一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组及其控制方法与流程

本发明涉及空气源热泵，特别涉及一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组及其控制方法。

背景技术：

1、我国工业能耗的50%~70%都是以热能的形式被消耗，其中大部分为80℃以上的高温热能需求，传统高温供热采用燃煤燃油燃气锅炉或电锅炉等，存在效率低、污染高等问题。空气源热泵作为一种高效清洁的供热方式，在中低温供热领域已得到广泛应用，但是受限于制冷剂及制冷系统难以实现大温升，导致通过空气源热泵技术制取100℃以上蒸汽产品很少。现有技术一般是先利用空气源热泵将低温水加热至80℃以上的高温饱和水，高温饱和水直接或经减压阀降压后进入低压闪蒸罐产生微压蒸汽，再利用水蒸气压缩机压缩得到满足用户需求的高温高压蒸汽。上述采用低压闪蒸罐方式产生蒸汽，对于固定真空度的闪蒸罐，产生的蒸汽量有限，若要提高蒸汽产量，就需要增大闪蒸罐的真空度，但是产生的蒸汽压力和温度更低，这又会使得维持闪蒸罐负压环境和水蒸气压缩机的能耗更高，造成整个系统能效低。

2、针对上述问题，本发明提供一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机及其控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述空气源热泵产出蒸汽量有限的不足，提供一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组及其控制方法，能够利用二氧化碳热泵压缩机排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，同时提高了系统能效，更加节能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组，其包括应用在空气源热泵供热系统中的蒸汽发生器，蒸汽发生器的顶部设有蒸汽出口，蒸汽发生器的底部设有循环水出口，蒸汽发生器的内部空间设有气体冷却器一和喷淋装置，喷淋装置安装在内部空间的上部，气体冷却器一安装在喷淋装置的喷孔下方，气体冷却器一在蒸汽发生器的壳体处设有气体出口和气体入口，内部空间的底部用于储液。

4、该蒸汽发生器的内部空间设有通入二氧化碳的气体冷却器一，通过喷淋装置进入蒸汽发生器内部的热水储存在内部空间的底部，其中二氧化碳通过气体入口或气体出口进入气体冷却器一，高温热水通过喷淋装置进入蒸汽发生器内产生蒸发有两个过程，一是进入后直接闪蒸产生蒸汽，二是热水喷洒在气体冷却器一的表面，与气体冷却器一内的高温二氧化碳进行热交换，高温热水在气体冷却器一表面蒸发产生蒸汽，同时气体冷却器一内的高温二氧化碳被冷却，能够利用二氧化碳热泵压缩机排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，同时提高了系统能效，更加节能。

5、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括气体冷却器二，气体冷却器二通过管道连接至气体出口或气体入口，气体冷却器二通过管道连接至喷淋装置，用于补水和循环的管道连接至气体冷却器二，用于循环的管道连接至循环水出口；蒸汽发生器通过循环水出口排出内部的相对降温后的水，通过气体冷却器二对经气体冷却器一冷却后的二氧化碳气体进行二次降温，经气体冷却器二加热后的高温热水还能提供至喷淋装置，实现循环使用。

6、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括水泵，水泵设在气体冷却器二和喷淋装置之间的管道上；通过水泵将水从气体冷却器二中输送至喷淋装置中，提供高温热水至蒸汽发生器内。

7、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括真空泵，真空泵连接至蒸汽发生器；通过真空泵对蒸汽发生器内进行抽气，使蒸汽发生器内保持真空环境。

8、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括水蒸气压缩机，水蒸气压缩机的入口通过管道连接至蒸汽出口，水蒸气压缩机的出口通过管道连接至用户处；通过水蒸气压缩机将蒸汽出口排出的水蒸气进行加压升温，对外输出高温高压蒸气。

9、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括补水阀和循环水阀，循环水阀安装在循环水出口处的用于循环的管道上，补水阀安装在用于补水的管道上；通过循环水阀将进入蒸汽发生器内的高温热水进行循环利用，再进入气体冷却器二中对二氧化碳气体进一步冷却处理，通过补水阀补充提供至喷淋装置中的水。

10、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括四通换向阀，四通换向阀包括a、b、c、d四个端口，a端通过管道连接至气体入口，b端通过管道连接至热泵压缩机，c端通过管道连接至气液分离器，气液分离器用于分离二氧化碳气体并回流至热泵压缩机，d端通过管道连接至换热组件；制热时，a端和b端连通、c端和d端连通；除霜时，a端和c端连通、b端和d端连通；通过四通换向阀的a、b、c、d端的设置，能够转换至制热模式，将高温高压气体导入蒸汽发生器内产生蒸汽，再经换热装置进行热交换，最终回流至热泵压缩机，同时也能够转换至除霜模式，将高温高压气体先通过换热组件再进入气体冷却器和蒸汽发生器，最终回流至热泵压缩机。

11、在本发明较佳的实施方案中，上述换热组件包括蒸发器和回热器，回热器通过管道与气体冷却器二连接，回热器通过管道与四通换向阀的d端连接，回热器通过管道与蒸发器连接，经蒸发器后再通过管道连接至回热器，回热器和蒸发器之间的管道上设有节流装置，蒸发器处设有风机；回热器和蒸发器的设置，能够进行热交换，实现排出气体冷却器二的气体的降温和经蒸发器后的气体升温。

12、在本发明较佳的实施方案中，上述机组还包括监测组件，监测组件包括功率采集器、压力传感器、液位传感器、温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三，功率采集器分别与热泵压缩机、风机、水泵、水蒸气压缩机和真空泵连接，压力传感器连接至蒸汽发生器上，液位传感器置于内部空间的底部并用于监测储液的液位，温度传感器一设在气体冷却器二连接喷淋装置的出口处管道上，温度传感器二设在热泵压缩机连接的出口处管道上，温度传感器三设在水蒸气压缩机连接的出口处管道上；通过功率采集器实现对各设备的输入功率监测，通过压力传感器实现对蒸汽发生器内的压力监测，确保蒸汽发生器内的真空环境，通过液位传感器实现对蒸汽发生器内的热水液位进行监测，确保液位在符合要求的范围内波动，通过温度传感器一、温度传感器二和温度传感器三实现对气体冷却器二、热泵压缩机和水蒸气压缩机的出口处的流体温度进行监测，保持正常工作。

13、一种跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组的控制方法，采用上述的跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组，控制方法包括以下步骤：

14、s1、建立各设备的系统输入总功率函数w，设备包括水泵、真空泵、热泵压缩机、水蒸气压缩机和风机；

15、s2、启动上述各设备，设置蒸汽发生器的液位最大值hws(max)和最小值hws(min)，设置水蒸气压缩机的出口目标蒸汽温度tss及回差温度δts，设置蒸汽发生器的内部空间的压力ps及回差压力δp，设置热泵压缩机的排气回差温度δtp，气体冷却器二的出口热水回差温度δtw，热泵压缩机的目标排气温度tps与气体冷却器二的出口目标水温tws的差值δtwp；

16、s3、设置蒸汽发生器的内部空间的目标压力ps，在设置范围由高到低划分为多个可控制目标压力点ps1、ps2、ps3、…、psi、…、psn (1≤i≤n)，其中ps1=0.1 mpa， psn=0.05mpa；

17、s4、将气体冷却器二的出口目标水温tws设置为ps对应的饱和蒸汽温度；

18、s5、根据气体冷却器二的出口目标水温tws计算热泵压缩机的目标排气温度tps，tps= tws+δtwp；

19、s6、通过温度传感器一、温度传感器二、温度传感器三监测各处温度，通过压力传感器监测蒸汽发生器的内部空间压力p，通过功率采集器监测各设备的功率；

20、s7、判断蒸汽发生器内部压力p是否达到目标压力ps，若ps≥p+δp，则通过真空泵加载，若ps≤p-δp，则通过真空泵减载，否则维持当前状态；

21、s8、判断排气温度tp是否达到目标排气温度tps，若tp≥tps+δtp，则增大节流装置的开度，若tp≤tps-δtp，则减小节流装置的开度，否则维持当前状态；

22、s9、判断液位高度hw是否达到目标液位高度最大值hws(max)或最小值hws(min)，若hw≥hws(max)，则减小补水阀的开度，若hw≤hws(min)则增大补水阀的开度；若未达到hws(max)或hws(min)，则判断气体冷却器二出口水温tw是否达到目标水温tws，若tw ≥tws+δtw，则增大补水阀的开度，若tw ≤ tws-δtw，则减小补水阀的开度，否则维持当前状态；

23、s10、判断水蒸气压缩机出口蒸汽温度ts是否达到目标蒸汽温度tss，若ts≥tss+δts，则水蒸气压缩机减载，若ts≤tss-δts，则水蒸气压缩机加载，否维持当前状态；

24、s11、待机组运行稳定后，计算当前psi对应的系统输入总功率w（psi）；

25、s12、判定是否满足i＞1，若不成立，令i=i+1、ps=psi，重复步骤s4~s11，直至i＞1，若w(psi)＞w(ps(i-1))，则确定ps(i-1)为蒸汽发生器的最优目标压力，使得系统输入总功率最低；否则，令i=i+1、ps=psi，重复步骤s4~s11，直至w(psi)＞w(ps(i-1))，则确定ps(i-1)为蒸汽发生器的最优目标压力，使得系统输入总功率w最低。

26、通过s1建立系统输入总功率的函数，由于蒸汽发生器存在最佳压力使函数值最小，这样便于得出最优解，通过s2的设置，机组能够保持再一定范围内正常运行，通过s3限制边界条件，也减小了计算量，通过s4和s5，便于计算出目标水温和目标排气温度，通过s6实现对各监测位置的温度、功率的监测，通过s7实现对真空泵最佳效率的调节，通过s8实现对节流装置最佳效率的调节，通过s9实现对蒸汽发生器内的液位最佳位置的调节，通过s10实现水蒸气压缩机的最佳效率的调节，通过s11-s12得到系统输入总功率的最优解，确定出各设备的最优功率，实现最低能耗。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果：

28、1、通过该跨临界二氧化碳空气源热泵蒸汽机组，能够利用二氧化碳热泵压缩机排气温度高的特点，将表面加热蒸发与闪蒸相结合产生蒸汽，与传统空气源热泵蒸汽机相比，提高了蒸汽供应量，同时提高了系统能效，更加节能。

29、2、通过该控制方法，由建立系统输入总功率的函数开始，再根据目标蒸汽温度、目标水温和目标排气温度，结合实时监测的温度、功率、液位的数据，依次确定出真空泵、节流装置、蒸汽发生器、水蒸气压缩机的最优解，从而确定出各设备的最优功率，实现最低能耗，节约成本。