一种过热蒸汽发生装置及方法与流程

本发明涉及蒸汽发生，具体涉及一种过热蒸汽发生装置及方法。

背景技术：

1、高温蒸汽广泛地应用于工业行业中，如食品加工厂、炼油和化工工厂等等。高温蒸汽的应用除了常见的使用蒸汽加热和使用蒸汽驱动涡轮机发电之外，还有蒸汽的杀菌、保湿、清洁等用途。目前，常用的蒸汽发生设备为锅炉，包括燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉等。这些蒸汽发生方式存在着高污染物排放或高能耗等缺陷。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何高效环保的产生过热蒸汽，为此本发明提供一种过热蒸汽发生装置及方法，利用热泵技术稳定供应过热蒸汽，节能环保。

2、本发明提供一种过热蒸汽发生装置，包括第一热泵系统、第二热泵系统和蒸汽发生系统；所述第一热泵系统包括第一热泵压缩机、蒸汽过热器和第一热泵冷凝器；所述第二热泵系统包括第二热泵压缩机和第二热泵冷凝器；所述蒸汽发生系统包括蒸汽闪蒸罐；

3、所述蒸汽过热器的吸热侧设于所述蒸汽闪蒸罐的出汽管路上，用于利用所述第一热泵压缩机排出的热泵工质蒸气热量，将所述蒸汽闪蒸罐排出的蒸汽加热至过热温度；

4、所述蒸汽闪蒸罐的进水管路上沿水流方向依次设置有所述第二热泵冷凝器的吸热侧和所述第一热泵冷凝器的吸热侧；所述第二热泵冷凝器用于将所述第二热泵压缩机排出的热泵工质蒸气冷凝，同时第一次加热所述蒸汽闪蒸罐进水管路内的水；所述第一热泵冷凝器用于将所述蒸汽过热器排出的热泵工质蒸气冷凝，第二次加热所述蒸汽闪蒸罐进水管路内的水；

5、所述蒸汽闪蒸罐的出汽管路上还设置有蒸汽压缩机，所述蒸汽压缩机用于对所述蒸汽过热器排出的蒸汽进行压缩，提高蒸汽的过热度和压力。

6、第一热泵系统和第二热泵系统可以利用的热源可分为两大类：一是自然界中的热源，如空气、土壤、水(地下水、湖水、河流、海水等)、太阳能等；二是生活或工业生产中排放的余热、废热，比如工业废热、城市污水等，尤其是工业废热，温度较高，流量稳定，可以很好地利用。这两类的热源都是低品位热源，直接利用到生产或发电几乎是不可能的，但是通过热泵技术可以很好地利用这部分低品位热源。

7、在上述过热蒸汽发生装置中，通过第一热泵系统和第二热泵系统两级加热进入闪蒸罐的水，再通过热水的闪蒸、蒸汽的再热与压缩，实现了高温过热蒸汽的输出，是一种高效节能的蒸汽生产方式，在皮革制品、纸浆加工、陶瓷工业、食品烟草和纤维等大量需要蒸汽同时又有余热资源的行业中具有广阔的应用前景。另外，进水通过两级温升最终达到较高闪蒸罐的进水温度，相较于进水通过一级温升的系统，本发明的过热蒸汽发生装置能够实现进水较大范围的总温升，而且对于第一热泵系统和第二热泵系统而言，各自的冷凝器吸热侧水温升较小，不可逆损失小，对热泵系统的低品位热源利用率高；同时各自的压缩机压比较小，提高压缩机的使用寿命。

8、进一步的，该过热蒸汽发生装置还包括中间换热器，所述中间换热器的放热侧设于所述第一热泵系统内，吸热侧设于所述第二热泵系统内；用于利用所述第一热泵冷凝器排出的热泵工质加热所述第二热泵压缩机进气管路内的热泵工质，一方面实现了第一热泵冷凝器出口工质过冷度的增大，降低第一节流阀前的温度，保证节流阀安全，另一方面提高第二热泵蒸发器平均蒸发温度，进而提升系统效率。

9、进一步的，所述第一热泵系统还包括第一热泵蒸发器、第一节流阀、工质闪蒸罐和第二节流阀；所述工质闪蒸罐的进口与所述中间换热器的放热侧热泵工质出口连接，且连接管路上设置有所述第一节流阀；所述工质闪蒸罐的气体出口连接所述第一热泵压缩机的补气口；所述工质闪蒸罐的液体出口连接所述第一热泵蒸发器的热泵工质入口，且连接管路上设置有所述第二节流阀；所述第一热泵蒸发器的热泵工质出口连接所述第一热泵压缩机的进口。

10、进一步的，所述第二热泵系统还包括第二热泵蒸发器和第三节流阀；所述第二热泵蒸发器的热泵工质出口连接所述中间换热器的吸热侧热泵工质入口；所述第二热泵蒸发器的热泵工质入口与所述第二热泵冷凝器的热泵工质出口连接，且连接管路上设置有所述第三节流阀。

11、进一步的，所述蒸汽发生系统还包括加压水泵和补水水泵；所述加压水泵的出水口连接所述第二热泵冷凝器吸热侧进水口，所述加压水泵的进水口与所述蒸汽闪蒸罐的液体出口和所述补水水泵的出水口均连接。

12、进一步的，所述蒸汽发生系统还包括闪蒸压力控制系统，所述闪蒸压力控制系统包括水流量调节阀、蒸汽压力控制阀、第四节流阀、蒸汽流量传感器、压力传感器和控制模块；所述水流量调节阀设于所述蒸汽闪蒸罐液体出口处；所述蒸汽压力控制阀设于所述蒸汽闪蒸罐蒸汽出口处；所述第四节流阀设于所述蒸汽闪蒸罐进水口处；所述蒸汽流量传感器用于测量所述蒸汽压缩机出气口处的流量；所述压力传感器用于测量所述蒸汽闪蒸罐内的压力；所述控制模块根据所述蒸汽流量传感器和所述压力传感器采集的信号，控制所述水流量调节阀、所述蒸汽压力控制阀、所述第四节流阀和所述补水水泵，使所述蒸汽闪蒸罐闪蒸出蒸汽，即稳定的运行，闪蒸出目标蒸汽。

13、进一步的，所述第一热泵系统和所述第二热泵系统梯次利用同一热源。优选的，第一热泵系统对热源进行一级利用，第二热泵系统对热源进行二级利用。

14、同一热源在向所述第一热泵系统提供热量后，继续向所述第二热泵系统提供热量；即第一热泵蒸发器和的第二热泵蒸发器依次从同一个热泵热源获取热量，分两级充分利用热泵热源的热量。

15、或者，所述第一热泵系统和所述第二热泵系统也可分别利用品位不同的两个热源。优选的，第一热泵系统利用的热源品位高于第二热泵系统。

16、进一步的，所述第一热泵系统和所述第二热泵系统使用的热泵工质均为r245fa。

17、本发明还提供一种基于上述过热蒸汽发生装置的过热蒸汽发生方法，包括如下步骤：

18、向蒸汽闪蒸罐供应依次经过第二热泵冷凝器和第一热泵冷凝器加热的水；通过第一热泵系统和第二热泵系统，将依次从第一热泵蒸发器和第二热泵蒸发器吸取的热源低温热能转换为冷凝侧的高温热能，并依次加热经过第二热泵冷凝器和第一热泵冷凝器的水，使之成为高温水；

19、水在蒸汽闪蒸罐中闪蒸出水蒸气，同时通过补水水泵向蒸汽发生系统补水；

20、利用蒸汽过热器将蒸汽闪蒸罐排出的水蒸气加热至过热温度；

21、利用蒸汽压缩机对蒸汽过热器排出的水蒸气进行压缩。

22、进一步的，进入第二热泵压缩机内的热泵工质，需经过第一热泵冷凝器排出的热泵工质加热。

23、进一步的，第一热泵系统和第二热泵系统梯次利用同一热源。第一热泵系统对热源进行一级利用，第二热泵系统对热源进行二级利用，分两级充分利用热泵热源的热量。或者，第一热泵系统和第二热泵系统也可分别利用品位不同的两个热源。

24、综上所述，采用上述过热蒸汽发生装置及方法，具有以下有益效果：(1)能够避免蒸汽压缩机湿压缩，实现了高温高压蒸汽的输出，以及低温余热热能的大幅回收利用；(2)进入蒸汽闪蒸罐的水经过梯次升温，减小了水和热泵工质间传热的不可逆损失；(3)双蒸发器可以利用不同品位的热源也可以利用同一热源，适用范围广，可以提高余热资源的利用率；(4)中间换热器增大了第一热泵系统的节流阀前工质的过冷度，同时提高第二热泵系统的平均蒸发温度，提升了两个热泵系统的性能。