雙級離心式高溫水源熱泵設計應用分析

                                   諸琛

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

    摘要：本文介紹了雙級離心式高溫熱泵的設計過程和應用優勢。通過理論計算及系統流程分析，推導出可實現77℃高溫出水的大容量雙級離心系統。并結合實際工程案例對雙級離心高溫熱泵方案做經濟性評估。指出在應用雙級離心式高溫熱泵制冷供熱時，不僅節約能源，降低運行費用，對環境保護也有著積極的推動作用。

    關鍵詞：高溫熱泵   雙級壓縮   廢熱回收   節能減排   熱電聯產

    日常的生產生活中，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，醫院醫用熱水，工業廢水余熱回收，石油工業中對油氣的加溫降粘等。一直以來，我們主要是通過鍋爐來獲得高溫熱水。隨著人們對能源供應和環境保護問題的日益關注，研發更高效節能并符合可持續發展的供熱技術得到國內外的關注。高溫水源熱泵技術是近十幾年來國外大力推廣的節能環保技術，近幾年在國內也得到了廣泛重視。它可以在城市供熱管網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熱尾水、工業廢水直接排放所造成的環境熱污染等問題；并可取得顯著的環保效應和經濟效應；可避免燃煤、燃油鍋爐產生的廢氣、廢渣對周邊環境的污染；

    目前國內外針對55℃及以下的水源熱泵技術已很成熟，有多類產品可以選擇；但對水溫大于75℃、制熱量大于1000kW的高溫水（地）源熱泵的研究還是空白。本研究通過理論計算并結合系統設計及實例分析，提出了雙級離心式高溫熱泵解決方案，該方案實現了機組的最大制熱量約為13000kW，最高出水溫度達到77℃的目的。

    1·雙級系統設計的理論計算

    1.1雙級系統概念提出

    離心壓縮機是一種定壓頭，變流量的速度型壓縮機，靠電機帶動葉輪高速旋轉，其旋轉產生的離心力提升制冷劑氣體速度，通過擴壓室，在其中完成動能向壓能的轉化。提供的壓頭是由離心機葉輪的轉速來決定的。把氣體運動時的圓周速度tV，徑向速度rV，絕對速度V繪制成一個速度三角形，當氣體從徑向進氣時，由歐拉方程得出：

              

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

    一旦外界系統的壓頭大于壓縮機本身能提供的最大壓頭，離心壓縮機就會發生喘振現象。此時壓縮機的氣體無法被壓出，在葉輪內造成渦流，此時冷凝器中的高壓氣體會倒流進葉輪，使壓縮機內的氣體在瞬間增加，氣體被排出，待壓縮機內部壓力下降后氣體又會倒流進葉輪，如此往復循環。喘振會對離心壓縮機造成極大的危害。這也是單級壓縮離心機組無法提供39℃以上壓頭的原因。

                 

    對于諸如高溫熱泵這類高壓頭的場合，需要采用雙級或多級壓縮來保證壓縮機提供更高的壓頭，雙級壓縮示意圖如圖1所示。雙級壓縮實際上是分兩次來完成制冷劑提速再升壓的接力過程。雙級壓縮可以在壓縮機內通過多級葉輪實現，也可以利用兩個單級葉輪壓縮機串聯實現；兩種方案各有優劣，比較見表1。由于單級壓縮機結構簡單，屬于成熟設計，現在大多是選用單級壓縮機組合成雙級壓縮制冷機，而不針對雙級壓縮制冷的要求設計和生產多級壓縮機。

                 

    雙級串聯系統利用離心壓縮機縱向的疊加，實現了離心機最高出水77℃左右的應用，大大擴展了離心機應用范圍。由于系統容量與單級系統基本一致，可通過串聯兩個3000TR的單級離心壓縮機來實現最大13000kw左右的制熱量。系統中主要部件大部分可以利用單級系統現有的設計，如壓縮機、電機、容器等。雙級系統設計主要集中在：中間溫度的確定；高低壓段壓縮機、電機容量的選擇等。

    1.2雙級系統壓縮機的選擇及中間溫度的確定

    對雙級系統來講，壓縮機和中間溫度直接決定了整個系統運行過程中的效率。對已給定的工質和制冷量，已知的蒸發溫度和冷凝溫度,可以計算出壓縮機的吸排氣量及所需壓頭。為了簡化計算模型，需要做出一些假設：壓縮過程為多變壓縮過程；且多變壓縮指數保持不變；吸排氣口不存在管路壓降；潤滑油和制冷劑特性對整個系統不產生影響。雙級壓縮循環P-H圖如圖2所示。

               

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

    P3=M3×(h3-h2)（2-5）

    進一步求出低壓段壓縮機的葉輪轉速來尋找相匹配的壓縮機和電機：

    式中：ω——壓縮機葉輪角速度；

    根據計算得到的功率，轉速，排氣量確定低壓段壓縮機及電機；

    同理，根據壓焓圖，為了求出高壓段壓縮機的質量流量，需要先得出中冷補氣口流量。由熱平衡關系，求出圖中點6的干度6X：

               

               

    由以上推算過程可以看出，在蒸發壓力和冷凝壓力已給定的情況下，系統循環效率不僅與所選壓縮機的水力效率、轉速有關，而中間溫度的選取也在一定程度上影響的最終結果，圖3給出了某個應用實例中使用R134a工質時在不同的壓縮比（即中間溫度）和轉速下效率的變化圖，這種非線性的變化率決定了在雙級系統中需要反復計算來確定最優方案。因而合理地確定中間壓力（中間溫度）是壓縮機計算過程中的一個重要環節。在沒有ξ=f(Tm)函數曲線情況下，最優中間溫度通過反復估算來確定。雙級系統為了兩級的匹配和平衡，一般高低壓級壓縮機的壓縮比相近。我們可以通過蒸發冷凝壓力的比例中項原則先選取一個中間壓力（溫度），并根據最優制冷系數的原則去選取。首先根據確定的蒸發壓力eP和冷凝壓力cP，按取一個中間壓力近似值；之后在該中間壓力所對應的溫度區間附近選取若干各中間溫度mT；對應每一個mT，求得該中間溫度mT下所對應的系統能效比ξ；繪制()mξ=fT函數曲線，在曲線上找到maxξ值，由該點所對應的中間溫度即為最優。最后將該點對應的中間壓力，再通過上述步驟推算確定整個系統的循環參數并確定壓縮機和電機的選型。

    2·雙級離心熱泵系統分析

    2.1系統流程及控制

    為了簡化控制，雙級系統的運行遵循低壓級優先的原則，高壓級壓縮機的開關邏輯將以系統壓頭作為觸發。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，此時系統運行狀況及控制模式可與單級制冷系統完全相同，制冷劑經過低壓級壓縮機壓縮后經冷凝器冷凝，節流閥節流降壓，進入蒸發器與載冷劑換熱后回到壓縮機吸氣口；而高壓段壓縮機及電機處于關閉狀態；在制熱工況，外界壓頭大于系統預設的壓頭時，高壓級壓縮機將開始運行，此時氣態制冷劑從蒸發器中被吸入到低壓段壓縮機中，葉輪將其加速，制冷劑氣體的溫度與壓力相應提高；從低壓段壓縮機出來的氣態制冷劑和來自中間冷卻器閃發的氣態制冷劑相混合后進入到高壓段壓縮機中。

    系統容量的控制主要通過壓縮機入口處導流葉片來實現。導流葉片與出水溫度目標值實現連鎖。當兩級壓縮機同時運行，高壓段導葉可按照設定值保持與低壓段導葉存在一定的開度差，從而實現高低壓級壓縮機導流葉片的聯動。

               

    由于系統在高低壓級壓縮機間設計了一個閃發式中冷器，利用制冷劑自身節流蒸發吸收熱量從而使進入蒸發器的制冷劑得到更低的溫度，同時起到了冷卻低壓級壓縮機排氣溫度的作用，防止低壓級排氣到高壓級吸氣時有過高的溫度和過熱度。從中冷器出來的飽和液體經過二次節流降壓，進入蒸發器換熱蒸發并回到低壓段壓縮機吸氣口。雙級系統設計，相對于單級，中冷器的設計計算成為系統設計的要點之一。

    2.2中冷器計算

    中間冷卻器是提升雙級系統效率必不可少的部件。從1.2章節的計算可以看出，系統中設置了中間冷卻器，單位質量工質的制冷量將增加（6h-7h）。而閃發式中間冷卻器，其實質是一個氣液分離的容器。無論是臥式還是立式，在設計時需要考慮有足夠的氣液分離的空間，對分離精度要求較高的，可在氣液分離區安置擋液濾網。中冷器大小的設計原則有兩個：一是要保證液體所需要的體積；二是氣體的允許速度。體積要滿足蒸發器液體量的波動和系統負荷變化時造成的回氣管的多余量。它也要保證能夠包容儲液器由于溫度或壓力下降造成的液體溢出和泡沫。同時，系統要提供一個足夠的分離空間，使得氣體的速度下降到在吸氣出口處沒有液滴為止。空間限制和設計有多種的結構變化，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節中可以得到中冷器補氣口流量。為了達到較好的氣液分離效果，擋液濾網中得流速不宜過高，其最大流速meshV可按，

               

    其中k通常取在80%左右。

    有了最小濾網面積，就可以進一步求出中冷器的最小筒徑IDSmin：

               

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

               

    式中：Hs——停機液位高度；

    Hc——封頭高度；

    對中冷器進出口管徑的計算，可以通過先假設一個管徑，然后根據流量求出管內流速，用校核流速的方式來校核之前假設的管徑是否負荷要求。

                

    式中：Mx——對應點的質量流量；

    Vx——對應點的管內流速；

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

    2.3冷凝溫度對雙級系統的影響

    高溫熱泵在制熱工況必定伴隨著較高的冷凝溫度及較大的系統壓差。為了保證雙級系統在較高的冷凝溫度下平穩運行，宜選擇工作壓力較低的工質，如R134a，壓縮機和冷凝器在設計時需要考慮較高的承壓。為了順利實現單級雙級運行的切換，需要在高低壓級排氣口各設置一個單向閥。系統在制熱狀態運行由于存在較大的壓差，同時離心壓縮機具有喘振的固有特性，需要在冷凝器和蒸發器間設置一路熱氣旁通來避免喘振，見圖7。由逆卡諾循環的原理可知，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效率地衰減。（基于熱源為6℃）。但在同等工況下雙級離心水源熱泵的效率優于氣源熱泵，鍋爐等。

                 

    3·應用案例分析

    以50萬KW發電能力的中型電廠為例，在冬季，汽輪機組每小時通過從中壓側抽出約50噸的中壓蒸汽，與市政供熱管網的回水進行換熱，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，實現熱電聯產。見圖8，其中驅動汽輪機之后的乏汽通過凝汽器（汽水換熱器），中壓蒸汽在經過換熱器與供熱管網回水熱交換后成為冷凝水，一起進入鍋爐加熱實現整個循環。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。

                  

    改造方案如下：

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

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

    c)供暖管網進入雙級離心式熱泵加熱至75℃后在進入汽水換熱器與汽輪機側的中壓蒸汽換熱，加熱至85℃出水；

    d)通過供熱量計算，需選取10臺供熱量在12000 kW左右的熱泵，其制熱性能系數保守估為3.6；

    10000×100×10×4.2/3600=11667

    改造后的系統流程見圖9，

               

    系統經改造后，在汽輪機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。具體經濟性分析及其環境評估如下：

    初期需要投資10臺雙級離心式水源機組及若干改造工程，評估如下：

               

    由于增設了水源熱泵機組，整個冬季系統運行額外增加的費用為：

               

    采暖季按120天，用電單價按0.5元/千瓦時計算，則總運行費用將為

    3,347×10×120×24×0.5=48,196,800元

    冬季額外增加500萬平米的供暖區域，按20元/平米的供暖費用計算，供暖可增加額外收益20×5,000,000=1000,000,000元由于關閉了冷卻塔（此處節省的費用忽略不計），原冷卻水系統由開式循環變更為閉式循環，杜絕了冷卻水蒸發而流失；每天可以減少近20000立方米水的蒸發流失；整個采暖季節按120天，工業用水按4.6元/噸計算：

    20,000×120×4.6=11,040,000元

    而如此重大的節水工程給在諸多缺水的北方城市帶來的意義遠不止一千萬；綜合上述計算結果，基本可以看出通過改造方案以后一年內可以實現的經濟利益約為：

    +100000000+11040000-48196800=62843200   結合初期投資計算結果，僅第一年運行就能完全收回初期投入成本并實現盈利；

    水源熱泵機組還可以在夏季提供供冷，實現熱電冷三聯產，可節省約24元/平米的制冷投資；此處不再計算夏季供冷收益；

    如將每小時水源熱泵產熱量折算成燃煤，燃煤燃燒值按29400kJ/kg、鍋爐效率按70％計算，則可折合燃煤

             

    20,408×24×120=58,775噸/年

    基于以上計算的耗煤總量，標準煤的含碳量為84％，那么燃燒這些煤將排放的二氧化碳總量達：

    58,775×0.84×44/12=181,027噸

    可以看出，通過雙級離心式高溫水源方案的改造，不僅帶來直接經濟利益，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，帶來的效益可歸結如下：

               

    4·結論

    通過單級離心壓縮機的串聯，可以實現壓頭的縱向疊加來實現70℃以上的高溫熱水，擴展離心機的應用范圍，并填補大容量高溫水源熱泵領域的空白。

    雙級高溫離心熱泵設計應注意合適的中間溫度選取，根據系統負荷及壓頭計算壓縮機輸氣量選擇合適的高低壓段壓縮機，中冷器選型的關鍵是氣液分離高度及濾網面積的計算；

    雙級離心高溫水熱泵對目前國家推廣的熱電聯產戰略是一個積極的推進和有益的補充，通過增加熱泵，可大大提高電廠轉換效率，緩解城市供暖壓力，節約水資源并實現熱電冷三聯產；

參考文獻

[1]Pekka Roytta.Optimising the refrigeration cycle with atwo-stage 

centrifugal compressor and a flash intercooler.International journal

 of Refrigeration(2009)I-10

[2]董天祿,華小龍,姚國琦等離心式/螺桿式制冷機組及應用.機械工業出版社2001

[3]陳權,邵雙全,張小亮等.雙級離心式冷水機組的數學模型及其應用.北京：制冷學報，2008

[4]鄭暉氣液分離器的設計.無錫：江森自控樓宇設備科技（無錫）有限公司，2008