一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置的制作方法

1.本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置。

背景技术：

2.太阳能光伏、风电呈现显著的间歇性，其装机容量不断攀升将对电网运行的安全性和稳定性提出巨大挑战，急需一种能提高新能源消纳能力的技术，以降低间歇性新能源大量建设后对电网的冲击。
3.同时，蒸汽是工业普遍需要的中间工艺产物，中温中压蒸汽被广泛用于热交换器和蒸汽箱等设备中用来加热和加湿，而高温高压蒸汽可用于驱动膨胀机发电，产生可观的经济和社会效益。
4.为有效消纳用电低谷时太阳能光伏、风电产生的过剩电能，同时产生工业普遍需要的高温高压和中温中压蒸汽，本发明提出一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，充分实现超高温热泵产生的高品质能量阶梯式利用和环境中低压蒸汽罐的回收，产生高温高压蒸汽、中温中压蒸汽、热水和冷水，在减少电网调峰压力的同时，产生显著经济效益。
5.现有技术中，存在一种阶梯式贮热装置及热水系统，专利申请号为cn202110816005.1 ，该专利本发明涉及储热设备技术领域，具体涉及一种阶梯式贮热装置及热水系统。该专利通过设置高温储热腔、中温储热腔、低温储热腔等设备，以构成阶梯储热装置；以此实现对热量的梯度级利用，但是该系统在使用过程中，需要对传统的热力供电厂大幅度改造升级，成本极高。
6.综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

技术实现要素：

7.针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其实现了压缩气体工质膨胀功的有效利用，并有效降低低温膨胀机进口温度，使系统内低温膨胀机出口温度较低，实现低压蒸汽冷凝相变吸热，并产生低温水存储备用，实现了多级阶梯式能量存储，将汽轮机出口乏汽能量的最大化回收利用，提升经济效益。
8.为了实现上述目的，本发明提供一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，包括高温热泵子系统；高温热泵子系统包括压缩机、电动机、高温高压蒸汽发生器、高温回热器、中温中压蒸汽发生器、中温回热器、低温加热器、低温膨胀机、低温吸热器和中温吸热器；电动机连接压缩机；压缩机的出口与高温高压蒸汽发生器的入口相连通，高温高压蒸汽发生器的出口与高温回热器高温进口相连通，高温回热器高温出口与中温中压蒸汽发生器的入口相连通，中温中压蒸汽发生器的出口与中温回热器的高温进口相连接，中温回热器高温出口与低温加热器入口相连通，低温加热器出口与低温膨胀机入口相连通，低温膨胀机出口与低温吸热器的入口相连通，低温吸热器的出口与中温吸热器进口连通，中温吸热器出口与压缩机的进口相连通，构成一个完整的气体侧循环。
9.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，高温热泵子系统中的工质为二氧化碳、氮气、氦气、氩气或氙气中的任意一种或多种。
10.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，高温热泵子系统中还设有分级加热分级吸热的蒸汽发生子系统，可产生压力15-30mpa/500-900℃高温高压蒸汽，压力2-10mpa/200-400℃中温中压和压力0.1-0.3mpa/50-90℃热水；蒸汽发生子系统包括常温水罐、热水罐、中压增压泵、中温中压蒸汽罐、高压增压泵、高温高压蒸汽罐；常温水罐的出口与低温加热器的进口相连通，低温加热器的出口分别与热水罐和中压增压泵的进口连通，中压增压泵的出口分别连接中温中压蒸汽发生器和高压增压泵；中温中压蒸汽发生器的出口与中温中压蒸汽罐的进口连通，高压增压泵的出口与高温高压蒸汽发生器进口连通，高温高压蒸汽发生器的出口与高温高压蒸汽罐的进口连通。
11.蒸汽发生子系统采用分级增压分级吸热模式，有效降低单台增压泵的压比，减少每台加热器或蒸汽发生器的吸热端差，提高了系统效率。其中低温吸热器产生压力0.1-0.3mpa/50-90℃热水，通过中压增压泵增压后，中温中压蒸汽发生器产生压力2-10mpa/200-400℃中温中压蒸汽，再经过高压增压泵增压后，通过高温高压蒸汽发生器产生压力15-30mpa/500-900℃高温高压蒸汽。
12.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，蒸汽发生子系统中的工质为液态水。
13.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，高温热泵子系统中还设有低品质热回收子系统；低品质热回收子系统包括低压蒸汽罐和低温水罐；低压蒸汽罐的出口与中温吸热器的高温进口连通，中温吸热器的出口与低温吸热器的进口连通，低温吸热器的出口与低温水罐的进口相连通。
14.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，低压蒸汽罐中的蒸汽来自蒸汽发电厂汽轮机排出的乏汽；中温吸热器出口流出的为液态水工质。
15.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，高温热泵子系统中压缩机、电动机、低温膨胀机同轴直连，转速均为2500-3500转/分，电动机和低温膨胀机共同驱动压缩机。一方面同轴直连可保证驱动效率最高，另一方面又可以利用电动机的易调节性快速调节压缩机转速，实现部分负荷工况的高效率调节运行。
16.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，压缩机为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或多级轴流式压缩机；膨胀机为多级轴流式膨胀机或径流式膨胀机；高温高压蒸汽发生器为印刷电路板式换热器或管壳式换热器，中温中压蒸汽发生器为印刷电路板式换热器、板式换热器或管壳式换热器；低温加热器、低温吸热器和中温吸热器为印刷电路板式换热器、板翅式换热器、板式换热器或管壳式换热器。
17.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，高温高压蒸汽发生器、中温中压蒸汽发生器和低温加热器为高温热泵子系统和蒸汽发生子系统的共用设备。一方面提高设备利用率，降低投资成本。另一方面避免换热设备停机降温，影响系统启停和调节速率。
18.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，低温吸热器和中温吸热器为高温热泵子系统和低品质热回收子系统共用设备。一方面提高设备利用率，降低投资成
本。另一方面避免换热设备停机降温，影响系统启停和调节速率。
19.根据本发明的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，低温吸热器的吸热来源为空气或河水，中温吸热器的吸热来源为地热、工业废热或汽轮机乏汽。
20.本发明的有益技术效果：本发明的目的提供一种可大规模建设的间歇性新能源消纳技术，有效消纳用电低谷时太阳能光伏、风电产生的过剩电能，在减少电网调峰压力的同时，采用分级增压分级吸热模式，有效减少每台加热器或蒸汽发生器的吸热端差，提高了系统效率，同时产生压力15-30mpa/500-900℃高温高压蒸汽，压力2-10mpa/200-400℃中温中压和压力0.1-0.3mpa/50-90℃热水和压力0.1-0.3mpa，温度5-10℃的冷水，实现能源阶梯式有效利用和低压蒸汽罐的回收，产生显著经济效益。
21.本发明立足于太阳能光伏、风电等具有显著供电间歇性特征的新能源装机容量迅速增加对电网运行的安全性和稳定性提出巨大挑战，提出一种可大规模建设的间歇性新能源消纳技术，在减少电网调峰压力的同时，产生高温高压蒸汽、中温中压蒸汽、热水和冷水，实现能源阶梯式有效利用和低压蒸汽罐的回收。
附图说明
22.图1是本发明的系统流程图。
23.在图中，1压缩机、2电动机、3高温高压蒸汽发生器、4高温回热器、5中温中压蒸汽发生器、6中温回热器、7低温加热器、8低温膨胀机、9低温吸热器、10常温水罐、11热水罐、12中压增压泵、13中温中压蒸汽罐、14高压增压泵、15高温高压蒸汽罐、16低压蒸汽罐、17低温水罐、18中温吸热器。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.如图1所示，一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，主要包括高温热泵子系统、蒸汽发生子系统、低品质热回收子系统。
26.高温热泵子系统包括压缩机1、电动机2、高温高压蒸汽发生器3、高温回热器4、中温中压蒸汽发生器5、中温回热器6、低温加热器7、低温膨胀机8、低温吸热器9、中温吸热器18。
27.压缩机1、电动机2和低温膨胀机8同轴布置，采用联轴器连接。既可保证驱动效率最高，又可以利用电动机的易调节性快速调节压缩机转速，实现部分负荷工况的高效率快速调节。
28.电动机2连接压缩机1，压缩机1出口与高温高压蒸汽发生器3的气体工质侧入口相连通，高温高压蒸汽发生器3的气体工质侧出口与高温回热器4高温侧进口相连通，高温回热器4高温侧出口与中温中压蒸汽发生器5的气体工质侧入口相连通，中温中压蒸汽发生器5的气体工质侧出口与中温回热器6高温侧进口相连接，中温回热器6高温侧出口与低温加热器7气体工质侧入口相连通，低温加热器7气体工质侧出口与低温膨胀机8入口相连通，低
温膨胀机8出口与低温吸热器9的气体工质侧入口相连通，低温吸热器9的气体工质侧出口与中温吸热器18气体工质侧进口连通，中温吸热器18气体工质侧出口与压缩机1进口相连通，构成一个完整的气体侧循环，且该循环系统内工质为二氧化碳、空气、氮气、氦气、氩气、氙气等气体。
29.高温热泵子系统中压缩机1、电动机2、低温膨胀机8同轴直连，转速优选为3000转/分，电动机2和低温膨胀机8共同驱动压缩机1，在达到最高驱动效率的前提下，利用电动机实现压缩机的高效快速转速调节。压缩机1为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机以及多级轴流式压缩机。膨胀机8为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。高温高压蒸汽发生器3为印刷电路板式换热器或管壳式换热器，中温中压蒸汽发生器5为印刷电路板式换热器、板式换热器或管壳式换热器。低温加热器7、低温吸热器9和中温吸热器18为印刷电路板式换热器、板翅式换热器、板式换热器或管壳式换热器。
30.高温高压蒸汽发生器3、中温中压蒸汽发生器5和低温加热器7为高温热泵子系统和蒸汽发生子系统共用设备。低温吸热器9和中温吸热器18为高温热泵子系统和低品质热回收子系统共用设备。
31.蒸汽发生子系统主要包括常温水罐10、热水罐11、中压增压泵12、中温中压蒸汽罐13、高压增压泵14、高温高压蒸汽罐15。常温水罐10出口与低温加热器7水工质侧进口相连通，低温加热器7水工质侧出口分为两路，一路与热水罐11进口连通，另一路与中压增压泵12进口连通，中压增压泵12出口分为两路，一路与中温中压蒸汽发生器5水工质侧进口连通，另一路与高压增压泵14进口连通，中温中压蒸汽发生器5水工质侧出口与中温中压蒸汽罐13进口连通，高压增压泵14出口与高温高压蒸汽发生器3水工质侧进口连通，高温高压蒸汽发生器3水工质侧出口与高温高压蒸汽罐15进口连通。蒸汽发生子系统的一大技术特征是采用分级增压分级吸热模式，有效减少每台加热器或蒸汽发生器的吸热端差，设置了高温高压蒸汽发生器3、中温中压蒸汽发生器5和低温加热器7等三级热量回收系统，实现阶梯式产生蒸汽，其中低温吸热器产生压力0.1-0.3mpa/50-90℃热水，通过中压增压泵增压后，中温中压蒸汽发生器产生压力2-10mpa/200-400℃中温中压蒸汽，再经过高压增压泵增压后，通过高温高压蒸汽发生器产生压力15-30mpa/500-900℃高温高压蒸汽。
32.低品质热回收子系统主要包括低压蒸汽罐16和低温水罐17。低压蒸汽罐16的出口与中温吸热器18高温侧进口连通，中温吸热器18水工质侧出口与低温吸热器9水工质进口连通，低温吸热器9水工质出口与低温水罐17进口相连通。低压蒸汽罐16的蒸汽可来自蒸汽发电厂汽轮机排除的乏汽。低品质热回收子系统一大特征是高温吸热器完成低压蒸汽冷凝相变吸热，回收了常规蒸汽发电厂无法利用的汽轮机出口低压蒸汽液化潜热，即从高温吸热器水工质侧出口流出的为液态水工质。
33.根据本发明的综合能源系统，所述气体侧循环系统中还设有气体储罐a、气体储罐b；气体储罐a、气体储罐b设置在压缩机与高温回热器4之间的气体管路上，其中气体储罐a和气体储罐b分别装载气体成分a和气体成分b；气体成分a为氖气、氩气、氙气中的任意一种；气体成分b为空气、二氧化碳、氮气、氦气中的任意一种；气体成分a具有易升温易压缩，传热较弱的特性，气体成分b具有不易升温不易压
缩，传热较强的特性。以超高温压缩机进口温度300℃，进口压力2mpa，超高温压缩机目标出口温度600℃为例，气体成分a选择氩气，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为157.6kj/kg，定压比热为0.52kj/kg/k，气体成分b选择二氧化碳，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为329.3kj/kg，定压比热为1.16kj/kg/k。
34.根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分a的易压缩易升温性能和气体成分b的高传热性能，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积。在高温模式下，即超高温压缩机出口温度t是500-800℃范围内，通过气体储罐a向气体侧循环系统内注入更多气体成分a，使气体循环内气体成分a的体积百分数x与超高温压缩机出口温度t关系满足x=（t-320）/6。在中温模式下，即超高温压缩机出口温度t是300-500℃范围内，通过气体储罐b向气体侧循环系统内注入更多气体成分b，使得气体循环中气体成分a的体积百分比x与超高温压缩机出口温度t关系满足x=t/10-20。
35.作为优选，当温度低于300摄氏度时候，全部是气体b。
36.作为优选，当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体a。
37.通过上述设置，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。
38.相较于传统热泵，本发明的具体有益技术效果：（1）系统设置了两级蒸汽发生器和一级低温加热器分级吸收压缩机1产生的高温气体工质热量，形成超高温压缩机1产生的高温热的高中低三级应用，减低每一级的吸热温差，减少能量传输过程损耗，并分别产生高温高压蒸汽、中温中压蒸汽和热水。
39.以超高温压缩机1出口温度630℃为例，对标典型超超临界火力发电厂主蒸汽参数28-30mpa/600-610℃，锅炉给水温度260-300℃，本发明设置了高温热的高中低三级利用，产生的高温高压蒸汽可满足超超临界发电厂主蒸汽要求，同时产生了可供工业应用的中温中压蒸汽和热水。
40.（2）设置了与两级蒸汽发生器和一级低温加热器交替布置的两级回热，将本发明产生的高温高压蒸汽、中温中压蒸汽和热水分别对标典型亚临界锅炉参数16.7mpa/538℃，工业蒸汽锅炉2.5mpa/350℃和供热热水0.2mpa/80℃的水工质，三种工况下水工质的比焓分别为3398.5kj/kg、3127.0kj/kg、335.1kj/kg，可以看到高温高压蒸汽发生器3、中温中压蒸汽发生器5、低温加热器7还有大量热量待利用，通过设置与两级蒸汽发生器和一级低温加热器交替布置的两级回热，有效利用了高温高压蒸汽发生器3、中温中压蒸汽发生器5、低温加热器7间剩余热量加热压缩机1进口工质，实现较高的压缩机1进口温度，在压缩机1出口温度一定的条件下，有助于降低压缩机1功耗。
41.以氩气为工质，不设置两级回热为例，通过高温热的高中低三级应用后，膨胀机出口温度在-50~-30℃范围内，压缩机1将氩气从-50~-30℃压缩至600℃以上，压缩机单位流量所需的压缩功耗为344.7-360.1kj/kg，本发明设置交替布置的两级回热后，压缩机1进口温度在200-400℃范围内，单位流量所需的压缩功耗为104.9-210.8kj/kg，压缩机1功耗明显降低，有助于提升系统效率，降低压缩机设计制造难度。
42.（3）设置了高温回热器4和低温吸热器9两级低温吸热，在高温回热器4完成低压蒸
汽冷凝相变吸热，并产生低温水存储备用，回收了常规蒸汽发电厂无法利用的汽轮机出口低压蒸汽液化潜热，实现汽轮机出口乏汽能量的最大化回收利用。
43.以汽轮机的出口乏汽0.01mpa/46℃和液态水0.01mpa/40℃为例，两者的比焓分别是2584.2 kj/kg和167.5 kj/kg，可以看到高温回热器4回收了大量的汽轮机出口乏汽液化潜热，经济效益显著。
44.通过上述技术方案，相较于传统热泵，本发明实现了压缩气体工质膨胀功的有效利用，形成超高温压缩机1产生的高温热的高中低三级应用，有效利用了高温高压蒸汽发生器3、中温中压蒸汽发生器5、低温加热器7间剩余热量加热压缩机1进口工质，并有效降低低温膨胀机8的进口温度，使系统内低温膨胀机8的出口温度较低，与两级低温吸热配合，实现低压蒸汽冷凝相变吸热，并产生低温水存储备用，实现了多级阶梯式能量存储，可与传统蒸汽发电厂联合，实现汽轮机出口乏汽能量的最大化回收利用，经济效益显著。
45.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：

1.一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，包括高温热泵子系统；高温热泵子系统包括压缩机（1）、电动机（2）、高温高压蒸汽发生器（3）、高温回热器（4）、中温中压蒸汽发生器（5）、中温回热器（6）、低温加热器（7）、低温膨胀机（8）、低温吸热器（9）和中温吸热器（18）；电动机（2）连接压缩机（1）；压缩机（1）的出口与高温高压蒸汽发生器（3）的入口相连通，高温高压蒸汽发生器（3）的出口与高温回热器（4）高温进口相连通，高温回热器（4）高温出口与中温中压蒸汽发生器（5）的入口相连通，中温中压蒸汽发生器（5）的出口与中温回热器（6）的高温进口相连接，中温回热器（6）高温出口与低温加热器（7）入口相连通，低温加热器（7）出口与低温膨胀机（8）入口相连通，低温膨胀机（8）出口与低温吸热器（9）的入口相连通，低温吸热器（9）的出口与中温吸热器（18）进口连通，中温吸热器（18）出口与压缩机（1）的进口相连通，构成一个完整的气体侧循环。2.根据权利要求1的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，所述高温热泵子系统中的工质为二氧化碳、氮气、氦气、氩气或氙气中的任意一种或多种。3.根据权利要求1的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，所述高温热泵子系统中还设有分级加热分级吸热的蒸汽发生子系统，可产生压力15-30mpa/500-900℃高温高压蒸汽，压力2-10mpa/200-400℃中温中压和压力0.1-0.3mpa/50-90℃热水；所述蒸汽发生子系统包括常温水罐（10）、热水罐（11）、中压增压泵（12）、中温中压蒸汽罐（13）、高压增压泵（14）、高温高压蒸汽罐（15）；常温水罐（10）的出口与低温加热器（7）的进口相连通，低温加热器（7）的出口分别与热水罐（11）和中压增压泵（12）的进口连通，中压增压泵（12）的出口分别连接中温中压蒸汽发生器（5）和高压增压泵（14）；中温中压蒸汽发生器（5）的出口与中温中压蒸汽罐（13）的进口连通，高压增压泵（14）的出口与高温高压蒸汽发生器（3）进口连通，高温高压蒸汽发生器（3）的出口与高温高压蒸汽罐（15）的进口连通。4.根据权利要求3的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，所述蒸汽发生子系统中的工质为液态水。5.根据权利要求1的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，高温热泵子系统中还设有低品质热回收子系统；低品质热回收子系统包括低压蒸汽罐（16）和低温水罐（17）；低压蒸汽罐（16）的出口与中温吸热器（18）的高温进口连通，中温吸热器（18）的出口与低温吸热器（9）的进口连通，低温吸热器（9）的出口与低温水罐（17）的进口相连通。6.根据权利要求5的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，低压蒸汽罐（16）中的蒸汽来自蒸汽发电厂汽轮机排出的乏汽；中温吸热器（18）出口流出的为液态水工质。7.根据权利要求1的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，所述高温热泵子系统中压缩机（1）、电动机（2）、低温膨胀机（8）同轴直连，转速均为3000转/分，电动机（2）和低温膨胀机（8）共同驱动压缩机（1）。8.根据权利要求6的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，压缩机（1）为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或多级轴流式压缩机；膨胀机（8）为多级轴流式膨
胀机或径流式膨胀机；高温高压蒸汽发生器（3）为印刷电路板式换热器或管壳式换热器，中温中压蒸汽发生器（5）为印刷电路板式换热器、板式换热器或管壳式换热器；低温加热器（7）、低温吸热器（9）和中温吸热器（18）为印刷电路板式换热器、板翅式换热器、板式换热器或管壳式换热器。9.根据权利要求3的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，高温高压蒸汽发生器（3）、中温中压蒸汽发生器（5）和低温加热器（7）为高温热泵子系统和蒸汽发生子系统的共用设备。10.根据权利要求5的基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，其特征在于，低温吸热器（9）和中温吸热器（18）为高温热泵子系统和低品质热回收子系统共用设备。

技术总结

本发明涉及热能动力技术领域，具体提供了一种基于超高温热泵的阶梯式蒸汽发生装置，包括高温热泵子系统、蒸汽发生子系统和低品质热回收子系统；高温热泵子系统包括压缩机、电动机、高温高压蒸汽发生器、高温回热器、中温中压蒸汽发生器、中温回热器、低温加热器、低温膨胀机、低温吸热器和中温吸热器；电动机连接压缩机。借此，本发明实现了压缩气体工质膨胀功的有效利用，并有效降低低温膨胀机进口温度，使系统内低温膨胀机出口温度较低，实现低压蒸汽冷凝相变吸热，并产生低温水存储备用，实现了多级阶梯式能量存储，将汽轮机出口乏汽能量的最大化回收利用，提升经济效益。提升经济效益。提升经济效益。