热泵技术及其在工业节能中的应用概要Word格式文档下载.docx

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Δex=ex2+ew+Δex（1-4）

火用效率表示传热设备的能量在数量上和质量上利用的完善程度，对于减压器，则表示流出的火用占流入的火用比值。

（1-5）

热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换。

热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低。

应该避免在能量转换过程中有效能的无效贬值，即减少能量转换过程中的不可逆过程。

在实际能量转换过程中，火用只会减少，不会守恒。

1.2常规热力系统蒸汽节流减压的能量损失

蒸汽减压方法可以分为三类：

节流式减压是典型的不可逆过程;

回转式减压即利用汽轮机将蒸汽减压的能量差转换为机械功，热电厂的汽轮发电

机组运行属于回转式减压。

引射式减压即利用蒸汽喷射式热泵进行减压，在蒸汽减压过程中，将废热蒸汽增压后，使其一并

供给加热设备用汽。

引射式减压可以向热用户提供介于工作流

体和被引射流体两种流体不同压力中间任何一种所需要的压力

等级蒸汽。

采用阀门利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一

律称为蒸汽节流减压，它是对外界不作功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。

采用阀门及利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它是对外界不做功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。

（见图1-1）

假定蒸汽节流减压在绝热状态下进行，为了导出绝热节流减压的能量方式，首先列出流入系统1Kg流体稳定流动的能量方程式：

（1-6）

绝热节流的热力过程具有以下特点，热力系统同环境间用绝热壁包围，热流q=0，节流前后适当距离处截面速度基本不变，并且它的动能和焓值相比甚小，所以速度平方差可以忽略不计，即：

。

由此得出蒸汽节流减压过程的能量方程式：

h2=h1（1-7）

从热力学第一定律热效率观点分析，蒸汽节流减压前后焓值相等即h2=h1,反应不出能量的损失。

但是，熵的增加反映了在孤立的热力系统中，能量产生变质，转变为可用功的能力减少了，无疑这是能量的无效贬值和用能的浪费。

蒸汽节流减前后的损失，可以表达为：

ex1-ex2＝T0（（s2-s1）（1-8）

根据火用效率的定义：

（1-9）

以下用计算对比说明，将P1＝0.80MPa,t1＝210℃蒸汽减压到P2＝0.20MPa，采用蒸汽节流减压和热泵供热有效能火用值的变化。

根据计算得出：

P1＝0.8MPa,t1＝210℃工作蒸汽的火用为864.57KJ/Kg,用上述参数蒸汽作为热泵的工作动力将P2＝0.03MPa的二次蒸发汽增压至P3＝0.20MPa,采用热泵供热和蒸汽节流减压的两种方式，其火用值所占比例的变化比较见图1-2。

从图1-2中可以看出，由于低于热用户能量品味低温热流如热力系统中，部分排弃的火用转变为有效火用。

蒸汽喷射式热泵替代节流式减压还有利于热力系统能级的匹配，有利于建立合理的用热网络。

蒸汽节流减压仍然是目前各工业企业普遍采用的调节蒸汽压力的方法，通过减压阀将高品味蒸汽节流减压得到所需要的用汽参数。

由热力系统排放出的蒸汽冷凝水夹带大量二次蒸发汽，造成能量浪费，这是一种常规的传统供热模式。

应该建立新的热泵供热系统替代上述传统供热模式，在工业生产中充分利用能量，降低成本，发展生产，保护环境。

1.3疏水系统产生的能量损失

蒸汽在换热器中加热无聊后，大量蒸汽冷凝水的显热，二次蒸发汽及疏水器漏损蒸汽的潜热，在常规热力系统中，经常没有得到回收利用，致使蒸汽能量产生有形损失。

蒸汽冷凝水的余热损失ΔQK为：

ΔQK=

（1-10）

公式中：

GK–排出冷凝水的流量kg/h

XS–疏水器的漏气率％

r1–换热器工作压力下蒸汽的汽化潜热kJ/kg

XT–产生二次蒸发汽的比例%

r2–二次蒸发汽的汽化潜热kJ/kg

iK–排出的冷凝水焓值kJ/kg

蒸汽冷凝水系统产生的有效能损失Δe为：

Δe=Δe1+Δe2+Δe3（1-11）

式中Δe1、Δe2、Δe3分别表示排出的冷凝水，疏水器漏气及二次蒸发汽的有效能。

另外，在工业生产过程中产生的低品位付产蒸汽由于其压力低、品位不相匹配排放到环境中，同样是用能的浪费。

2、蒸汽喷射式热泵

2.1热泵的原理

蒸汽喷射式热泵或称热能压缩机，它利用热电站或锅炉供出蒸汽压力和工艺设备用汽的能量品位差转换为热泵的动力。

其工作能力即供出的蒸汽压力、抽吸二次蒸发汽的能力和消耗的新蒸汽量等均同工作蒸汽的膨胀比和被抽蒸汽的压缩比密切相关。

2.2热泵分类

蒸汽喷射式热泵按其调节控制方式可以分为两种类型：

2.2.1蒸汽质量调节热泵（见图2-1）

图2-1不可调节式热泵

习惯将其称为不可调节热泵，其工况变化通过调节热泵入口新蒸汽的压力和流量来实现，而热泵本身不带调节装置，因此通常称为不可调节热泵。

一般热泵即不可调式热泵，当生产运行工况（即用汽压力和流量）发生变化，则需要调节热泵进口工作蒸汽干管上蒸汽调节阀。

在调节过程中，由于蒸汽调节阀开度变化，就会改变和降低进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变了工作蒸汽的膨胀比及热泵进口新蒸汽做功的能力，将明显影响热泵工作效率。

调节阀开度减少，流通阻力增大，调节阀后的蒸汽压力降低，即降低了热泵工作效率。

这是不可调节热泵共性缺点和不足，不可克服。

我们专门设计的质量调节热泵特点如下；

●按不同热用户特点、不同的新蒸汽压力，专门设计热泵使其高效率运行。

●热泵本体设计采用流线型通道，流体阻力小，热泵效率高。

●喷咀关键部件均采用专门工艺加工成形，运转耐久可靠。

●热泵及热泵系统产品，列入国家重点新产品和国家级科技成果推广计划。

●采用高新技术设计，其研究成果评为国家科学技术进步三等奖，中国轻工业科技进步二等奖，国家环保科技进步二等奖，天津市科技进步一等奖及黑龙江省重大效益奖等。

2.2.2蒸汽流量调节热泵（见图2-2）（专利号：

ZL2006200735598）

图2-2可调式热泵

流量调节热泵通常称为可调节热泵，在热泵进口工作蒸汽干管上不需设置调节阀，热泵本身配置调节机构和喷嘴调节针芯等，当热力系统运行工况发生变化时，通过热泵自身调节机构调节和改变喷嘴通过蒸汽的有效断面积。

在调节过程中它不会改变新蒸汽压力，使其在适应各种运行工况变化的调节过程中，只需调节喷嘴的有效断面积，通过热泵喷嘴工作蒸汽压力保持不变，其单位流量新蒸汽做功能力不会改变。

在各种生产运行变工况条件下可调节热泵均可高效运行。

可调式热泵本身配有调节机构、阀门定位器及调节针芯等，关键部位均采用不锈钢材质，喷镀特殊耐磨金属材料，通过改变热泵的喷嘴有效断面实现热泵工况（即供汽压力、供汽负荷）调节。

在热泵调节过程中，热泵入口新蒸汽压力均不变，即热泵的作功能力不变，调节性能好、热泵效率高。

专门设计的可调节热泵可以按各种装置工艺特点、新蒸汽的压力及能量品位，提供各种高效运转可调式热泵。

特点如下：

●按热力系统的特点、不同的新蒸汽压力专门设计热泵，使其高效运行。

●喷嘴等重要部件采用特殊的硬质合金，耐磨损，耐冲刷。

●紧密结合热力流程工艺特点，严格设计蒸汽冷凝水系统。

●可调式热泵设计采用7项专门的新技术。

●专门设计的可调式热泵，可以用于在各种压力等级蒸汽工况下，均可以保证热泵高效率运行。

2.3热泵的特性参数

2.3.1热泵引射系数μ

热泵是其热泵供热系统的关键设备，热泵引射系数μ表示单位工作流体引射低品位流体的能力，可以通过以下简化的数学表达式，通过计算机计算得出：

μ=

（2-1）

可以采用以下数学表达式计算工作流体的膨胀比E和被引射流体的压缩比K。

Pp/PH=E（2-2）

PC/PH=K（2-3）

其中E值表示工作流体的压力Pp与被引射流体的压力PH的比值，称为工作流体的膨胀比（公式2-2），K值表示混合流体的压力Pc和被引射流体压力PH的比值，称为被引射流体的压缩比（公式2-3），热泵的引射系数μ伴随工作流体膨胀比增大和被引射流体压缩比减小而增大。

则其热泵的引射系数μ为：

μ=（2-4）

蒸汽喷射式热泵用于纸机干燥部，其高品位工作流体及低品位引射流体均为水蒸汽。

工作蒸汽的临界速度αpx同混合流体的临界速度基本相等，用于计算分析热泵引射系数μ的公式（2-4）可以简化为：

μ=0.834

（2-5）

其中，Hp——工作流体从压力Pp到引射流体PH产生的焓降KJ/Kg

HC——引射流体从压力PH到热泵出口混合流体Pc热焓的增值KJ/Kg

2.3.2影响低压蒸汽热泵引射系数μ的相关因素

通过对于上述热泵引射系数数学分析式，可以通过以下热工参数的变化分析低压蒸汽热泵引射系数的相关影响因素。

⑴工作蒸汽流入和流出热泵喷嘴的蒸汽焓差降低，致使热泵引射系数降低。

对比锅炉供汽压力为P1=0.9MPa（饱和蒸汽），热电站汽轮机背压（或抽汽）压力为P1=0.5MPa（通过蒸汽减温后的饱和蒸汽）。

热泵供出压力高温、中温及低温分别为Pc=0.25MPa，Pc=0.12MPa及Pc=0.05MPa三个压力等级蒸汽。

由计算得出，采用P1＝0.9MPa做为热泵的工作流体。

其中热泵出口用汽压力高温、中温、低温如上所述，则其工作蒸汽的焓降Hp分别为1.0、1.48、1.90。

如果采用P1=0.50MPa蒸汽做为工作流体，热泵供出蒸汽压力同上所述，则其工作流体蒸汽的焓降Hp分别为P=0.90MPa做为蒸汽的工作流体焓降的0.58、0.72和0.78倍。

显然，由于工作蒸汽压力降低，则按公式（2-5）计算工作流体焓降减少，采用低压蒸汽作为热泵的工作流体，其热泵引射系数μ将会明显降低。

⑵热泵工作蒸汽的膨胀比降低致使热泵μ值降低

低压工作流体的热泵同高压工作流体热泵相比，其工作蒸汽的膨胀比E明显降低，致使热泵引射系数降低。

以下对比说明工作蒸汽为0.9MPa、0.5MPa对E值的影响。

采用P=0.9MPa和P=0.5MPa作为热泵的工作蒸汽，热泵供出高温、中温及低温蒸汽压力仍同上所述，热泵的工作蒸汽膨胀比E值列表说明如下：

表2-1

Pc=0.25MPa

EⅠKJ/Kg

Pc=0.12MPa

EⅡKJ/Kg

Pc=0.05MPa

EⅢKJ/Kg

P=0.9MPa

3.125

5.263

8.333

P=0.5MPa

1.875

3.158

5.000

E0.5/E0.9

0.600

通过表中数据分析得到，采用P=0.90MPa和P=0.50MPa作为热泵的工作蒸汽，其热泵工作蒸汽膨胀比相比，采用P=0.50MPa蒸汽作为热泵工作蒸汽，其工作蒸汽膨胀比只为前者0.6倍，热泵引射系数μ明显降低。

⑶工作蒸汽有效能降低致使热泵引射系数降低。

通过上述分析：

工作蒸汽流入和流出热泵喷嘴焓差HP降低，工作蒸汽膨胀比降低。

其实质就是进入热泵喷嘴工作蒸汽的有效能火用值的降低，导致热泵的引射系数降低。

通过分析单位工质比火用的表达式得出热力系进出状态1到状态2火用值及其火用值变化的表达式为：

ΔEC=EP1-EP2=（HP1-T0S1）-（HP2-T0S2）（2-6）

可以认为，进出热泵为状态1至状态2。

其工作蒸汽进口及出口火用值变化代表工作流体作出有用功的大小。

由于进入热泵喷嘴工作流体蒸汽压力降低，新蒸汽熵值SP1增大，工作蒸汽的焓降HP降低，热泵供出的混合蒸汽压力蒸汽量及焓值均不改变，工作蒸汽的膨胀比E减少，则其热泵引射系数降低。

取用工作蒸汽压力为P=0.9MPa及P=0.5MPa，热泵作为开口系热力设备，流入为新蒸汽压力HP1，流出压力为热泵出口焓值HP2。

当工作蒸汽压力为0.9MPa及0.5MPa时，工作蒸汽流体可以利用的有效能及其两种工作蒸汽压力的比值列表说明如下：

表2-2

162.322

237.0998

303.058

90.3525

165.1303

231.6885

0.5566

0.6965

0.7625

3.热泵供热系统的基本流程

3.1热泵供热流程

蒸汽喷射式热泵供热系统由喷射式热泵、高效闪蒸罐、

专门设计的压差疏水器和换热器组成。

以下分析一个典型

的石没化工生产实例。

（见图3-1）

在某石油化工联合企业硫铵车间的蒸发工序，采用单效

减压蒸发，以已内酰胺生产的副产硫铵母液为原料，将硫铵

母液浓度由30～33%，浓缩至70%，经过蒸发、结晶、搅拌、

离心分离及干燥得到粒状固体硫铵化肥外销。

生产每吨硫铵

产品需耗用标准煤275.5kg,其中蒸汽占95%，电占3.9%，水

占0.4%.节省蒸汽是该装置节能降耗的重要环节。

在原来生产过程中，采用蒸汽节流减压，加热蒸发及疏水器组成常规的热力系统向硫铵母液蒸发器供热。

由于节流减压造成蒸汽能量贬值和通过疏水器产生大量低品位废热排放于环境中，造成用能的浪费，并对周围环境产热污染和噪声污染。

我们采用热泵供热流程如下：

由外管来的P1=0.88MPa（表压、下同），t1=240℃的工作蒸汽通过蒸汽喷射式热泵吸入高效闪蒸罐产生的二次蒸发汽，将其增压到P2=0.24MPa进入蒸发器加热室,由硫铵蒸发器排出的蒸汽冷凝水经过专门设计的压差排水器进入高效闪蒸罐产生的二次蒸发汽再由蒸汽喷射式热泵进行压缩提高能量品位后供生产使用。

由闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水靠其液位及余压经过物料换热器预热物料，冷凝水降至60℃左右，再由系统中排出。

3.2热泵供热系统的运行及效益

热泵供热系统于1984年9月投入工业生产运行,一直正常运转,取得了明显的技术经济效果其效益如下:

⑴提高了能量利用率,由热泵供热系统排出的蒸汽冷凝水温度只有60℃,其余焓只占蒸汽焓值的8.57%。

⑵提高了蒸汽有效能利用率,通过热泵供热供热系统代替了蒸汽节流减压,蒸汽能量的品位得到了合理的应用。

⑶改善了劳动环境，蒸汽节流减压阀门产生的噪声为104分贝，热泵系统投入运行后降低到74分贝以下，并消除了车间周围环境的热污染。

⑷提高了经济效益，每吨硫铵产品单耗蒸汽由2.34t/t,下降到1.84t/t，产品单耗蒸汽下降了21.4%。

投资回收时间不到半年。

上述热泵供热系统运行实例曾由中国石化总公司推荐参加了国际能源管理及节能技术展览会展出。

并荣获部、省级科技进步奖。

4、热泵供热在工业生产中的应用

4.1废热蒸汽回收及换热网络

4.1.1热力系统运行工况分析

某大型石油化工企业2PE装置在生产过程中耗用P=0.5MPa、1.3MPa、3.0MPa三种压力等级的蒸汽，在化工生产过程中，每小时连续排放低压付生蒸汽约3t/h，排放压力P=0.40-0.55MPa。

2PE装置排放的付生蒸汽通过专门设置的废热蒸汽管线，除采暖季节供给采暖用户外，其它季节均排放到环境中去。

该企业PP装置耗用的P=0.65MPa，t=172℃过热蒸汽，其蒸汽来源于本公司热电厂,在本厂热力入口将P=1.30MPa，t=230℃的蒸汽减压至0.75MPa，再通过设在PP装置内的过热蒸汽减压减温设备,由0.75MPa减至0.65MPa,由温度220℃减温至172℃（过热度为5℃）,供给PP装置工艺设备用汽。

通过上述分析，2PE及PP两套装置的热力系统有以下明显缺点,2PE装置产生的付生蒸汽排放到大气中，没有进行能量回收利用。

PP装置采用的新蒸汽却从工厂的热力入口至本装置先后两次采用蒸汽节流减压，造成蒸汽热能无效贬值方法，得到所需要参数的蒸汽。

应该建立一个新的热泵供热系统回收2PE装置排放的二次蒸发汽，采用热泵将其增压后，供给满足PP装置所要求的压力、温度和数量的蒸汽。

4.1.2热泵供热流程

⑴工艺装置用汽的特点

可以利用2PE及PP两套装置间的互补条件建立热泵供热系统,回收利用2PE装置排放的付生蒸汽，替代蒸汽节流减压向PP装置提供所需数量、压力和过热度的蒸汽。

由于热力系统运行同工艺生产密切相关，热泵供热系统设计和运行必须克服以下难点∶

●热力系统运行须安全可靠。

2PE装置紧急停车时不能影响PP装置用汽。

●不改变上游2PE装置付生蒸汽的排放工况。

付生蒸汽接入PP装置管道后,不能影响2PE装置排放付生蒸汽，也就是2PE装置排放背压不能提高。

●热泵供热系统同现有热力系统转换方便。

付生蒸汽与新蒸汽切换不能有波动，不能影响PP装置生产用汽。

●免维护稳定运行。

该设备投运后不具备经常检修条件，即需要“免维护”。

●选择合适的付生蒸汽及热泵供热系统切入点位置及切入点工况。

⑵热力流程

如图4-1所示，由2PE装置排出的付生蒸汽进入一级汽水分离罐102进行汽水分

离和扩容闪蒸，再进入二级汽水分离罐103继续进行汽水分离和扩容闪蒸，利用热泵101将经过二级汽水分离和扩容闪蒸后的付生蒸汽进行增压和提高温度。

热泵101出口蒸汽达到控制参数后，通过现有的蒸汽管线供PP装置生产用汽。

⑶热泵供热系统运行

2PE装置付生蒸汽回收项目于2001年6月投入运行已经八年，解决了引进装置原热力系统设计存在的问题，完全满足了生产要求。

该热泵系统具有以下特点：

首先2PE装置付生蒸汽排放压力和原来对外排放工况相同，仍保持在0.45-0.55MPa之间。

热泵供热系统适应付生蒸汽压力和流量变化的影响，少则少收，多则多收。

当付生蒸汽压力波动及流量变化时，热泵供出的蒸汽压力、温度及流量均能满足PP装置的生产要求。

其次，下游PP装置供热系统可靠，热泵系统投运和退出均无扰动；

再次，该热泵系统控制回路简便，投运和退出方便，付生蒸汽流量采用自动控制和调节，就是在2PE装置紧急停车时,付生蒸汽突然下降，蒸汽喷射式热泵压力调节系统仍会根据热泵出口压力参数值进行自动调节，保证PP装置生产供汽系统安全可靠。

最后，该蒸汽喷射式热泵本身没有运转设备，热泵的关键部位喷嘴等均采用合金材质经特殊加工而成，耐磨损、耐高温、耐腐蚀，不需检修。

符合不间断供汽要求，热泵运转状态良好。

该热泵供热系统投入生产运行后,每个月逐日统计了运行数据。

现以2003年5月份运行数据为例说明如下：

以热泵进口新蒸汽压力PP,付生蒸汽压力Ph，热泵供至PP装置蒸汽压力PC为纵坐标，时间日为横坐标，PP、Ph、PC日变化请见图4-2。

以付生蒸汽流量GH为纵坐标，时间日为横坐标，热泵回收的付生蒸汽量日变化见图4-3。

2PE装置排放的付生蒸汽冬天主要用于采暖，夏季分流部份付生蒸汽做为溴化锂吸收式制冷机发生器用汽，过渡季付生蒸汽全部采用热泵增压后供PP装置生产用汽，所以供给热泵供热系统的付生蒸汽量是变值，在0至最大值3.5t/h范围内变化。

图4-3曲线显示，2005年5月份溴化锂制冷机开始投入运行，其制冷机用汽负荷伴随环境气温变化。

5月15日、5月26日出现供给热泵供热系统的付生蒸汽流量峰值为3.18t/h，谷值为1.37t/h。

由于我们专门设计的热泵具有较好的调节性能，热泵供热系统可以经受2PE装置付生蒸汽流量变化的影响。

热泵供出的蒸汽压力、温度、流量均能满足PP装置的生产要求。

热泵供热系统适应PP生产装置用汽压力的变化。

按工艺生产需要，热泵供热系统自动调节热泵运行工况，满足工艺生产用汽要求。

如图4-3曲线中5月25日和5月28日PP压力峰值0.67MPa，PP压力谷值0.54MPa，热泵供热系统可以经受PP装置用汽压力变化的影响，热泵供热系统均能满足工艺生产用汽要求。

当PP装置用汽压力较低时接近于付生蒸汽压力，由于付生蒸汽干度及蒸汽过热度并不能满足PP装置用汽参数要求，在这种工况下,蒸汽喷射式热泵主要用于提高付生蒸汽干度和过热度，同时也相应提高了付生蒸汽压力，以满足生产要求。

4.1.3经济效益

⑴回收蒸汽效益。

按全年工作时间8.5个月计算（扣除采暖季节3.5个月）,全年运行6120个小时，每小时回收付生蒸汽平均量2.5t/h，按418.7×

104kJ（100万千卡）热量定价为100元计算，全年回收蒸汽量15300吨，每年回收付生蒸汽费用折合人民币100.71万元。

⑵生产成本下降

PP装置使用付生蒸汽运行效果良好，操作管理方便，并且消除了付生蒸汽产生的“白龙”，创造了良好的环境效益、社会效益和可观的经济效益。

4.2能级匹配及热力系统优化运行

江苏某化工有限公司甲胺生产装置各段蒸发塔再沸器等工艺用汽设备，用汽压力不同，采用热泵供热系统替代原有热力系统，将蒸发塔、再沸器排出的蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽，经专门设计的流量调节热泵增压后，再供再沸器等工艺设备用汽，使其蒸汽能量和品位都得到充分的回收和利用。

4.2.1热力流程对比

⑴常规热力流程

本车间技术改造前采用直供汽和蒸汽冷凝水闪蒸供汽系统。

新蒸汽直供气化器E-106及E-101Ⅰ塔、E-102Ⅱ塔、E-103Ⅲ塔等再沸器用汽，蒸汽冷凝水排至汽水分离罐V-101。

原设计拟采用汽水分离罐V-101产生的二次蒸发汽供E-104Ⅳ塔及E-105Ⅴ塔再沸器等用汽。

由于