜供热支路，使系统进入正常制汽状态；

15、s2：运行热泵循环以制取蒸汽，实时采集系统运行参数，并计算蒸汽发生单元热负荷和冷凝器的实际供热功率；

16、s3：根据冷凝器的实际供热功率和蒸汽发生单元热负荷计算可用充热功率，当可用充热功率大于零且双向中间储热供能单元的储热状态未达到储热状态上限时，打开充热支路将富余热量储存于双向中间储热供能单元中；否则关闭充热支路；

17、s4：根据蒸发器结霜状态将制汽补热控制划分为化霜准备模式和非化霜运行模式，在化霜准备模式下计算目标化霜蒸发器退出运行后的预计热量缺口，在非化霜运行模式下计算冷凝器供热不足的实际热量缺口；

18、当存在制汽热量缺口、或蒸汽压力低于目标蒸汽压力下限、或实际蒸汽流量低于目标流量下限并持续达到预设确认时间时，启动制汽补热支路向蒸汽发生器补充热量；

19、s5：在化霜准备模式下，当制汽补热支路投入运行且蒸汽压力保持在允许范围内后，通过蒸发器切换阀组将目标化霜蒸发器与低温级制冷剂循环隔离，打开对应的化霜供热支路，同时保持其他蒸发器继续运行；

20、s6：根据目标化霜蒸发器的结霜程度和设定化霜时间，计算化霜所需平均热负荷，校核双向中间储热供能单元的当前可用放热量，当储热量充足时进入双支路协同放热模式，同时向制汽补热支路和化霜供热支路释放热量，并以蒸汽压力稳定为首要目标动态调节两条支路的供热量分配；

21、s7：当目标化霜蒸发器的表面温度达到化霜结束温度且空气侧压差恢复至预设范围并持续达到预设确认时间时，判定化霜完成，关闭化霜供热支路，将目标化霜蒸发器重新接入低温级制冷剂循环，逐步退出制汽补热支路。

22、优选的，步骤s4中，在化霜准备模式下，预计热量缺口计算方式为：

23、；

24、其中，为蒸汽发生单元热负荷；为目标化霜蒸发器退出后主供热支路的预计供热功率；

25、在非化霜运行模式下，实际热量缺口计算方式为：

26、；

27、其中，为冷凝器的实际供热功率。

28、优选的，步骤s4中，制汽补热支路启动后，以当前运行模式对应的制汽热量缺口作为前馈基准量，以蒸汽压力作为主要反馈量，采用增量式pid控制算法计算蒸汽压力反馈修正量：

29、；

30、其中，k为控制周期编号；为第k控制周期的蒸汽压力偏差；和)分别为第k-1和k-2控制周期的蒸汽压力偏差；为每个控制周期的时间；、和分别为比例系数、积分系数和微分系数；

31、制汽补热支路的目标供热功率为：

32、；

33、其中，表示限幅函数；为最大制汽补热功率。

34、优选的，步骤s5中，在化霜准备模式下，控制器在切换目标化霜蒸发器之前，先启动制汽补热支路，当制汽补热支路的实际供热功率达到目标设定值且蒸汽压力保持在允许范围内后，再执行目标化霜蒸发器的切换及隔离；

35、在非化霜运行模式下，当实际制汽热量缺口消失，且蒸汽压力和蒸汽流量恢复至各自目标允许范围并持续达到预设退出确认时间后，逐步减小并关闭制汽补热支路，返回正常制汽状态。

36、优选的，步骤s6中具体为，当双向中间储热供能单元的当前可用放热量不低于完成本次制汽补热和蒸发器化霜所需的总热量，且最大释热功率不低于目标供热功率与化霜所需平均热负荷之和时，进入双分支协同放热模式，同时向制汽补热支路和化霜供热支路供热；化霜所需平均热负荷计算方式为：

37、

38、其中，为估算霜层质量；为冰的比热容；为冰的融化潜热；为水的比热容；为霜层初始温度；为目标化霜蒸发器的等效热容；为目标化霜蒸发器初始温度；为化霜结束温度；为目标化霜时间；

39、当储热量不足时，若目标化霜蒸发器尚未达到必须立即化霜的安全阈值，则推迟化霜并继续充热；若目标化霜蒸发器必须立即化霜，则优先保证蒸汽发生器的最低供热需求，降低化霜供热功率并延长化霜时间；任一时刻均满足：

40、；

41、其中，为主供热支路实际供热功率；为制汽补热支路实际供热功率；为维持连续供汽所需的最低热功率。

42、优选的，步骤s7中，化霜结束条件为：目标化霜蒸发器的表面温度满足：

43、；

44、且空气侧压差满足：

45、；

46、并持续达到预设确认时间；

47、其中，为化霜结束温度，为无霜状态下的基准空气侧压差，为压差恢复系数；

48、当化霜持续时间达到最大化霜时间，并且上述条件仍未满足时，停止化霜供热并发出异常报警。

49、优选的，所述控制方法还包括：蒸汽压力采集、支路供热功率计算、调节阀开度修正及热媒循环泵调节按照第一频率循环执行；蒸发器结霜判断、储热状态计算和运行模式切换按照第二频率循环执行，所述第一频率高于第二频率；无论控制器是否正在进行结霜识别或运行模式切换，蒸汽压力控制和支路供热功率控制均持续运行；热媒循环泵设置在双向中间储热供能单元的热媒出口；

50、系统运行过程中执行以下保护逻辑：

51、当蒸汽压力低于最低允许蒸汽压力时，优先提高制汽补热功率，并限制或关闭化霜供热支路；

52、当储热状态低于或等于储热状态下限时，停止双向中间储热供能单元继续释热；

53、当化霜辅助换热器出口温度超过允许上限时，减小化霜供热支路流量；

54、当任一供热支路的介质流量低于安全值时，关闭对应支路；

55、当检测元件信号异常或执行元件失去反馈时，保持主供热支路运行，并退出储热辅助化霜模式；

56、当蒸汽压力超过最高允许蒸汽压力时，降低制汽补热功率，并通过稳压罐进行压力调节。

57、本发明的优点在于：

58、（1）本发明通过至少两个蒸发器轮换工作与化霜、双向中间储热供能和蒸汽稳压控制的协同设计，使其中一个蒸发器进行化霜时，其余蒸发器仍可继续从环境空气中吸收热量；同时，双向中间储热供能单元向蒸汽发生系统补充热量，稳压罐对蒸汽压力、流量及汽水状态进行缓冲调节。由此，可弥补化霜期间热泵主循环供热能力下降造成的制汽热量缺口，避免蒸汽供应中断，并减小蒸发器切换和化霜过程引起的蒸汽母管压力波动，提高工业蒸汽输出的连续性和稳定性。

59、（2）本发明设置相互独立且能够协同运行的补热支路和化霜供热支路，使双向中间储热供能单元不仅能够向蒸汽发生器提供补充热量，还能够通过化霜辅助换热器向目标化霜蒸发器提供化霜热量。在化霜期间，储存热量可根据蒸汽发生系统的热量缺口和目标化霜蒸发器的化霜需求进行分配，使同一储热供能单元同时具备制汽补热和化霜供热功能，避免分别设置制汽辅助热源和化霜辅助热源，提高了系统集成度、储热利用效率和设备利用率。

60、（3）本发明采用主供热支路与缓冲充热支路并联的供热结构。正常制汽工况下，冷凝器可通过主供热支路直接向蒸汽发生器提供热量，避免全部高温热量均需先经过双向中间储热供能单元，从而减小储热环节引入的热惯性和换热损失，提高系统的启动速度及负荷响应能力；当冷凝器的输出热量大于当前制汽需求时，再通过缓冲充热支路将富余冷凝热储存于双向中间储热供能单元中，并在高负荷、化霜或工况切换阶段释放，实现富余热量回收、热量跨时段调节和移峰填谷。

61、（4）本发明在蒸发器化霜时，优先利用双向中间储热供能单元中预先储存的热量完成制汽补热和辅助化霜，减少化霜过程对冷凝器、热泵主循环及主供热支路的瞬时负荷冲击。通过各供热支路、调节阀、蒸发器切换阀组及控制器的组合控制，系统能够在正常制汽、富余热量充储、蒸汽侧补热、储热辅助化霜、快速启动及动态负荷跟踪等运行模式之间切换，提高系统对低环境温度、蒸汽负荷变化及频繁化霜工况的适应能力，便于工程实施和运行控制。