一种高温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，特别涉及一种高温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，提供一种高温空气源热泵蒸汽机组及其控制方法，能够通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，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、一种高温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，蒸汽发生器的内部空间设有气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三和喷淋装置，气体冷却器一设于内部空间的上部，气体冷却器二设于气体冷却器一下方，喷淋装置设在气体冷却器一和气体冷却器二之间，气体冷却器三相间隔地设于气体冷却器二下方，且气体冷却器三淹没于内部空间的底部的储液中，气体冷却器一、气体冷却器二、气体冷却器三依次相连通，气体冷却器一的入口用于通入二氧化碳，蒸汽发生器设有用于蒸汽排出的蒸汽出口、用于补充水的补水口、用于循环储液的循环水出口。

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二的表面，与气体冷却器二内的高温二氧化碳进行热交换，高温热水在气体冷却器二表面蒸发产生蒸汽，同时气体冷却器二内的高温二氧化碳被冷却；三个气体冷却器在蒸汽发生器内进行多级加热过程，首先气体冷却器一内的高温二氧化碳对内部产生的蒸汽进行一级加热，然后通过喷淋装置喷出的高温热水与气体冷却器二内的高温二氧化碳与喷淋装置喷出的高温热水热交换，进行二级加热，最后通过蒸汽发生器内部空间的底部储液对气体冷却器三中的二氧化碳进行冷却；能够在蒸汽发生器内部通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，也能够通过蒸汽出口能够将蒸汽对外输送，通过补水口对蒸汽发生器内的储液进行补充，也达到一定的降温作用，通过循环水出口收集蒸汽发生器内的相对降温后的水，再通过管道提供至喷淋装置，实现循环使用。

5、在本发明较佳的实施方案中，上述蒸汽发生器的内部空间还设有气体冷却器n，n为大于3的整数，气体冷却器n的位置位于内部空间的上部、中部或底部；通过设置多个气体冷却器，在蒸汽发生器内能够进行热水的多级加热和二氧化碳的降温，形成多级加热过程，能够更加有效地产生蒸汽。

6、在本发明较佳的实施方案中，上述蒸汽发生器还连接有水泵，水泵设在循环水出口和喷淋装置之间的管道上；通过水泵将水从蒸汽发生器的底部输送至喷淋装置中，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连接的管道上，补水阀安装在补水口连接的管道上；通过循环水阀将进入蒸汽发生器内的高温热水排出后进行循环利用，再进入喷淋装置进行循环，通过补水阀对蒸汽发生器中的水进行补充。

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冷却器一，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，将高温气体导入蒸汽发生器内产生蒸汽，再经换热组件进行热交换，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三连接，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，实现排出蒸汽发生器的气体和经蒸发器后的气体的热交换。

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，温度传感器一设在循环水出口与水泵之间的管道上，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蒸汽发生器、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、一种高温空气源热泵蒸汽机组的控制方法，采用上述的高温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，循环水阀的出口热水回差温度δtw，热泵压缩机的目标排气温度tps与循环水阀的出口目标水温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、将循环水阀处目标水温tws设置为ps对应的饱和蒸汽温度。

18、s5、根据循环水阀的出口目标水温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)，则判断循环水阀出口水温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，否则维持当前状态。

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，机组能够保持在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、通过该高温空气源热泵蒸汽机组，能够通过多级加热方式，有效将热水转化为蒸汽，同时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，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。