一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统的制作方法

1.本发明属于热能工程领域，具体地，涉及一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统。


背景技术：

2.有机朗肯循环是一种利用低品位热源对有机工质加热产生蒸气，从而推动膨胀机产生电能的发电循环。有机朗肯循环的热源流体入口温度通常在90℃以上，与一次热力管网温度相近，因此以一次热力管网作为高温热源、二次热力管网作为低温热源的有机朗肯循环能够合理利用一次、二次管网之间温差，通过设置多个一次、二次热力管网侧换热器，实现一次、二次热力管网之间的传热强化，提高二次热力管网供热量。
3.水源热泵是一种利用有机工质在输入功驱动下，能够将低温热源的热量传递至高温热源的装置。通过这种特性，将二次热力管网回水的热量转移至一次热力管网回水，从而提高一次热力管网回水温度，实现从二次热力管网至一次热力管网的热量回收。
4.在一次热力管网与二次热力管网之间设置换热器，使一次热力管网与二次热力管网通过换热器换热，以降低一次热力管网回水温度，提高二次热力管网供热量。
5.传统热力站利用换热器使一次、二次热力管网之间传热时需要有较大温差，而温差越大热量传递损失越大。因此，利用上述三种并联形式，依次通过水源热泵、换热器和有机朗肯循环，实现提高二次热力管网供热量，提高一次热力管网回水温度，达到提高一次、二次热力管网热量的利用效率。通过此系统建设的热力站能够提高热力管网的利用效率，减少一次、二次热力管网之间热量传递的不可逆损失，强化传热效率。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统。
7.本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统，包括一次热力管网供水管路、一次热力管网回水管路、第一蒸发器、工质泵、膨胀机、发电机组、第一冷凝器、换热器、第二蒸发器、第二冷凝器、压缩机、电动机、节流装置、第一二次热力管网分回水管路、第二二次热力管网分回水管路、第三二次热力管网分回水管路、第一二次热力管网分供水管路、第二二次热力管网分供水管路、第三二次热力管网分供水管路、二次热力管网分供水管路、二次热力管网分回水管路、阀门；
8.所述第一蒸发器工质出口与膨胀机连通，膨胀机与发电机组连通用于发电，电量用于并网或电动机；膨胀机工质出口与第一冷凝器连通；第一冷凝器工质出口与工质泵连通，工质泵出口与第一蒸发器工质进口连通；一次热力管网供水管路首先与第一蒸发器换热水入口连通，第一蒸发器换热水出口与换热器一次热力管网换热水入口连通；第一二次热力管网分回水管路与第一冷凝器换热水入口连通，第一冷凝器换热水出口与第一二次热力管网分供水管路连通，第一二次热力管网分供水管路与二次热力管网供水管路连通；
9.换热器一次热力管网换热水出口与第二蒸发器换热水入口连通，第二蒸发器换热水出口与一次热力管网回水管路连通；换热器二次热力管网换热水入口与第二二次热力管网分回水管路连通，换热器二次热力管网换热水出口与第二二次热力管网分供水管路连通，第二二次热力管网分回水管路和第二二次热力管网分供水管路连通分别与二次热力管网回水管路和二次热力管网供水管路连通；
10.第二蒸发器工质出口与压缩机工质入口连通，压缩机工质出口与第二冷凝器工质入口连通，第二冷凝器工质出口与节流装置入口连通，节流装置出口与第二蒸发器工质入口连通；电动机与压缩机连通为其供电，电量来源于电网或发电机；二次热力管网回水管路与第三二次热力管网分回水管路连通，第三二次热力管网分回水管路与第二冷凝器换热水入口连通，第二冷凝器换热水出口与第三二次热力管网分供水管路连通，第三二次热力管网分供水管路与二次热力管网供水管路连通。
11.一次热力管网作为高温热源，二次热力管网作为低温热源，一次热力管网供水依次与第一蒸发器、换热器与第二蒸发器的一次热力管网换热侧串联；二次热力管网回水经分水器后分别与第一冷凝器、换热器、第二冷凝器的二次热力管网换热侧进口并联连通，第一冷凝器、换热器、第二冷凝器的二次热力管网换热侧出口再连通集水器，实现三个环路的并联供热，有机朗肯循环发电机所产电能能够向水源热泵供电或并网。
12.与现有技术相比，本发明有益效果在于：
13.(1)在热能利用方面，本系统将有机朗肯循环、水源热泵、换热器和一、二次热力管网相结合。有机朗肯循环利用一次热力管网供水作为高温热源、二次热力管网回水作为低温热源，进行发电，减少了传统热力站一、二次热管网换热过程的不可逆损失。
14.(2)水源热泵利用一次热力管网供水为热源，一次热力管网供水依次与第一蒸发器、换热器与第二蒸发器的一次热力管网换热侧串联，实现一次热力管网供水的梯级换热；二次热力管网回水经分水器后分别与第一冷凝器、换热器、第二冷凝器的二次热力管网换热侧进口并联连通，第一冷凝器、换热器、第二冷凝器的二次热力管网换热侧出口再连通集水器，实现三个环路的并联供热，提高二次热力管网的供热能力。
15.(3)在热电联产方面，有机朗肯循环输出电能首先满足水源热泵需求，若输出电能已满足水源热泵需求，多余电量可并入市政电网，实现热力站内有机朗肯循环对水源热泵的电能自供给，减少热力站额外供电需求，降低热力站运行成本。采用有机朗肯循环发电系统与水源热泵系统，增加二次热力管网供热量；有机朗肯循环发电系统为水源热泵供电，降低了一次热力管网回水温度，不额外消耗市政管网电量，实现热力站自供电、自增容功能；满足水源热泵系统用电需求的多余电量并网，实现了热力站内部有机朗肯循环发电系统的热电联产。
16.(4)在有机朗肯循环发电与一次、二次热力管网温差调控方面，当一次供水、二次热力管网回水温差较小时，阀门12开启，阀门13和阀门14关闭，关闭有机朗肯循环发电系统；当一次供水、二次热力管网回水温差较大且满足开机要求时，阀门13和阀门14开启，阀门12关闭，开启有机朗肯循环发电系统，并根据热力管网需求控制阀门15、阀门16和阀门17开启或关闭水源热泵；一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统通过控制有机朗肯循环发电系统开启与关闭，实现一次热力管网供水、二次热力管网回水温差控制与有机朗肯循环发电的灵活适配调节。
17.(5)在供热负荷调控方面，当供热负荷较低时，阀门13、阀门14和阀门15开启，阀门12、阀门16和阀门17关闭，此时关闭水源热泵，不进行一次热力管网向二次热力管网的强化传热，有机朗肯循环发电系统向市政电网供电；当供热负荷较高时，阀门13、阀门14、阀门16和阀门17开启，阀门12和阀门15关闭，此时开启水源热泵，进行一次热力管网向二次热力管网的强化传热，提高二次热力管网供热量，此时有机朗肯循环发电系统单独为水源热泵供电，实现了热力站的自增容。
附图说明
18.图1为本发明的热力站系统连接示意图。
19.图中：1-第一蒸发器；2-膨胀机；3-发电机；4-第一冷凝器；5-工质泵；6-换热器；7-第二蒸发器；8-压缩机；9-电动机；10-第二冷凝器；11-节流装置；12-阀门；13-阀门；14-阀门；15-阀门；16-阀门；17-阀门。
具体实施方式
20.下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明。
21.如图1所示的一/二次热力管网能量耦合的自增容供热系统，包括有机朗肯循环系统、水源热泵系统和换热器；包括第一蒸发器1、第一膨胀机2、发电机3、第一冷凝器4、工质泵5、换热器6、第二蒸发器7、压缩机8、电动机9、第二冷凝器10、节流装置11、阀门12、阀门13、阀门14、阀门15、阀门16、阀门17；
22.有机朗肯循环系统包括第一蒸发器1、第一膨胀机2、发电机3、第一冷凝器4、工质泵5、阀门12、阀门13、阀门14；水源热泵系统包括第二蒸发器7、压缩机8、电动机9、第二冷凝器10、节流装置11、阀门15、阀门16、阀门17；
23.第一蒸发器1的换热水入口与一次热力管网供水管路连通，第一蒸发器1的工质出口与膨胀机2连通，膨胀机2与发电机3连接通过输出轴功发电；膨胀机2乏汽出口与第一冷凝器4的工质入口连通；第一冷凝器4的换热水入口与第一二次热力管网分回水管路连通，第一冷凝器4的换热水出口与第一二次热力管网分供水管路连通，第一冷凝器4的工质出口与工质泵5入口连通；工质泵5出口与第一蒸发器1的工质入口连通。
24.水源热泵系统包括第二蒸发器7、压缩机8、电动机9、第二冷凝器10、节流装置11、阀门15、阀门16、阀门17；第二蒸发器7的换热水入口与换热器6一次热力管网换热水出口连通，第二蒸发器7的工质入口与压缩机8连通；压缩机8与电动机9连通；压缩机8工质出口与第二冷凝器10连通，第二冷凝器10工质出口与节流装置11连通，第二冷凝器10换热水出口入口与第二二次热力管网分回水管路连通；节流装置11工质出口与蒸发器7工质入口连通，
25.当热力站满足水源热泵开启条件时，阀门12和阀门15关闭，阀门13、阀门14、阀门16和阀门17开启，水源热泵开机通过第二蒸发器提取一次热力管网回水管路热量，再通过第二冷凝器将热量转移至二次热力管网供水管路，提高二次热力管网供热量，实现一次、二次热力管网之间的强化传热；
26.换热器6是一次热力管网向二次热力管网传递热量的另一环节，承担一部分传热量。
27.当水源热泵开启时，压缩机8和电动机9运转需要供电，但热力站系统额外供电削
弱了经济性，因此开启有机朗肯循环通过第一蒸发器1提取一次热力管网供水管路热量，经过膨胀机2带动电动机3发电，所产电量首先满足水源热泵用电需求，多余电量可并入市政电网，乏气经第一冷凝器将热量传递至二次热力管网供水管路，因此，一次热力管网与二次热力管网之间设置有机朗肯循环回收了热力管网之间温差所带来的作功能力，降低了热力管网传热过程的不可逆损失，从整体提高了一次热力管网与二次热力管网之间的传热效率。
28.通过系统不同子系统的控制，还能够根据一次热力管网供水、二次热力管网回水温差，实现一次热力管网供水、二次热力管网回水温差控制与有机朗肯循环发电的调节。
29.当一次热力管网供水、二次热力管网回水温差较小时，阀门12开启，阀门13和阀门14关闭，关闭有机朗肯循环发电系统，此时温差过小采用有机朗肯循环发电系统对降低一次管网回水温度、为水源热泵供电效果不显著；当一次供水、二次热力管网回水温差较大且满足开机要求时，阀门13和阀门14开启，阀门12关闭，开启有机朗肯循环发电系统，此时能够充分采用有机朗肯循环发电系统以降低一次热力管网回水温度；并根据热力管网需求控制阀门15、阀门16和阀门17开启或关闭水源热泵，当供热负荷较低时，阀门13、阀门14和阀门15开启，阀门12、阀门16和阀门17关闭，此时关闭水源热泵，不进行一次热力管网与二次热力管网间的强化传热，有机朗肯循环发电系统向市政电网供电；当供热负荷较高时，阀门13、阀门14、阀门16和阀门17开启，阀门12和阀门15关闭，此时开启水源热泵，进行一次热力管网与二次热力管网间的强化传热，有机朗肯循环发电系统单独为水源热泵供电；通过上述控制策略，根据有机朗肯循环发电系统与水源热泵系统的运行状态，调节系统供热量，降低热力管网运行成本。
30.上述系统采用有机朗肯循环发电系统与水源热泵系统增加了二次热力管网供热量，且有机朗肯循环发电系统为水源热泵供电，降低了一次热力管网回水温度，不消耗市政管网电量，实现热力站自供电、自增容功能；当有机朗肯循环发电量已满足水源热泵系统用电需求时，多余电量可并市政电网，实现了热力站内部有机朗肯循环发电系统的热电联产。
31.当一次热力管网供水温度为90℃，一次热力管网回水温度为47℃，一次热力管网流量为1kg/s；二次热力管网供水温度为50℃，二次热力管网回水温度为42℃，通过能量守恒定律可得二次热力管网设计流量为5.375kg/s；水源热泵冷凝温度为55℃；通过上述条件计算得到有机朗肯循环发电功率为2.44kw，有机朗肯循环发电效率为3.24％；再通过选取不同一次热力管网回水温度与水源热泵蒸发器温度之间的温差(一次热力管网回水利用温差)，改变一次热力管网回水温度，可计算得出采用此系统后热力站的供热量增容效果显著，计算结果如表1所示。
32.表1改造后热力站供热量提升效果对比
33.34.计算结果表明当一次热力管网回水温度与水源热泵蒸发器温度之间的温差(一次热力管网回水利用温差)增大时，传热过程不可逆损失增大，改造后的供热量增幅逐渐减小，但供热量增幅在一次热力管网回水温度40℃时能够达到15.17％，供热量增幅效果显著。
35.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。