基于温位梯度的双级热泵能量分配方法、装置及系统与流程

本发明属于热能回收，具体涉及基于温位梯度的双级热泵能量分配方法、装置及系统。

背景技术：

1、随着“双碳”目标的深入推进，可再生能源电解水制氢与二氧化碳捕集利用（carbon capture, utilization and storage）技术的耦合应用逐渐成为化工、能源行业实现深度脱碳的重要路径。在该耦合系统中，碱性电解槽在运行过程中会产生大量中低温余热（通常为65~85℃的高温碱液），而碳捕集单元的解吸塔再沸器则需要较高品位的热能（通常为105~120℃）以实现co2的高效解吸再生。如何高效回收电解槽余热并精准匹配解吸塔的温位需求，是提升耦合系统整体热经济性与运行稳定性的核心瓶颈。

2、现有技术中，通常采用单级热泵系统直接连接碱液余热主管道与解吸塔再沸器进行余热提温供热。然而，受限于单级螺杆或离心压缩机的单级温升能力（通常≤25k），当碱液余热入口温度约为75℃时，经单级热泵提升后的工质出口温度仅能达到100℃左右，无法稳定满足解吸塔再沸器105~120℃的供热温区要求。为保证解吸过程的连续运行，工程上往往需额外补充1.0mpa等级的辅助蒸汽进行掺混加热，导致系统㶲损显著增加（约19.3%），严重削弱了余热回收的经济效益。

3、为缓解热源波动问题，部分方案引入固定容量的蓄热罐对碱液余热进行缓冲存储，再向热泵系统供液。但该类方案中蓄热单元与热泵单元多处于静态解耦运行状态，缺乏动态协同的能量分配机制。当电解槽因风电、光伏等可再生能源供电波动导致负荷突变（如碱液温度变化率＞4℃/min）时，热泵蒸发器入口温度会出现剧烈波动（超±8℃），热量传递的滞后性直接引发解吸塔再沸温度失控（波动幅度达±6.5℃）。在宽负荷波动工况下，传统系统的㶲效率往往大幅下降至34.7%左右，且热能分配响应迟缓，难以适应实际工程中宽范围负荷调节的稳定性要求。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于温位梯度的双级热泵能量分配方法、装置及系统。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供了基于温位梯度的双级热泵能量分配方法，包括以下步骤：

4、s1：以预设采样周期采集碱性电解槽的运行参数、余热碱液实时流量与解吸塔底部温度，并基于所述运行参数计算当前热源功率；

5、s2：根据所述当前热源功率及热泵蒸发器入口温度，动态调节三通智能温控阀的第一比例调节阀与第二比例调节阀的开度比例，以控制余热碱液流入蓄热缓冲罐与热泵蒸发器的分配流量；

6、s3：根据所述余热碱液实时流量与额定最小流量的偏差，前馈调节一级压缩机的压缩比，并根据解吸塔底部温度与预设目标温度的偏差，反馈调节二级压缩机的压缩比；

7、s4：将一级压缩机出口的工质输送至解吸塔中段的进料预热器进行预热，将二级压缩机出口的工质输送至解吸塔底部的再沸器进行解吸供热；

8、s5：实时监测所述蓄热缓冲罐温度，当罐温低于预设下限阈值时减少膨胀阀开度，直至罐温恢复至相变储热材料的相变平衡温度。

9、进一步地，所述s2中动态调节三通智能温控阀的开度比例具体为：根据预设参考温度与所述热泵蒸发器入口温度的偏差值计算第一比例调节阀的目标开度百分比，所述第二比例调节阀的开度百分比为总开度与所述第一比例调节阀开度百分比的差值，以实现两路热量的动态分配。

10、进一步地，所述s2还包括负荷优先级控制：当制氢负荷低于第一负荷阈值时，执行储热优先策略，增大流向所述蓄热缓冲罐的流量比例；当制氢负荷高于第二负荷阈值且满足再沸器热量需求时，执行热泵优先策略，降低所述一级压缩机与二级压缩机的压缩比；当制氢负荷处在第一负荷阈值与第二负荷阈值之间时，维持所述三通智能温控阀处于基准稳态开度。

11、进一步地，所述步骤s2中根据当前热源功率及热泵蒸发器入口温度调节三通智能温控阀开度时，还包括功率阈值的判断：将所述当前热源功率与第一功率阈值及第二功率阈值进行比较；当所述当前热源功率低于第一功率阈值时，增大第一比例调节阀开度并同步减小第二比例调节阀开度；当所述当前热源功率高于第二功率阈值时，减小第一比例调节阀开度并同步增大第二比例调节阀开度，以确保阀组调节方向与所述负荷优先级控制策略协同匹配。

12、进一步地，所述s3中前馈调节一级压缩机的压缩比具体为：压缩比调节量与所述余热碱液实时流量和额定最小流量的差值呈负相关，并限制在预设的安全压缩区间内；所述反馈调节二级压缩机的压缩比具体为：压缩比调节量与所述解吸塔底部温度和预设目标温度的偏差呈负相关，并限制在预设的稳定压缩区间内。

13、进一步地，所述步骤s4中将工质分别输送至解吸塔不同区段具体为：将一级压缩机出口工质温度匹配至进料预热器的预热需求温区，以消除工质过热损失；将二级压缩机出口工质温度匹配至再沸器的沸腾需求温区，以满足碳捕集解吸热负荷。

14、进一步地，还包括再沸温度超差微调步骤：在负荷波动过程中实时监测再沸温度，当再沸温度与设定值的偏差绝对值超过预设容差阈值时，触发压缩比的步长微调指令，直至温度偏差收敛至所述预设容差阈值内；控制指令的发出周期与所述三通智能温控阀的响应惯性延迟时间相匹配。

15、第二方面，本发明提供了基于温位梯度的双级热泵能量分配装置，包括：

16、碱液换热器，配置为输出余热碱液；

17、双级热泵机组，包括依次相连的热泵蒸发器、一级压缩机、进料预热器、分离器和二级压缩机；

18、三通智能温控阀，其进口与所述碱液换热器出口连通，出口分别连通蓄热缓冲罐及热泵蒸发器；所述蓄热缓冲罐出口及热泵蒸发器出口均与碱液换热器进口连通；

19、二氧化碳解吸塔，其中段与进料预热器相连，底部设有再沸器；所述一级压缩机出口与设于所述二氧化碳解吸塔中段的进料预热器连通，所述进料预热器出口连通至所述分离器，所述二级压缩机出口连通至再沸器进口；

20、膨胀阀，其进口与再沸器出口及分离器出口连通，所述膨胀阀出口与热泵蒸发器进口连通，配置为调节制冷剂流量及蒸发压力；

21、控制器，分别与所述三通智能温控阀、一级压缩机、二级压缩机及膨胀阀通讯连接。

22、进一步地，所述蓄热缓冲罐内部填充有相变储热材料，所述相变储热材料的相变熔点与所述热泵蒸发器的最佳工作温度相匹配；所述控制器内集成有监控反馈回路，所述监控反馈回路配置为接收测点信号并输出阀门开度指令与压缩比调节指令。

23、第三方面，本发明还提供了基于温位梯度的双级热泵能量分配系统，包括：

24、数据采集与功率计算模块，配置为以预设采样周期获取碱性电解槽的运行参数、余热碱液实时流量与解吸塔底部温度，并基于所述运行参数计算当前热源功率；

25、流量分配控制模块，配置为根据所述当前热源功率及热泵蒸发器入口温度，动态生成三通智能温控阀的第一比例调节阀与第二比例调节阀的开度比例控制指令，以控制余热碱液流入蓄热缓冲罐与热泵蒸发器的分配流量；

26、压缩比动态调节模块，配置为根据所述余热碱液实时流量与额定最小流量的偏差生成一级压缩机的前馈压缩比调节指令，并根据所述解吸塔底部温度与预设目标温度的偏差生成二级压缩机的反馈压缩比调节指令；

27、温位梯度匹配模块，配置为将一级压缩机出口工质导流至解吸塔中段的进料预热器进行预热，并将二级压缩机出口工质导流至解吸塔底部的再沸器进行解吸供热；

28、蓄热温度保护模块，配置为实时监测所述蓄热缓冲罐温度，当罐温低于预设下限阈值时触发膨胀阀调节指令，直至罐温恢复至相变储热材料的相变平衡温度；

29、其中，上述各模块依次信号连接，共同构成闭环能量分配控制架构。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、本发明通过基于温位梯度的双级热泵能量分配方法，有效解决了传统单级热泵温升受限与蓄热静态解耦导致的再沸温度失控问题。该方法将一级压缩机出口工质精准匹配解吸塔中段进料预热器，二级压缩机出口工质专供塔底再沸器，实现碱液余热与解吸高温热负荷的梯级利用；同时依托三通智能温控阀与相变蓄热缓冲罐的动态协同，结合一级压缩机流量前馈与二级压缩机温度反馈的双环控制逻辑，大幅抑制了宽负荷波动下热泵蒸发器入口及再沸温度的剧烈震荡，使系统热能分配响应迅速且再沸温度高度稳定。该控制策略大幅度消除了对外部高品位蒸汽的依赖，显著降低制氢综合能耗与辅助蒸汽消耗，系统综合㶲效率实现跨越式提升，在可再生能源制氢负荷频繁波动工况下具备优异的运行韧性与工程应用价值。