可調節熱泵在工業套用的研究

《可調節熱泵在工業套用的研究》是介紹可調式蒸汽噴射熱泵套用的理論。

基本介紹

• 中文名：可調節熱泵在工業套用的研究
• 適用行業：工業

簡介

構造特點本文專門介紹可調式蒸汽噴射熱泵的研究成果。分析可調式熱泵和常規熱泵的構造特點，介紹了採用可調式熱泵供熱系統改造國外引進裝置的熱力流程和採用可調式熱泵供熱系統用於大型紙機的乾燥部替代常規熱泵供熱運行的實例。

可調式蒸汽噴射熱泵可以廣泛的用於供熱系統和工藝流程中，替代傳統的常規供熱系統，替代蒸汽節流減壓回收廢熱蒸汽，最佳化換熱網路，使蒸汽熱能數量和品位都得到充分合理的利用。

構造特點

一、蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵或稱為蒸汽壓縮機，它利用熱電站或鍋爐供出高品位蒸汽和熱用戶用汽壓力差轉換的能量作為熱泵的工作動力，將低品位蒸汽增壓提高能量品位後，一併供給熱用戶用汽。各種噴射式熱泵均由引射室、噴嘴、混合室及擴壓器構成，按蒸汽噴射式熱泵調節控制方式可以分為兩種類型。

(一) 蒸汽質量調節熱泵

採用調節閥調節熱泵入口新蒸汽的壓力和流量，通過改變工作蒸汽的質量即能量品位的方式，來滿足熱用戶用汽參數要求，稱為蒸汽質量調節熱泵，其熱泵本身不帶調節裝置，通常習慣也稱為不可調式熱泵（見圖1）。

圖1 不可調節熱泵

質量調節熱泵用於供熱系統中，當熱用戶用汽工況和新蒸汽參數發生變化時，由於蒸汽調節閥開度變化，就會相應改變進入熱泵的工作蒸汽壓力，從而改變了熱泵進口新蒸汽做功的能力。特別是當熱用戶用汽負荷減少，蒸汽調節閥開度將減小，進入熱泵的新蒸汽壓力亦降低，新蒸汽和熱用戶用汽壓力差隨之減少，新蒸汽做功能力降低，致使熱泵工作效率明顯降低。

通常認為蒸汽質量調節熱泵適合用於工作蒸汽及熱用戶用汽工況相對穩定、用汽性質並非敏感的場合。

（二） 蒸汽流量調節熱泵

圖2 可調式熱泵

在熱泵進口工作蒸汽乾管上不設定調節閥，而由熱泵本體配置調節閥門及調節機構稱為蒸汽流量調節熱泵，通常稱為可調式熱泵。

當熱用戶用汽工況和新蒸汽參數發生變化時，通過熱泵自身調節機構調節通過蒸汽的噴嘴有效斷面積，通過改變新蒸汽流量來滿足熱用戶用汽參數要求。這種型式熱泵在運行工況調節過程中，熱泵入口新蒸汽壓力不變，即新蒸汽單位流量做功能力不變，只是改變了通過噴嘴的蒸汽流量，熱泵的調節性能好、效率高。（見圖2）。

蒸汽流量調節熱泵適合於熱用戶用汽工況和新蒸汽參數變化及各種可變的工藝條件下套用。

二、套用實例

（一）蒸發塔釜熱泵供熱

1、蒸氨塔釜供熱流程

某化工生產裝置全部工藝設備及工藝流程均從國外引進，其中蒸氨工段的蒸氨塔釜直接通入P=0.7MPa, t=2100C的過熱蒸汽用於塔釜直接加熱，塔釜壓力為0.039MPa ,t=1080C。由塔釜排出溫度t=1080C汽水混合物進入汽水分離罐。

蒸氨塔釜採用P=0.7MPa, t=2100C的過熱蒸汽加熱氨的水溶液，實質上只利用了蒸汽汽化潛熱和新蒸汽同塔釜用汽參數的蒸汽焓降，由於供給的新蒸汽及塔釜用汽兩者能級相差較大，則新蒸汽和用汽能量的品位沒有得到合理匹配，新蒸汽能量品位產生了無效貶值，即新蒸汽產生了有效能損失，同時實測數據說明：由蒸氨塔釜排出的含氨汽水混合物夾帶著蒸汽，其含汽量約為10~15%，又造成了用能數量上的浪費。

根據蒸汽有效能的表達式計算得出：P=0.7MPa, t=2100C和P=0.039MPa, t=1080C乾蒸汽有效能，分別為e1 = 851.594 kJ/kg和e2 = 567.089 kJ/kg，新蒸汽在加熱過程中，有效能損失△e=e1-e2=284.505 kJ/kg，其損失率為△e / e1=284.505/851.594=33.41%。

通過上述分析得出，新蒸汽和塔釜用蒸汽的差值，即為理論計算熱泵做功的動力，其含氨廢水兩相流中含汽量即為理論計算熱泵供熱的餘熱資源。

1、蒸氨塔釜熱泵供熱系統

利用新蒸汽和塔釜蒸汽有效能的能級差做為熱泵的動力，回收塔釜排出的含氨汽水混合物中分離出的二次蒸發汽，利用熱泵將其增壓後，一併供給塔釜加熱用汽，熱泵供熱系統流程請見圖3。

由蒸氨塔101排出的含氨廢水進入汽水分離罐102，含氨廢水通過專門設計的分離板103進行擴容閃蒸，產生二次蒸發汽，由熱泵104將其增壓後一併供塔釜加熱用汽。

可調式熱泵是其關鍵設備，其控制方式，設備特性說明如下：

（1）控制方式

由蒸氨塔釜的工藝用汽量FICQ-101通過熱泵本身的調節裝置控制熱泵HP-104的供汽壓力和供汽量，滿足工藝生產負荷和用汽工況的變化。

（2）設備特性

按其熱力工況參數本台熱泵採用縮擴型噴嘴，圓柱型混合管。

按熱泵設計工況的供汽量、供汽壓力及蒸汽絕熱指數、蒸汽臨界速度、氣體動力函式等，通過計算和工程試驗數據對比分析，得出熱泵噴嘴喉部直徑dpx和熱泵引射係數μ。

熱泵的引射係數μ即1kg新蒸汽引射二次蒸發汽的流量比值，即熱泵供熱系統的節能能力。該熱泵供熱系統設計工況的節能效果為15%，熱泵引射係數的設計值μ＞0.1765。

（二）紙機乾燥部熱泵供熱系統

我們完成的造紙機乾燥部熱泵供熱系統替代傳統的三段通汽研究成果榮獲中國輕工業科技進步二等獎，已在全國造紙行業得到廣泛推廣套用。

造紙機乾燥部熱泵供熱系統以高品位蒸汽做為熱泵的動力，推動熱力系統循環。通過熱泵將各段汽水分離罐產生的二次蒸發汽增壓後供紙機相應各段烘缸用汽，同時降低了各段烘缸汽水分離罐壓力，保證了烘缸排水壓差。但是高效的熱泵供熱系統，必須充分發揮新蒸汽作功能力，適應紙機各種生產負荷變化，滿足紙機車速、產量及產品克重變化對於負荷變化的要求。採用可調式熱泵替代不可調式熱泵用於紙乾燥部可以穩定的保證熱泵高效運行,克服不可調式熱泵由於工況變化,在負荷調節過程中,降低新蒸汽壓力導致工作蒸汽作功能力降低,蒸汽作功能力不足的缺點。

1、可調式熱泵用於紙機乾燥部

（1）現狀

某廠大型箱板紙機參數如下：

定 量 125～340g/m2

紙 種 牛皮箱板紙

設計最高車速 520m/min

產 量 550t/d（24h，當前日均產量）

烘 缸 直 徑 φ1800

烘 缸 數 量 61隻 （含冷缸一隻）

採用可調式熱泵供熱系統用於紙機乾燥部，其熱力流程見圖4。

（2）效益

在本台紙機乾燥部採用可調式蒸汽噴射式熱泵替代原不可調式熱泵，進一步提高了紙機車速，增加產量，降低汽耗。運行數據已經證明完成本頂目改造後，紙機產量提高了15－20%,噸紙汽耗降低了10%，列舉數據說明如下：

序號	產品克重	紙機車速 (m/min)	提高比例%		備註
-	-	-	技術改造前	技術改造後	-
1	200g/m2	480	520*	1.08*	-
2	230g/m2	430	500	1.16	-
3	250	380	460	1.21	-

* 由於本台紙機設計最高車速為520m/min，限制了200g/m2以下低克重產品產量提高。

（三）前景

蒸汽噴射式熱泵沒有運轉部件，運行可靠。克服了電能驅動的熱泵機械壓縮機密封系統複雜、設備投資大等缺點。特別是由於可調式熱泵可以充分的發揮高品位蒸汽的作功能力和熱力系統工況發生變化，並不改變新蒸汽作功能力，熱泵具有熱效率高的優點，它可以廣泛的用於蒸發蒸餾以及作為熱力壓縮機、引射式蒸汽減壓器和工業企業供熱，蒸發及餘熱回收系統中。

國外引進的大型化工裝置中，較為普遍的採用工業透平實現熱能的梯級利用。蒸汽噴射式熱泵特別是流量調節熱泵，做為高效節能設備和能量品位、數量轉換手段，可以靈活地實現能級的梯級利用和能量平衡。

我們專門研究的可調式蒸汽噴射熱泵及其系列產品，已經成功的用於化工、輕工、造紙等很多行業，為節能及熱力系統最佳化開闢出一條新路。