雙級(jí)離心式高溫水源熱泵設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

雙級(jí)離心式高溫水源熱泵設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

                                   諸琛

              (江森自控樓宇設(shè)備科技（無錫）有限公司，無錫214028)

    摘要：本文介紹了雙級(jí)離心式高溫?zé)岜玫脑O(shè)計(jì)過程和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過理論計(jì)算及系統(tǒng)流程分析，推導(dǎo)出可實(shí)現(xiàn)77℃高溫出水的大容量雙級(jí)離心系統(tǒng)。并結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)雙級(jí)離心高溫?zé)岜梅桨缸鼋?jīng)濟(jì)性評(píng)估。指出在應(yīng)用雙級(jí)離心式高溫?zé)岜弥评涔釙r(shí)，不僅節(jié)約能源，降低運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)環(huán)境保護(hù)也有著積極的推動(dòng)作用。

    關(guān)鍵詞：高溫?zé)岜?nbsp;  雙級(jí)壓縮   廢熱回收   節(jié)能減排   熱電聯(lián)產(chǎn)

    日常的生產(chǎn)生活中，我們常需要大量75℃左右甚至更高溫度如85℃的熱水，如：暖氣片供暖，醫(yī)院醫(yī)用熱水，工業(yè)廢水余熱回收，石油工業(yè)中對(duì)油氣的加溫降粘等。一直以來，我們主要是通過鍋爐來獲得高溫?zé)崴?。隨著人們對(duì)能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)問題的日益關(guān)注，研發(fā)更高效節(jié)能并符合可持續(xù)發(fā)展的供熱技術(shù)得到國內(nèi)外的關(guān)注。高溫水源熱泵技術(shù)是近十幾年來國外大力推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，近幾年在國內(nèi)也得到了廣泛重視。它可以在城市供熱管網(wǎng)中部分替代電熱或燃煤鍋爐；可以用于電廠廢水，城市污水，石油化工等場(chǎng)合的余熱回收；可以直接用江水源，海水源及土壤源做制熱或熱回收。用高溫水（地）源熱泵提供熱水，一方面可以緩解我國過于依賴煤炭的能源形式；另一方面可以解決地?zé)嵛菜?、工業(yè)廢水直接排放所造成的環(huán)境熱污染等問題；并可取得顯著的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；可避免燃煤、燃油鍋爐產(chǎn)生的廢氣、廢渣對(duì)周邊環(huán)境的污染；

    目前國內(nèi)外針對(duì)55℃及以下的水源熱泵技術(shù)已很成熟，有多類產(chǎn)品可以選擇；但對(duì)水溫大于75℃、制熱量大于1000kW的高溫水（地）源熱泵的研究還是空白。本研究通過理論計(jì)算并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例分析，提出了雙級(jí)離心式高溫?zé)岜媒鉀Q方案，該方案實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的最大制熱量約為13000kW，最高出水溫度達(dá)到77℃的目的。

    1·雙級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算

    1.1雙級(jí)系統(tǒng)概念提出

    離心壓縮機(jī)是一種定壓頭，變流量的速度型壓縮機(jī)，靠電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提升制冷劑氣體速度，通過擴(kuò)壓室，在其中完成動(dòng)能向壓能的轉(zhuǎn)化。提供的壓頭是由離心機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速來決定的。把氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓周速度tV，徑向速度rV，絕對(duì)速度V繪制成一個(gè)速度三角形，當(dāng)氣體從徑向進(jìn)氣時(shí)，由歐拉方程得出：

              

    壓頭系數(shù)是衡量壓縮機(jī)能量頭達(dá)到最大值2tV的程度，vttφ=VV；由能量頭公式可以得出結(jié)論，離心壓縮機(jī)能提供的壓頭與葉輪轉(zhuǎn)速的平方成正比。但是，隨著轉(zhuǎn)速的提高，葉輪的強(qiáng)度及葉輪直徑設(shè)計(jì)無法匹配過高的轉(zhuǎn)速。目前，采用普通合金鋼制造的閉式葉輪，其圓周轉(zhuǎn)速一般小于300m/s。其提供的最大能量頭通常不大于39℃溫差。

    一旦外界系統(tǒng)的壓頭大于壓縮機(jī)本身能提供的最大壓頭，離心壓縮機(jī)就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。此時(shí)壓縮機(jī)的氣體無法被壓出，在葉輪內(nèi)造成渦流，此時(shí)冷凝器中的高壓氣體會(huì)倒流進(jìn)葉輪，使壓縮機(jī)內(nèi)的氣體在瞬間增加，氣體被排出，待壓縮機(jī)內(nèi)部壓力下降后氣體又會(huì)倒流進(jìn)葉輪，如此往復(fù)循環(huán)。喘振會(huì)對(duì)離心壓縮機(jī)造成極大的危害。這也是單級(jí)壓縮離心機(jī)組無法提供39℃以上壓頭的原因。

                 

    對(duì)于諸如高溫?zé)岜眠@類高壓頭的場(chǎng)合，需要采用雙級(jí)或多級(jí)壓縮來保證壓縮機(jī)提供更高的壓頭，雙級(jí)壓縮示意圖如圖1所示。雙級(jí)壓縮實(shí)際上是分兩次來完成制冷劑提速再升壓的接力過程。雙級(jí)壓縮可以在壓縮機(jī)內(nèi)通過多級(jí)葉輪實(shí)現(xiàn)，也可以利用兩個(gè)單級(jí)葉輪壓縮機(jī)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)；兩種方案各有優(yōu)劣，比較見表1。由于單級(jí)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于成熟設(shè)計(jì)，現(xiàn)在大多是選用單級(jí)壓縮機(jī)組合成雙級(jí)壓縮制冷機(jī)，而不針對(duì)雙級(jí)壓縮制冷的要求設(shè)計(jì)和生產(chǎn)多級(jí)壓縮機(jī)。

                 

    雙級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)利用離心壓縮機(jī)縱向的疊加，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)最高出水77℃左右的應(yīng)用，大大擴(kuò)展了離心機(jī)應(yīng)用范圍。由于系統(tǒng)容量與單級(jí)系統(tǒng)基本一致，可通過串聯(lián)兩個(gè)3000TR的單級(jí)離心壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)最大13000kw左右的制熱量。系統(tǒng)中主要部件大部分可以利用單級(jí)系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，如壓縮機(jī)、電機(jī)、容器等。雙級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要集中在：中間溫度的確定；高低壓段壓縮機(jī)、電機(jī)容量的選擇等。

    1.2雙級(jí)系統(tǒng)壓縮機(jī)的選擇及中間溫度的確定

    對(duì)雙級(jí)系統(tǒng)來講，壓縮機(jī)和中間溫度直接決定了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的效率。對(duì)已給定的工質(zhì)和制冷量，已知的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,可以計(jì)算出壓縮機(jī)的吸排氣量及所需壓頭。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，需要做出一些假設(shè)：壓縮過程為多變壓縮過程；且多變壓縮指數(shù)保持不變；吸排氣口不存在管路壓降；潤滑油和制冷劑特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響。雙級(jí)壓縮循環(huán)P-H圖如圖2所示。

               

    由于理想壓縮過程中不存在工質(zhì)損失，即吸氣口質(zhì)量流量與排氣口質(zhì)量流量相等，則低壓段壓縮需要耗功：

    P3=M3×(h3-h2)（2-5）

    進(jìn)一步求出低壓段壓縮機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速來尋找相匹配的壓縮機(jī)和電機(jī)：

    式中：ω——壓縮機(jī)葉輪角速度；

    根據(jù)計(jì)算得到的功率，轉(zhuǎn)速，排氣量確定低壓段壓縮機(jī)及電機(jī)；

    同理，根據(jù)壓焓圖，為了求出高壓段壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，需要先得出中冷補(bǔ)氣口流量。由熱平衡關(guān)系，求出圖中點(diǎn)6的干度6X：

               

               

    由以上推算過程可以看出，在蒸發(fā)壓力和冷凝壓力已給定的情況下，系統(tǒng)循環(huán)效率不僅與所選壓縮機(jī)的水力效率、轉(zhuǎn)速有關(guān)，而中間溫度的選取也在一定程度上影響的最終結(jié)果，圖3給出了某個(gè)應(yīng)用實(shí)例中使用R134a工質(zhì)時(shí)在不同的壓縮比（即中間溫度）和轉(zhuǎn)速下效率的變化圖，這種非線性的變化率決定了在雙級(jí)系統(tǒng)中需要反復(fù)計(jì)算來確定最優(yōu)方案。因而合理地確定中間壓力（中間溫度）是壓縮機(jī)計(jì)算過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在沒有ξ=f(Tm)函數(shù)曲線情況下，最優(yōu)中間溫度通過反復(fù)估算來確定。雙級(jí)系統(tǒng)為了兩級(jí)的匹配和平衡，一般高低壓級(jí)壓縮機(jī)的壓縮比相近。我們可以通過蒸發(fā)冷凝壓力的比例中項(xiàng)原則先選取一個(gè)中間壓力（溫度），并根據(jù)最優(yōu)制冷系數(shù)的原則去選取。首先根據(jù)確定的蒸發(fā)壓力eP和冷凝壓力cP，按取一個(gè)中間壓力近似值；之后在該中間壓力所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間附近選取若干各中間溫度mT；對(duì)應(yīng)每一個(gè)mT，求得該中間溫度mT下所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能效比ξ；繪制()mξ=fT函數(shù)曲線，在曲線上找到maxξ值，由該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的中間溫度即為最優(yōu)。最后將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中間壓力，再通過上述步驟推算確定整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)參數(shù)并確定壓縮機(jī)和電機(jī)的選型。

    2·雙級(jí)離心熱泵系統(tǒng)分析

    2.1系統(tǒng)流程及控制

    為了簡(jiǎn)化控制，雙級(jí)系統(tǒng)的運(yùn)行遵循低壓級(jí)優(yōu)先的原則，高壓級(jí)壓縮機(jī)的開關(guān)邏輯將以系統(tǒng)壓頭作為觸發(fā)。見圖4，在夏季制冷或蓄冰工況，通常外界的壓頭都在39℃以內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及控制模式可與單級(jí)制冷系統(tǒng)完全相同，制冷劑經(jīng)過低壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)冷凝器冷凝，節(jié)流閥節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器與載冷劑換熱后回到壓縮機(jī)吸氣口；而高壓段壓縮機(jī)及電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)；在制熱工況，外界壓頭大于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的壓頭時(shí)，高壓級(jí)壓縮機(jī)將開始運(yùn)行，此時(shí)氣態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器中被吸入到低壓段壓縮機(jī)中，葉輪將其加速，制冷劑氣體的溫度與壓力相應(yīng)提高；從低壓段壓縮機(jī)出來的氣態(tài)制冷劑和來自中間冷卻器閃發(fā)的氣態(tài)制冷劑相混合后進(jìn)入到高壓段壓縮機(jī)中。

    系統(tǒng)容量的控制主要通過壓縮機(jī)入口處導(dǎo)流葉片來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)流葉片與出水溫度目標(biāo)值實(shí)現(xiàn)連鎖。當(dāng)兩級(jí)壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，高壓段導(dǎo)葉可按照設(shè)定值保持與低壓段導(dǎo)葉存在一定的開度差，從而實(shí)現(xiàn)高低壓級(jí)壓縮機(jī)導(dǎo)流葉片的聯(lián)動(dòng)。

               

    由于系統(tǒng)在高低壓級(jí)壓縮機(jī)間設(shè)計(jì)了一個(gè)閃發(fā)式中冷器，利用制冷劑自身節(jié)流蒸發(fā)吸收熱量從而使進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑得到更低的溫度，同時(shí)起到了冷卻低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度的作用，防止低壓級(jí)排氣到高壓級(jí)吸氣時(shí)有過高的溫度和過熱度。從中冷器出來的飽和液體經(jīng)過二次節(jié)流降壓，進(jìn)入蒸發(fā)器換熱蒸發(fā)并回到低壓段壓縮機(jī)吸氣口。雙級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)于單級(jí)，中冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一。

    2.2中冷器計(jì)算

    中間冷卻器是提升雙級(jí)系統(tǒng)效率必不可少的部件。從1.2章節(jié)的計(jì)算可以看出，系統(tǒng)中設(shè)置了中間冷卻器，單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量將增加（6h-7h）。而閃發(fā)式中間冷卻器，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)氣液分離的容器。無論是臥式還是立式，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮有足夠的氣液分離的空間，對(duì)分離精度要求較高的，可在氣液分離區(qū)安置擋液濾網(wǎng)。中冷器大小的設(shè)計(jì)原則有兩個(gè)：一是要保證液體所需要的體積；二是氣體的允許速度。體積要滿足蒸發(fā)器液體量的波動(dòng)和系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)造成的回氣管的多余量。它也要保證能夠包容儲(chǔ)液器由于溫度或壓力下降造成的液體溢出和泡沫。同時(shí)，系統(tǒng)要提供一個(gè)足夠的分離空間，使得氣體的速度下降到在吸氣出口處沒有液滴為止?？臻g限制和設(shè)計(jì)有多種的結(jié)構(gòu)變化，如圖5所示，以立式中冷為例。

              

    首先需要確定中冷器流量，由1.2節(jié)中可以得到中冷器補(bǔ)氣口流量。為了達(dá)到較好的氣液分離效果，擋液濾網(wǎng)中得流速不宜過高，其最大流速meshV可按，

               

    其中k通常取在80%左右。

    有了最小濾網(wǎng)面積，就可以進(jìn)一步求出中冷器的最小筒徑IDSmin：

               

    式中：R——濾網(wǎng)末端與中冷筒壁間距；其中R為擋液濾網(wǎng)末端離中冷筒壁間距離。立式中冷器應(yīng)能夠容納至少20秒的蒸發(fā)器供液量，根據(jù)先前的到的最小截面積和筒徑，就可以得到容積內(nèi)液位，即操作液位。報(bào)警液位在操作液位的基礎(chǔ)上加1分鐘的供液量，停機(jī)液位在報(bào)警液位的基礎(chǔ)上在加上1分鐘供液量；那么中冷器總高度為：

               

    式中：Hs——停機(jī)液位高度；

    Hc——封頭高度；

    對(duì)中冷器進(jìn)出口管徑的計(jì)算，可以通過先假設(shè)一個(gè)管徑，然后根據(jù)流量求出管內(nèi)流速，用校核流速的方式來校核之前假設(shè)的管徑是否負(fù)荷要求。

                

    式中：Mx——對(duì)應(yīng)點(diǎn)的質(zhì)量流量；

    Vx——對(duì)應(yīng)點(diǎn)的管內(nèi)流速；

    P-h圖中點(diǎn)6中冷器進(jìn)液口，點(diǎn)7中冷器出液口及點(diǎn)8吸氣口需要校核管徑Rx。

    2.3冷凝溫度對(duì)雙級(jí)系統(tǒng)的影響

    高溫?zé)岜迷谥茻峁r必定伴隨著較高的冷凝溫度及較大的系統(tǒng)壓差。為了保證雙級(jí)系統(tǒng)在較高的冷凝溫度下平穩(wěn)運(yùn)行，宜選擇工作壓力較低的工質(zhì)，如R134a，壓縮機(jī)和冷凝器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮較高的承壓。為了順利實(shí)現(xiàn)單級(jí)雙級(jí)運(yùn)行的切換，需要在高低壓級(jí)排氣口各設(shè)置一個(gè)單向閥。系統(tǒng)在制熱狀態(tài)運(yùn)行由于存在較大的壓差，同時(shí)離心壓縮機(jī)具有喘振的固有特性，需要在冷凝器和蒸發(fā)器間設(shè)置一路熱氣旁通來避免喘振，見圖7。由逆卡諾循環(huán)的原理可知，在熱源溫度不變的條件下，冷凝溫度的提高不可避免地帶來系統(tǒng)效率地衰減。（基于熱源為6℃）。但在同等工況下雙級(jí)離心水源熱泵的效率優(yōu)于氣源熱泵，鍋爐等。

                 

    3·應(yīng)用案例分析

    以50萬KW發(fā)電能力的中型電廠為例，在冬季，汽輪機(jī)組每小時(shí)通過從中壓側(cè)抽出約50噸的中壓蒸汽，與市政供熱管網(wǎng)的回水進(jìn)行換熱，通過釋放蒸汽潛熱，將10000立方米65℃回水加熱至85℃，供給約500萬平米建筑面積的供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。見圖8，其中驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)之后的乏汽通過凝汽器（汽水換熱器），中壓蒸汽在經(jīng)過換熱器與供熱管網(wǎng)回水熱交換后成為冷凝水，一起進(jìn)入鍋爐加熱實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)。其中冷卻塔帶走了大量低品位熱能，造成了巨大的熱能浪費(fèi)。

                  

    改造方案如下：

    a)在系統(tǒng)中增加雙級(jí)離心式高溫水（地）源熱泵，將冷卻塔20℃的低品位熱能，用于提升供暖管網(wǎng)中熱水溫度；

    b)將水源熱泵熱源測(cè)（即蒸發(fā)器側(cè)）作為原冷卻塔進(jìn)出水側(cè)，利用熱源測(cè)吸收凝汽器中乏汽的熱量；

    c)供暖管網(wǎng)進(jìn)入雙級(jí)離心式熱泵加熱至75℃后在進(jìn)入汽水換熱器與汽輪機(jī)側(cè)的中壓蒸汽換熱，加熱至85℃出水；

    d)通過供熱量計(jì)算，需選取10臺(tái)供熱量在12000 kW左右的熱泵，其制熱性能系數(shù)保守估為3.6；

    10000×100×10×4.2/3600=11667

    改造后的系統(tǒng)流程見圖9，

               

    系統(tǒng)經(jīng)改造后，在汽輪機(jī)輸出蒸汽量不變的前提下，理論上可將原供暖面積提升一倍。具體經(jīng)濟(jì)性分析及其環(huán)境評(píng)估如下：

    初期需要投資10臺(tái)雙級(jí)離心式水源機(jī)組及若干改造工程，評(píng)估如下：

               

    由于增設(shè)了水源熱泵機(jī)組，整個(gè)冬季系統(tǒng)運(yùn)行額外增加的費(fèi)用為：

               

    采暖季按120天，用電單價(jià)按0.5元/千瓦時(shí)計(jì)算，則總運(yùn)行費(fèi)用將為

    3,347×10×120×24×0.5=48,196,800元

    冬季額外增加500萬平米的供暖區(qū)域，按20元/平米的供暖費(fèi)用計(jì)算，供暖可增加額外收益20×5,000,000=1000,000,000元由于關(guān)閉了冷卻塔（此處節(jié)省的費(fèi)用忽略不計(jì)），原冷卻水系統(tǒng)由開式循環(huán)變更為閉式循環(huán)，杜絕了冷卻水蒸發(fā)而流失；每天可以減少近20000立方米水的蒸發(fā)流失；整個(gè)采暖季節(jié)按120天，工業(yè)用水按4.6元/噸計(jì)算：

    20,000×120×4.6=11,040,000元

    而如此重大的節(jié)水工程給在諸多缺水的北方城市帶來的意義遠(yuǎn)不止一千萬；綜合上述計(jì)算結(jié)果，基本可以看出通過改造方案以后一年內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)利益約為：

    +100000000+11040000-48196800=62843200   結(jié)合初期投資計(jì)算結(jié)果，僅第一年運(yùn)行就能完全收回初期投入成本并實(shí)現(xiàn)盈利；

    水源熱泵機(jī)組還可以在夏季提供供冷，實(shí)現(xiàn)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，可節(jié)省約24元/平米的制冷投資；此處不再計(jì)算夏季供冷收益；

    如將每小時(shí)水源熱泵產(chǎn)熱量折算成燃煤，燃煤燃燒值按29400kJ/kg、鍋爐效率按70％計(jì)算，則可折合燃煤

             

    20,408×24×120=58,775噸/年

    基于以上計(jì)算的耗煤總量，標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳量為84％，那么燃燒這些煤將排放的二氧化碳總量達(dá)：

    58,775×0.84×44/12=181,027噸

    可以看出，通過雙級(jí)離心式高溫水源方案的改造，不僅帶來直接經(jīng)濟(jì)利益，每年還將減少近20萬噸的溫室氣體排放。另外，其他的一些污染物，如二氧化硫、氮氧化物、固體飛塵、煤渣的排放也將因此減少。此處不再考慮由環(huán)境污染帶來的一些附加成本及隱性投資。通過上述案例，雙級(jí)離心式高溫水（地）源熱泵作為一種該電廠冷卻水余熱回收的方案，帶來的效益可歸結(jié)如下：

               

    4·結(jié)論

    通過單級(jí)離心壓縮機(jī)的串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)壓頭的縱向疊加來實(shí)現(xiàn)70℃以上的高溫?zé)崴?，擴(kuò)展離心機(jī)的應(yīng)用范圍，并填補(bǔ)大容量高溫水源熱泵領(lǐng)域的空白。

    雙級(jí)高溫離心熱泵設(shè)計(jì)應(yīng)注意合適的中間溫度選取，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷及壓頭計(jì)算壓縮機(jī)輸氣量選擇合適的高低壓段壓縮機(jī)，中冷器選型的關(guān)鍵是氣液分離高度及濾網(wǎng)面積的計(jì)算；

    雙級(jí)離心高溫水熱泵對(duì)目前國家推廣的熱電聯(lián)產(chǎn)戰(zhàn)略是一個(gè)積極的推進(jìn)和有益的補(bǔ)充，通過增加熱泵，可大大提高電廠轉(zhuǎn)換效率，緩解城市供暖壓力，節(jié)約水資源并實(shí)現(xiàn)熱電冷三聯(lián)產(chǎn)；

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