本發(fā)明屬于工業(yè)高溫?zé)岜?，涉及一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、許多工業(yè)過程，如石油開采、化工生產(chǎn)和儲(chǔ)熱電站等，通常需要300℃以上的高溫蒸汽。然而，目前的工業(yè)加熱主要依賴電加熱或一次能源燃燒，導(dǎo)致能源利用效率低下并伴隨大量碳排放。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在低品位（50℃左右）廢熱的產(chǎn)生，如果能夠有效回收和利用這些廢熱，將顯著提升能源利用效率，降低全流程當(dāng)量碳排放。因此，可以適配高溫蒸汽供應(yīng)的熱泵技術(shù)在工業(yè)余熱的回收與再利用方面具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

2、目前，傳統(tǒng)的高溫蒸汽熱泵系統(tǒng)普遍采用氫氟碳化合物（hfcs）r245fa作為工質(zhì)。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，具有低全球變暖潛力（gwp）的替代工質(zhì)（如氫氟烯烴hfos和氫氯氟烯烴hcfos）逐步進(jìn)入研發(fā)和應(yīng)用階段。采用這些工質(zhì)的高溫蒸汽熱泵系統(tǒng)通?？蓾M足120℃以下的蒸汽需求；對(duì)于120℃至170℃的高溫蒸汽需求，需額外配備蒸汽壓縮機(jī)以進(jìn)一步提升供熱溫度。然而，水蒸氣壓縮機(jī)并不屬于熱泵循環(huán)，其能量利用效率仍低于1，并且由于工質(zhì)的熱物理特性及系統(tǒng)性能限制，基于這些工質(zhì)的高溫?zé)岜孟到y(tǒng)難以突破170℃的供熱瓶頸。

3、二氧化碳（co2）作為一種天然工質(zhì)，具有優(yōu)良的熱物理性能，其在超臨界狀態(tài)下放熱過程中不存在相變過程，而是伴隨巨大的溫度滑移，非常適合將單相介質(zhì)（如水或蒸汽）從低溫直接加熱至高溫，同時(shí)減少換熱過程中的不可逆損失。因此，二氧化碳高溫?zé)岜镁哂袑?shí)現(xiàn)300℃以上高溫蒸汽供熱的潛力。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，仍面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，包括開發(fā)適應(yīng)高溫高壓運(yùn)行條件的壓縮機(jī)，及如何在保證合理壓縮比的前提下優(yōu)化系統(tǒng)配置以提供更高排氣溫度等問題，是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)及方法。該方法采用無(wú)油co2壓縮機(jī)，確保系統(tǒng)在高溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行；通過優(yōu)化系統(tǒng)配置，采用雙級(jí)回?zé)崞骱碗p級(jí)氣體冷卻器的設(shè)計(jì)提高吸氣溫度并顯著降低壓縮比，從而實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽的高效穩(wěn)定輸出；此外，運(yùn)用動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化控制策略，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的整體能效，該技術(shù)方案填補(bǔ)了高溫?zé)岜妙I(lǐng)域300℃以上蒸汽供熱的技術(shù)空白，為推動(dòng)工業(yè)節(jié)能與減排提供了重要的技術(shù)路徑。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，包括，高溫壓縮熱泵子系統(tǒng)和蒸汽閃蒸及再熱子系統(tǒng)；

4、所述高溫壓縮熱泵子系統(tǒng)包括無(wú)油co2壓縮機(jī)、第一氣體冷卻器、第一回?zé)崞?、第二氣體冷卻器、第二回?zé)崞?、中壓?chǔ)液罐、工質(zhì)泵、余熱源蒸發(fā)器和空氣源蒸發(fā)器；

5、所述無(wú)油co2壓縮機(jī)的出口通過工質(zhì)通道依次與第一氣體冷卻器的高壓側(cè)，第一回?zé)崞鞯母邏簜?cè)、第二氣體冷卻器的工質(zhì)側(cè)，第二回?zé)崞鞯母邏簜?cè)和中壓儲(chǔ)液罐的進(jìn)口連接；

6、所述中壓儲(chǔ)液罐出口管路上設(shè)置有工質(zhì)泵；

7、所述工質(zhì)泵的出口管路分為兩路，其中一路與空氣源蒸發(fā)器的進(jìn)口連接，另一路與余熱源蒸發(fā)器的進(jìn)口連接；

8、所述余熱源蒸發(fā)器和空氣源蒸發(fā)器的出口匯總后依次與第二回?zé)崞鞯牡蛪簜?cè)、第一回?zé)崞鞯牡蛪簜?cè)以及無(wú)油co2壓縮機(jī)的進(jìn)口連接；

9、所述蒸汽閃蒸及再熱子系統(tǒng)包括增壓泵和閃蒸罐；

10、所述閃蒸罐中溫水出口與軟化水進(jìn)水管道匯總后與增壓泵進(jìn)口連接；所述增壓泵出口依次與第二氣體冷卻器水側(cè)和閃蒸罐中溫兩相流進(jìn)口連接，所述閃蒸罐的中溫蒸汽出口與第一氣體冷卻器的蒸汽側(cè)連接。

11、優(yōu)選的，所述第二回?zé)崞鞯母邏簜?cè)出口和中壓儲(chǔ)液罐之間的管路上設(shè)置有第一電子膨脹閥。

12、優(yōu)選的，所述閃蒸罐中溫兩相流進(jìn)口管路上設(shè)置有節(jié)流閥。

13、優(yōu)選的，所述工質(zhì)泵與空氣源蒸發(fā)器之間的管路上設(shè)置有第三電子膨脹閥和第二電磁閥。

14、優(yōu)選的，所述工質(zhì)泵與余熱源蒸發(fā)器之間的管路上設(shè)置有第二電子膨脹閥和第一電磁閥。

15、優(yōu)選的，余熱源蒸發(fā)器與空氣源蒸發(fā)器采用并聯(lián)連接的形式。

16、優(yōu)選的，所述第二回?zé)崞鞯蛪簜?cè)入口與無(wú)油co2壓縮機(jī)的進(jìn)口之間設(shè)有旁路通道，旁路通道上設(shè)置有旁通閥。

17、一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，包括，

18、co2工質(zhì)首先經(jīng)過空氣源蒸發(fā)器或余熱源蒸發(fā)器吸收熱量后進(jìn)入第二回?zé)崞鬟M(jìn)行初步升溫，再進(jìn)入第一回?zé)崞鞫紊郎?，隨后進(jìn)入無(wú)油co2壓縮機(jī)被壓縮至超臨界狀態(tài)，高溫高壓的超臨界co2先在第一氣體冷卻器中向蒸汽放熱，隨后在第一回?zé)崞髦邢虻蜏氐蛪篶o2放熱，接著在第二氣體冷卻器中向混合水放熱，放熱后的co2進(jìn)入第二回?zé)崞?，向空氣源蒸發(fā)器或余熱源蒸發(fā)器出口的低溫低壓co2工質(zhì)放熱，之后通過節(jié)流降壓進(jìn)入中壓儲(chǔ)液罐，co2工質(zhì)在中壓儲(chǔ)液罐中由工質(zhì)泵泵送后進(jìn)行再次節(jié)流，之后進(jìn)入空氣源蒸發(fā)器或余熱源蒸發(fā)器中，完成整個(gè)循環(huán)；

19、軟化水補(bǔ)水與閃蒸罐中的飽和水混合，經(jīng)增壓泵升壓后，泵送至第二氣體冷卻器中吸收熱量，隨后進(jìn)行節(jié)流降壓，閃發(fā)出飽和蒸汽和飽和水，進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸罐中的飽和蒸汽經(jīng)過第一氣體冷卻器進(jìn)一步過熱后，供給用戶使用，閃蒸罐中的飽和水則繼續(xù)與軟化水補(bǔ)水混合，重復(fù)上述循環(huán)過程。

20、一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的運(yùn)行控制方法，包括：

21、啟動(dòng)階段ⅰ，蒸汽閃蒸及再熱子系統(tǒng)完成初始運(yùn)行準(zhǔn)備，同時(shí)高溫壓縮熱泵子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱源選擇和預(yù)熱啟動(dòng)；其中，熱源選擇包括余熱源模式和空氣源模式；

22、啟動(dòng)階段ⅱ，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽的生產(chǎn)，并對(duì)蒸汽參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)，使得蒸汽流量和溫度參數(shù)逐步達(dá)到用戶設(shè)定的初值要求；

23、優(yōu)化運(yùn)行階段，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，其中，運(yùn)行參數(shù)包括無(wú)油co2壓縮機(jī)1的吸氣壓力、排氣壓力和吸氣溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)以確保最佳性能系數(shù)。

24、優(yōu)選的，啟動(dòng)階段ⅰ，具體運(yùn)行控制過程為：當(dāng)閃蒸罐水位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉軟化水補(bǔ)水b，并通過增壓泵保持水循環(huán)的持續(xù)運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)判斷系統(tǒng)的余熱源模式是否滿足運(yùn)行條件；其中，滿足余熱源模式的運(yùn)行條件為余熱源溫度高于或等于預(yù)設(shè)閾值；若滿足，則系統(tǒng)進(jìn)入余熱源模式；若不滿足，則系統(tǒng)切換至空氣源模式；待熱源模式選擇完成后，啟動(dòng)無(wú)油co2壓縮機(jī)和工質(zhì)泵，使高溫壓縮熱泵子系統(tǒng)進(jìn)入初始運(yùn)行和預(yù)熱階段；隨著co2工質(zhì)的循環(huán)并逐步升溫，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)油co2壓縮機(jī)的排氣溫度是否達(dá)到要求，若無(wú)油co2壓縮機(jī)的排氣溫度未達(dá)到初始運(yùn)行要求的設(shè)定溫度，系統(tǒng)將逐步提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，每次增加設(shè)定值，直至排氣溫度滿足要求；排氣溫度達(dá)到后，標(biāo)志著啟動(dòng)階段i完成；

25、啟動(dòng)階段ⅱ，具體運(yùn)行控制過程為：

26、隨著高溫壓縮熱泵子系統(tǒng)的運(yùn)行，co2溫度持續(xù)上升，蒸汽閃蒸及再熱子系統(tǒng)的循環(huán)水溫同步升高，將高壓循環(huán)水逐步降壓并引入閃蒸罐中，產(chǎn)生飽和蒸汽和飽和水，閃蒸出的飽和蒸汽經(jīng)過第一氣體冷卻器進(jìn)一步過熱，作為用戶端所需的過熱蒸汽輸出，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整蒸汽供應(yīng)a的流量和蒸汽供應(yīng)a的溫度達(dá)到流量設(shè)定值和溫度設(shè)定值，隨著蒸汽流量和溫度參數(shù)逐步達(dá)到設(shè)定的初值要求，系統(tǒng)完成啟動(dòng)階段ii，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；

27、優(yōu)化運(yùn)行階段，具體運(yùn)行控制過程為：

28、在余熱源模式下，通過調(diào)整第二電子膨脹閥的開度控制無(wú)油co2壓縮機(jī)的吸氣壓力達(dá)到最優(yōu)吸氣壓力目標(biāo)值，最優(yōu)吸氣壓力目標(biāo)值計(jì)算公式為：

29、

30、式中，為余熱源進(jìn)口溫度；為第二回?zé)崞鞯蛪簜?cè)兩端溫差；為余熱源溫度擬合系數(shù)；為回?zé)釡夭顢M合系數(shù)；為溫度線性項(xiàng)擬合系數(shù)；為常數(shù)項(xiàng)；

31、通過調(diào)整第一電子膨脹閥的開度控制無(wú)油co2壓縮機(jī)的排氣壓力達(dá)到最優(yōu)排氣壓力目標(biāo)值，最優(yōu)排氣壓力目標(biāo)值計(jì)算公式為：

32、

33、式中，為環(huán)境溫度或余熱源進(jìn)口溫度；為第二回?zé)崞鞯蛪簜?cè)兩端溫差；為第二氣體冷卻器高壓側(cè)出口溫度；為環(huán)境溫度擬合系數(shù)；為溫差擬合系數(shù)；出口溫度擬合系數(shù)；為常數(shù)項(xiàng)擬合系數(shù)；

34、通過調(diào)整旁通閥的開度控制無(wú)油co2壓縮機(jī)的吸氣溫度達(dá)到最優(yōu)吸氣溫度目標(biāo)值，最優(yōu)吸氣溫度目標(biāo)值計(jì)算公式為：

35、

36、式中，為第二回?zé)崞鞯蛪簜?cè)兩端溫差；為環(huán)境溫度或余熱源進(jìn)口溫度；為進(jìn)口溫度擬合系數(shù)；為吸氣溫度擬合系數(shù)。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

38、本發(fā)明提出了一種供300℃以上蒸汽的跨超臨界co2高溫?zé)岜孟到y(tǒng)及方法；通過采用無(wú)油co2壓縮機(jī)，確保系統(tǒng)在高溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行；通過優(yōu)化系統(tǒng)配置，采用雙級(jí)氣冷及雙級(jí)回?zé)岬脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽的高效穩(wěn)定輸出；運(yùn)用動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化控制策略，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的整體能效；實(shí)現(xiàn)了300℃以上高溫蒸汽的高效穩(wěn)定供應(yīng)，并有效回收低品位廢熱，顯著提升了能源利用效率，極大減少了對(duì)一次能源的依賴，降低了碳排放，滿足工業(yè)高溫蒸汽需求。本發(fā)明為高溫供熱領(lǐng)域提供了一種創(chuàng)新且可持續(xù)的解決方案，具有廣泛的應(yīng)用前景，特別適用于化工、石油等需要高溫蒸汽的工業(yè)場(chǎng)景，同時(shí)也能夠在儲(chǔ)熱電站等領(lǐng)域中有效應(yīng)用。本發(fā)明采用無(wú)油co2壓縮機(jī)作為跨臨界二氧化碳高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中的壓縮機(jī)替代方案，無(wú)油co2壓縮機(jī)具有高排氣溫度、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了傳統(tǒng)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)在高溫供熱環(huán)境中潤(rùn)滑油碳化問題，還解決了機(jī)械摩擦對(duì)壓縮機(jī)性能的影響問題。本發(fā)明通過兩個(gè)氣體冷卻器和兩個(gè)回?zé)崞鞯穆?lián)合設(shè)計(jì)，極大提高了運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。第一氣體冷卻器對(duì)閃蒸產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)行過熱處理，確保輸出蒸汽溫度穩(wěn)定達(dá)到300℃以上；第二氣體冷卻器則在預(yù)熱水的同時(shí)，顯著提高了節(jié)流后工質(zhì)的干度。兩級(jí)回?zé)嵩O(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化了熱量回收與傳遞效率：第一回?zé)崞魍ㄟ^提升壓縮機(jī)吸氣溫度，實(shí)現(xiàn)了高排氣溫度的穩(wěn)定輸出；第二回?zé)崞魍ㄟ^預(yù)熱蒸發(fā)器出口氣體，同時(shí)顯著降低了進(jìn)入儲(chǔ)液罐的工質(zhì)溫度，保證系統(tǒng)在高溫運(yùn)行條件下始終具備較高的性能系數(shù)。本發(fā)明引入了余熱源蒸發(fā)器與空氣源蒸發(fā)器的并聯(lián)設(shè)計(jì)。當(dāng)余熱供應(yīng)不足時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換至空氣源模式，確保蒸汽供應(yīng)的連續(xù)性與系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。這種靈活的熱源切換機(jī)制顯著提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，避免因停機(jī)造成的生產(chǎn)中斷，極大增強(qiáng)了工業(yè)加熱過程中的可靠性與靈活性。

39、進(jìn)一步，本發(fā)明利用了超臨界狀態(tài)下二氧化碳工質(zhì)的溫度滑移特性，實(shí)現(xiàn)了從低溫至高溫的高效換熱，保證高溫供熱的同時(shí)，減少了不可逆損失，顯著提升了系統(tǒng)的整體效能。

40、進(jìn)一步，旁通閥的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮機(jī)吸氣溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，從而間接控制高溫蒸汽的供應(yīng)溫度。通過調(diào)節(jié)旁通閥的開度，系統(tǒng)能夠根據(jù)工況需求靈活調(diào)整蒸汽溫度，確保在不同運(yùn)行條件下穩(wěn)定輸出高溫蒸汽，同時(shí)避免了因蒸汽過熱引起的能量損耗，進(jìn)一步提升了能源利用效率。

41、進(jìn)一步，采用了動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在不同運(yùn)行階段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥及旁通閥開度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。這種控制機(jī)制不僅提升了系統(tǒng)的能效比，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)在變工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行效率。