一种锅炉给水加热方法及系统与流程

1.本发明涉及一种锅炉给水加热方法及其系统。


背景技术：

2.蒸汽锅炉包括电站锅炉，工业锅炉等，往往需要部分补水或全部补水，如不用蒸汽供热情况的电站锅炉只需要部分给水，蒸汽凝结水可以返回锅炉，而不设冷却塔热电联产的锅炉其蒸汽凝结水不能返回锅炉，需要全部补水，有些工艺蒸汽锅炉，其蒸汽全部或部分消耗在工艺上，也需要全部或部分补水，由于补水温度低，往往需要消耗大量的蒸汽和燃料，导致锅炉效率低，未经加热的锅炉补水与室温相当，此外，即使锅炉回收冷凝水，冷凝水的温度也往往远远低于蒸汽的温度，即锅炉给水的温度仍有必要加热，加热可利用热泵进行加热，热泵可获得较高效率。由于电是高品位的能量，也只有获得较高的效率，采用热泵才具有节能效果，按照目前电站的热电转化平均效率33％左右计算，采用热泵加热的cop只有大于3时才具有节能意义。采用热泵对锅炉给水进行加热，已有相关的专利文献和研究论文报道，但是大部分没有深入进行数据的分析和比较，如相关专利仅仅是一些系统特征流程的描述，而没有定量的概念。事实上，采用热泵加热相对锅炉加热而言，其对温度的敏感度远远要大，采用锅炉将20℃水加热到100℃与将水加热到200℃，排烟温度不同，其效率会有所变化，但变化不大，而采用热泵将水从20℃加热到40℃与加热到60℃，其效率相差较大，有可能相差一倍，甚至更多。如当热泵蒸发温度为20℃时，将水加热到40℃时热泵的cop，为将水加热到60℃时的cop的1/2左右。
3.普通热泵采暖加热系统，其热水温度变化范围一般只有5-10℃，即热泵进出水的温差为5-10℃。
4.由于热水温度变化小，热水温度变化对热泵效率影响也相对较小，尽管热泵采暖加热近年来得到大量应用，热泵对温度的敏感性问题也不十分突出，也未引起重视。
5.但是对锅炉给水而言，其温度变化大，如水温从20℃加热到60℃，其温度变化为40℃，如水温从20℃加热到100℃，其温度变化为80℃，对热泵效率影响也十分大，但是这一问题并没有得到锅炉给水热泵的应用者和研究人员的重视，也没有相对应的解决方案。
6.热泵cop随热水温度变化，是由热泵的特性决定的，即当热水温度较高时，热泵热侧的工质温度随之升高，其cop降低，而热水温度较低时，热泵热侧工质的温度随之降低，其cop升高，如果能够热泵作为热源能有多个温度，即不仅有较高温度的热源，也有较低温度的热源，其cop就会增加。


技术实现要素：

7.鉴于此，本发明针对以大温差加热为特征锅炉给水加热的应用，通过三种方式实现热泵多个温度供热，即热泵有一个冷凝温度，但利用过冷，其二，热泵有多个冷凝温度，其三，热泵变冷凝温度。提供了一种锅炉给水加热方法及系统。
8.本发明采用的技术方案具体如下：
9.一种锅炉给水加热系统，含有压缩机、蒸发器、冷凝器、过冷器和节流阀，其中，压缩机出口与冷凝器的制冷工质侧进口相连，冷凝器的制冷工质侧出口与过冷器的制冷工质侧进口相连，过冷器的制冷工质侧出口与节流阀进口相连，节流阀出口与蒸发器的制冷工质侧进口相连。蒸发器的制冷工质侧出口与压缩机进口相连，形成制冷工质循环回路；所述过冷器水侧进口与给水水源相连，过冷器水侧出口与冷凝器水侧进口相连，冷凝器水侧出口排出加热水作为锅炉给水，所述的过冷器中制冷工质的过冷度大于5℃。
10.一种锅炉给水加热系统，含有第一压缩机，第二压缩机，第一冷凝器，第二冷凝器，第一节流阀，第二节流阀和蒸发器；其中，第一压缩机出口与第一冷凝器的制冷工质侧进口相连，第一冷凝器的制冷工质侧出口与第一节流阀进口相连，第一节流阀出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与蒸发器的制冷工质侧进口相连，蒸发器的制冷工质侧出口与第二压缩机进口相连，第二压缩机出口与第一压缩机进口相连；所述第二压缩机出口还与第二冷凝器的制冷工质侧进口，第二冷凝器的制冷工质侧出口与第二节流阀进口相连，第二冷凝器的水侧进口与给水水源相连，第二冷凝器的水侧出口与第一冷凝器的水侧进口相连，第一冷凝器水侧出口排出加热水作为锅炉给水，所述第一冷凝器的冷凝温度比第二冷凝器冷凝温度高5℃。
11.一种锅炉给水加热系统，系统含有可变冷凝温度运行的热泵，第一水箱和第二水箱，其中，所述的热泵含有压缩机、节流阀、蒸发器和冷凝器；压缩机出口与冷凝器的制冷工质侧进口相连，冷凝器的制冷工质侧出口与节流阀进口相连，节流阀出口与蒸发器的制冷工质侧进口相连，蒸发器的制冷工质侧出口与压缩机进口相连；所述第一水箱、第二水箱均通过管道与冷凝器的水侧进、出口相连，管道上设有转换阀；所述第一水箱、第二水箱分别设有进水口和出水口，其中，进水口通入锅炉给水；所述第一水箱和第二水箱交替运行。
12.一种锅炉给水加热系统，系统含有可变冷凝温度运行的热泵，水箱a和水箱b，所述的可变冷凝温度运行的热泵含有压缩机、节流阀、蒸发器和冷凝器，压缩机出口与冷凝器的制冷工质侧进口相连，冷凝器的制冷工质侧出口与节流阀进口相连，节流阀出口与蒸发器的制冷工质侧进口相连，蒸发器的制冷工质侧出口与压缩机进口相连；冷凝器的水侧进、出口通过水管与水箱a相连；所述水箱a和水箱b均设有进水口和出水口，水箱a的进水口与给水水源相连，水箱a的出水口通过管道与水箱b的进水口相连，管道上设有连接阀。
13.一种锅炉给水加热方法，采用热泵将ta温度的给水加热到tb作为锅炉给水，tb＞ta 10℃,ta对应的热泵工质的温度为ta,tb对应的热泵工质的温度为tb,tb＞ta 5℃。
14.一种锅炉给水加热方法，采用前述锅炉给水加热系统将ta温度的给水加热到tb作为锅炉给水，其中，ta温度的给水先经过过冷器加热，然后再经过冷凝器加热至tb作为锅炉给水，tb＞ta 10。
15.一种锅炉给水加热方法，采用前述锅炉给水加热系统将ta温度的给水加热到tb作为锅炉给水，其中，ta温度的给水先经过第二冷凝器,其冷凝温度为ta,再经过第一冷凝器，其冷凝温度为tb，tb＞ta 5℃，从第二冷凝器排出tb温度的给水作为锅炉给水。
16.一种锅炉给水加热方法，采用前述锅炉给水加热系统将ta温度的给水加热到tb作为锅炉给水，所述第一水箱和第二水箱交替运行，其中：
17.第一水箱运行时：设置在冷凝器的水侧进、出口、第一水箱相连管道上的转换阀打开，设置在冷凝器的水侧进、出口、第二水箱相连管道上的转换阀关闭，第一水箱的进水口
通入给水，给水在冷凝器的水侧循环被加热，直至达到温度tb后作为锅炉给水输送至锅炉；
18.第二水箱运行时：设置在冷凝器的水侧进、出口、第二水箱相连管道上的转换阀打开，设置在冷凝器的水侧进、出口、第一水箱相连管道上的转换阀关闭，第二水箱的进水口通入给水，给水在冷凝器的水侧循环被加热，直至达到温度tb后作为锅炉给水输送至锅炉。
19.一种锅炉给水加热方法，采用前述锅炉给水加热系统将ta温度的给水加热到tb作为锅炉给水，具体如下：
20.连接阀关闭，水箱a的进水口通入给水至水箱a，给水在冷凝器的水侧循环被加热，直至达到温度tb；打开连接阀，加热后的给水排入水箱b后关闭连接阀，重复上述操作连续对给水加热；水箱b将加热后的给水作为锅炉给水输送至锅炉。
21.本发明提出的方法和系统，具有节能高效的特点，同时具有很强的实用性，针对性和可持作性，如明确了热泵工质变化温度范围等。使得基于热泵的锅炉给水加热系统真正实现节能的同时又具有很好的经济性，便于大规模推广。
附图说明
22.图1为本发明利用大温差过冷提高热泵效率的原理图
23.图2为本发明利用双冷凝器提高热泵效率的原理图
24.图3为本发明利用变冷凝温度的锅炉给水加热系统图一
25.图4为本发明利用变冷凝温度的锅炉给水加热系统图二
具体实施方式
26.本发明旨在通过热泵工质的温度对应给水温度的大温差范围提高锅炉给水加热系统的能效，减少锅炉燃料消耗，提高锅炉的产出或增加电厂的发电量或供热量。
27.如图1所示，锅炉给水加热系统100含有压缩机101、蒸发器105、冷凝器102、过冷器103、节流阀104、制冷工质管道106及附件，压缩机101出口与冷凝器102的制冷工质侧进口相连，冷凝器102的制冷工质侧出口与过冷器103的工质侧进口相连，过冷器103工质侧出口与节流阀104进口相连，节流阀104出口与蒸发器105的工质侧进口相连。蒸发器105工质侧出口与压缩机101进口相连，形成制冷工质循环回路，相连通过制冷工质管道实现，制冷工质管道上还安装有阀门及管道附件，图中未显示。需要加热的水wa(其温度为ta)，通过过冷器103的水侧进口进入过冷器103被来自冷凝器102的高温热泵工质预热，工质被过冷，由tb过冷至ta，被预热的水再进入冷凝器的水侧被继续温度为tb的工质加热，最后排出wb,其温度为tb,作为锅炉的给水。图1中的蒸发器105可以从多种热源取热，如直接从环境空气中取热，地源或者水源取热，还可以从锅炉烟气中取热。
28.由于锅炉给水加热幅度大，热泵100的cop与常规系统相比提高幅度大。
29.例如，假定热泵蒸发温度为10℃，将锅炉给水从20℃加热至55℃，本发明的系统与常规系统相比，其cop提高25％以上。之所以提高的幅度大，主要是锅炉给水加热幅度大所决定的。事实上，对于常规的采暖加热系统，采用本发明的系统，其提高幅度有限，如假定常规采暖热泵系统，热泵蒸发温度为10℃，热泵进水温度45℃，出水温度55℃，其cop值提高约为5％左右。也正是因为常规热泵采暖系统采用本发明的系统cop值提高有限，使得人们对大温差加热的热水系统，包括锅炉给水加热系统，采用过冷器提高热泵效率的认识不足，本
发明在深入分析，包括相关的模拟和数据比较的基础上，提出了新的方法和系统，以针对用锅炉给水加热热泵系统的效率的提升。
30.图2系统200，锅炉给水加热系统含有第一压缩机201b，第二压缩机201a，第一冷凝器202b，第二冷凝器202a，第一节流阀203b，第二节流阀203a，蒸发器204，工质管道205及附件。第一压缩机201b出口与第一冷凝器202b工质侧进口相连，第一冷凝器202b工质侧出口与第一节流阀203b进口相连，第一节流阀203b出口与第二节流阀203a进口相连，第二节流阀203a出口与蒸发器204工质侧进口相连，蒸发器204工质侧出口与第二压缩机201a进口相连，第二压缩机201a出口与第一压缩机201b进口相连，构成热泵工质第一回路，所述的相连通过工质管道相连，管道上依据要求可安装阀门等相关附件，图中未显示。第二压缩机201a与第一压缩机201b连接管通过旁路管和第一节流阀与第二节流阀之间的连接管相连，旁路管上设有第二冷凝器202a，构成热泵工质第二回路，即自第二压缩机201a出口到第二冷凝器202a进口，第二冷凝器202a出口到第二节流阀203a进口，第二节流阀202a出口到蒸发器204进口，蒸发器204出口到第二压缩机201a进口。第二冷凝器202a的水侧出口与第一冷凝器202b的水侧进口相连，需要加热的水wa(其温度为ta)，通过第二冷凝器202a的水侧进口进入第二冷凝器202a被较低温的热泵工质ta预热，被预热的水再进入第一冷凝器202b的水侧被继续被温度为tb的工质加热，最后排出wb,其温度为tb,作为锅炉的给水。同样地，图2中的蒸发器可以从多种热源取热，如直接从环境空气中取热，地源或者水源取热，还可以从锅炉烟气中取热。
31.图1，图2系统是通过两个装置(冷凝器/过冷器，或两个冷凝器)实现多个温度的热泵热源，图3、图4系统是通过一个冷凝器，通过其在时间序列上变冷凝温度实现变温度热泵热源。
32.图3系统300系统含有可变冷凝温度运行的热泵，第一水箱308a和第二水箱308b，水泵306，循环水管307，第一转换阀至第四转换阀f1、f2、f3、f4。所述的热泵含有压缩机301、节流阀303、蒸发器304、冷凝器302，工质管路305及附件，压缩机出口与冷凝器302工质侧进口相连，冷凝器302工质侧出口与节流阀303进口相连，节流阀303出口与蒸发器304工质侧进口相连，蒸发器304工质侧出口与压缩机301进口相连，所述的相连通过工质管道相连，管道上安装有阀门及相关附件，图中未显示，冷凝器302的水侧进、出口通过循环水管分别307与第一水箱308a、第二水箱308b相连，循环水管上安装有第一转换阀至第四转换阀。水泵306安装在循环水管上，第一水箱308a和第二水箱308b,分别均通过进水管与给水水源(图中未显示)相连，也通过出水管与热水接受装置(未显示)相连，对应地，第一水箱308a的进水管安装上安装有第一进水阀fa1、第二水箱308b的进水管第二进水阀fb1，第一水箱308a的出水管上安装有第一出水阀fa2、第二水箱308b的第二出水管上出水阀fb2。第一水箱308a和第二水箱308b交替运行，具体如下：
33.开启第一进水阀fa1，第一水箱308a进水，第一出水阀fa2关闭，需要加热的水wa，其温度ta,在第一水箱308a内被循环加热至tb，即热泵对第一水箱308a内的水加热，f1，f2开启，f3，f4关闭，水泵306驱动水在水箱308a和冷凝器302中循环，水被循环加热，对应开始的水温ta，热泵工质的温度为ta，对应加热完成后的水温tb，热泵工质温度为tb，第一水箱308a中水加热完成后，当需要给水时，打开出第一水阀fa2送水。同时，可以通过阀门转换，开始对第二水箱308b中水加热。第一水箱308a和第二水箱308b的水被交替加热，交替输出
热水。
34.图4系统300a与图3系统不同在于水箱的设置不同，系统中设置了水箱a，即309和水箱b，即310,但仅仅水箱a与热泵冷凝器302的水侧进、出口相连；水箱a还设有第二进水口和第二出水口，第二出水口与水箱b的进水口相连，连接的管路上设有连接阀fm，水箱b的出水口设有出水阀f0。
35.开启a进水阀fi对水箱a补水，需要加热的水wa，其温度ta,在水箱a内被循环加热至tb，即热泵对水箱a内水加热，水泵306驱动水在水箱308a和冷凝器302中循环，水被循环加热，对应开始的水温ta，热泵工质的温度为ta，对应加热完成后的水温tb，热泵工质温度为tb，水箱a中水加热完成后，打开连接a水箱和b水箱的连接阀fm,水箱a中被加热的水进入b水箱，当需要给水时，打开b出水阀f0送水。随后水箱a可以下一轮进水和加热。
36.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。