1.本发明涉及蒸汽发生及能效测试技术领域，具体涉及一种蒸汽热泵机组性能测试平台及其使用方法。
背景技术：
2.热泵是电能替代重点推广技术，当前国产高温热泵出水温度大都低于90℃，可以满足一般供暖要求，无法产生蒸汽，严重制约了热泵在工农业生产中的应用范围。另外，虽然当前我国常规热泵应用规模处于世界首位，但蒸汽热泵仍处于实验室试验研发阶段，落后于国外先进水平。开展面向工业用热领域电能替代的蒸汽热泵系统集成优化技术的研究，将有利于形成我国工业用热新模式，促进压缩机、换热器、新型工质以及智能控制系统技术创新和转型升级，提升工业余热利用装备能效水平，从而实现热泵电能替代技术在工业用热领域的高效应用，拓展热泵的应用领域。
3.目前对于蒸汽热泵机组进行性能测试时，大都需要机组运行并达到稳定状态，再进行数据的读取的计算。然而在机组测试运行时，一方面需要外界提供热源，另一方面产生的蒸汽在测量完成后，直接排掉，十分浪费能源。
技术实现要素：
4.本发明要解决的技术问题是提供一种蒸汽热泵机组性能测试平台及其使用方法，回收利用蒸汽热泵机组测试运行时产生的热量，用于机组热源侧的供热，节约能源。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种蒸汽热泵机组性能测试平台，包括补水水箱、水温调节系统和数据采集系统；所述补水水箱用于向待测蒸汽热泵机组进行供水；所述水温调节系统用于回收利用待测蒸汽热泵机组测试运行时产生的蒸汽所携带的热量，并向待测蒸汽热泵机组供应水流作为热源；所述数据采集系统用于在待测蒸汽热泵机组测试运行时，采集用于计算待测蒸汽热泵机组性能系数的参数。
6.进一步的，所述水温调节系统包括热源水箱、连接所述待测蒸汽热泵机组与所述热源水箱出水口的出水管路、连接所述待测蒸汽热泵机组与所述热源水箱进水口的回水管路、设于所述出水管路上的第一水泵和设于所述回水管路上的第一换热器，所述热源水箱内部水温恒定，所述热源水箱内的水经第一水泵泵出后，将经所述第一换热器流回，所述第一换热器用于将待测蒸汽热泵机组测试运行时产生的蒸汽冷凝，并加热即将流入所述热源水箱内的水流。
7.优选的，所述热源水箱通过制冷机和电加热器使内部水温恒定；所述第一水泵用于将所述热源水箱内的水以恒定流速泵出。
8.在上述蒸汽热泵机组性能测试平台中，测试时，通过第一换热器，利用待测蒸汽热泵机组测试运行时产生的蒸汽加热即将流入所述热源水箱内的水流，实现回收待测蒸汽热泵机组产生的蒸汽热量，减小热源水箱保持恒定高水温的能量消耗，达到节能的目的。通常热源水箱的水温为60～70℃。
9.作为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的改进，所述第一换热器的高温侧管路进口设置有连接待测蒸汽热泵机组蒸汽出口的进气管路，且所述第一换热器的高温侧管路出口与所述补水水箱连接。
10.通过将待测蒸汽热泵机组测试运行时产生的蒸汽冷凝水回流到所述补水水箱内，使产生蒸汽的水循环使用，减少测试过程中水量消耗，节约用水，降低试验成本。
11.作为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的另一种改进，所述第一换热器的低温侧出水口与所述热源水箱之间的管路上设置有第二换热器，所述第二换热器用于降低即将流入所述热源水箱内水流的温度。
12.进一步的，所述第二换热器的低温侧管路连接有冷却塔，所述冷却塔与所述第二换热器低温侧的循环回路上设置有第四阀。
13.通过第二换热器可以对经过第一换热器升温水流进行降温，即可以对流入热源水箱的水温进行降温，进而使热源水箱内的水温恒定值可通过自身的恒温设备和第二换热器进行协同调节，满足待测蒸汽热泵机组不同的热源侧水温试验需求，而且利用冷却塔可以实现对水温较大范围的调节，使热源水箱供应水温控制方便、容易，也能够减少热源水箱自身高功率温度控制设备的投入，降低成本。另外，第四阀可以根据试验需要控制第二换热器不工作，不进行降温。
14.作为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的再一种改进，所述补水水箱上设置有补水管和加水管，所述补水管用于从外部向所述补水水箱注水，所述加水管连通所述补水水箱出水口和所述待测蒸汽热泵机组，所述加水管上设置有第二水泵。加水管通过第二水泵连接待测蒸汽热泵机组的闪蒸罐进水口，输送闪蒸用水。
15.作为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的又一种改进，所述热源水箱的进水口处设置有控制所述回水管路通断的第一阀，且出水口处设置有控制所述出水管路通断的第二阀，所述第一阀的进水口与所述第二阀的出水口之间通过第一支路连通，所述第一支路上设置有能够控制通断的第三阀。
16.通过断开第一阀和第二阀，打开第三阀，可以在热源水箱进水口温度刚好满足待测蒸汽热泵机组热源侧需求时，直接接通热源水箱进水口与出水口，使回流的水不经过热源水箱直接循环供热，在该次测量中，减少热源水箱及内部自带的恒温设备的使用，减少试验成本。
17.作为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的还一种改进，所述数据采集系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和第一流量传感器，所述第一温度传感器、第一压力传感器和第一流量传感器用于分别获取待测蒸汽热泵机组测试运行时产生蒸汽的温度、压力和流量，所述第二温度传感器和所述第二压力传感器用于分别获取待测蒸汽热泵机组测试运行时的补水温度和压力。
18.进一步的，所述第一流量传感器设于所述第一换热器的高温侧进口蒸汽管路上，或者设于所述第一换热器的高温侧出口水管路上。
19.当所述第一流量传感器设于所述第一换热器的高温侧出口水管路上时候，第一流量传感器为水流量计，通过测试冷凝水的流量实现对蒸汽流量的间接测量，使测量结果更加准确。当所述第一流量传感器设于所述第一换热器的高温侧进口蒸汽管路上时，第一流量传感器为气体流量计，直接测量产生的蒸汽的流量。
20.进一步的，所述数据采集系统还包括功率传感器，所述功率传感器用于获取待测蒸汽热泵机组的压缩机功率。
21.进一步的，计算待测蒸汽热泵机组性能系数的公式如下：
22.机组制热量的计算：
[0023][0024]
机组性能系数即机组能效cop的计算：
[0025][0026]
式中，q—机组的制热效率，kw；
[0027]v&
—产生的蒸汽冷凝后冷凝水的体积流量，m3/h；
[0028]
ρ—水的密度，kg/m3；
[0029]
h2—为产生蒸汽的焓值，kj/kg；
[0030]
h1—为补水的焓值，kj/kg；
[0031]
w—压缩机的总功率，kw。
[0032]
h2通过测试出待测蒸汽热泵机组产生蒸汽的温度和压力后，查水蒸气图表得到；h1通过测试补水水箱给待测蒸汽热泵机组补水的温度和压力，查表得到。w可由功率传感器直接读取。
[0033]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种上述蒸汽热泵机组性能测试平台的使用方法，包括如下步骤：
[0034]
步骤一：将补水水箱的出水口连接待测蒸汽热泵机组供水；
[0035]
步骤二：将第一换热器的高温侧管路进口与待测蒸汽热泵机组的蒸汽出口连接；
[0036]
步骤三：将所述第一水泵连接至待测蒸汽热泵机组热源侧供热；
[0037]
步骤四：启动待测蒸汽热泵机组进行测试运行，采集用于计算待测蒸汽热泵机组性能系数的参数。
[0038]
采用上述蒸汽热泵机组性能测试平台及其使用方法，在测试时，能够将待测蒸汽热泵机组测试运行时产生的蒸汽热量回收，节省能量，并重复利用蒸汽冷凝水，减少水量消耗；且可以通过测试冷凝水的流量实现对蒸汽的测量，使性能计算更加准确。
附图说明
[0039]
在附图中：
[0040]
图1为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的整体结构图。
[0041]
图2为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台的待测蒸汽热泵机组结构图。
[0042]
图3为本发明蒸汽热泵机组性能测试平台使用时连接结构图。
[0043]
图中，1、补水水箱；11、补水管；12、加水管；13、第二水泵；2、水温调节系统；21、热源水箱；211、制冷机；212、电加热器；213、四水泵；22、出水管路；23、回水管路；24、第一水泵；25、第一换热器；26、进气管路；27、第二换热器；28、冷却塔；281、第三水泵；29、第一支路；3、待测蒸汽热泵机组；31、闪蒸罐；32、蒸发器；33、螺杆压缩机；34、水蒸气压缩机；35、第
一膨胀阀；36、第二膨胀阀；37、经济器；51、第一阀；52、第二阀；53、第三阀；54、第四阀；55、第五阀；56、第六阀；57、第七阀；58、第八阀；61、第一温度传感器；62、第二温度传感器；63、第三温度传感器；64、第四温度传感器；65、第五温度传感器；66、第六温度传感器；71、第一压力传感器；72、第二压力传感器；81、第一流量传感器；82、第二流量传感器；83、第三流量传感器；9、功率传感器。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
[0045]
需要说明的是，下面描述中使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0046]
实施例1
[0047]
图1示出了本发明一种蒸汽热泵机组性能测试平台。如图1所示，该蒸汽热泵机组性能测试平台，包括补水水箱1、水温调节系统2和数据采集系统。补水水箱1用于向待测蒸汽热泵机组3进行供水；水温调节系统2用于回收利用待测蒸汽热泵机组3测试运行时产生的蒸汽所携带的热量，并向待测蒸汽热泵机组3供应水流作为热源。补水水箱1向待测蒸汽热泵机组3的闪蒸罐31供水，经过闪蒸形成蒸汽。水温调节系统2向待测蒸汽热泵机组3的蒸发器32高温侧输送恒温、恒定流量的热水，提供稳定的热量。
[0048]
水温调节系统2包括热源水箱21、连接待测蒸汽热泵机组3与热源水箱21出水口的出水管路22、连接待测蒸汽热泵机组3与热源水箱21进水口的回水管路23、设于出水管路22上的第一水泵24和设于回水管路23上的第一换热器25，热源水箱21内部水温恒定，热源水箱21内的水经第一水泵24泵出后，将经第一换热器25流回，第一换热器25用于将待测蒸汽热泵机组3测试运行时产生的蒸汽冷凝，并加热即将流入热源水箱21内的水流。
[0049]
具体的，热源水箱21内的水经第一水泵24泵出后，先经待测蒸汽热泵机组3的蒸发器32高温侧管路，再经第一换热器25循环流回热源水箱21，在蒸发器32处放热，在第一换热器25吸热。
[0050]
数据采集系统用于在待测蒸汽热泵机组3测试运行时，采集用于计算待测蒸汽热泵机组3性能系数的参数。
[0051]
第一换热器25一般采用汽-水板式换热器，测试时，待测蒸汽热泵机组3产生的蒸汽冷凝放热，放出的热量被即将流入热源水箱21内的水流吸收，使测试时候蒸汽携带的热量被回收利用，节约能源。
[0052]
解释说明，如图2所示，待测蒸汽热泵机组3通常有两种结构，一种是带有水蒸气压缩机34，产生160℃左右的过热水蒸气结构；另一种是不带有水蒸气压缩机34，产生110～120℃的饱和水蒸气结构。过热水蒸气不含水；饱和水蒸气可能把水带出来，可以通过完善闪蒸罐31或通过其他的除水方式让使产生的饱和水蒸气不含水，即保证第一换热器25流回到补水水箱1的水流均为冷凝水。
[0053]
可选的，热源水箱21通过制冷机211和电加热器212维持内部水温恒定，待测蒸汽热泵机组3正常工作时，一般水温恒定在60～70℃。制冷机211内设置有第四水泵213，将热源水箱21内的水抽入制冷机211内，进行降温。第一水泵24用于将热源水箱21内的水以恒定
流速泵出，从而能够为待测蒸汽热泵机组3的蒸发器32高温侧提供恒定温度和恒定流量的液流，即提供稳定的热量。
[0054]
可选的，第一换热器25的高温侧管路进口设置有连接待测蒸汽热泵机组3蒸汽出口的进气管路26，且高温侧管路出口与补水水箱1连接，使测试时候蒸汽冷凝产生的水也回收利用，节约用水。
[0055]
可选的，第二换热器27的低温侧管路连接有冷却塔28，冷却塔28与第二换热器27低温侧的循环回路上设置有第四阀54。
[0056]
对于待测蒸汽热泵机组3性能的测试，存在热源水流温度较低的测试条件，因此需要热源水箱21内的温度偏低，当该需要的温度与第一换热器25回流的水温相差较大时，需要降低的温度值较高，热源水箱21内自带的制冷机211将耗费较大的功率，而且效果不佳。因此可以在增加第二换热器27进行第一级的降温，制冷机211进行第二级的降温，二者相互协同，实现精确的温度控制。
[0057]
可选的，第二换热器27的低温侧管路连接有冷却塔28，冷却塔28与第二换热器27低温侧的循环回路上设置有第四阀54和第三水泵281。通过冷却塔28可以实现较大范围的制冷功率供应调节，温度控制容易、便捷，而且可以减少制冷机211的制冷功率需求，减少制冷机211设备成本、运行能量消耗。
[0058]
可选的，补水水箱1上设置有补水管11和加水管12。补水管11用于从外部向补水水箱1注水，在测试前进行补水，满足试验需求。加水管12连通补水水箱1出水口和待测蒸汽热泵机组3，加水管12上设置有第二水泵13，第二水泵13将补水水箱1的水供应给待测蒸汽热泵机组3的的闪蒸罐31。
[0059]
解释说明，闪蒸罐31的供水温度对机组性能的影响很小，因此补水水箱1内的水温无需调控，一般温度在15～35℃。
[0060]
可选的，热源水箱21的进水口处设置有控制回水管路23通断的第一阀51，且出水口处设置有控制出水管路22通断的第二阀52，第一阀51的进水口与第二阀52的出水口之间通过第一支路29连通，第一支路29上设置有能够控制通断的第三阀53。
[0061]
可选的，第一水泵24的进出口处分别设置有第五阀55和第六阀56。第一换热器25的低温侧进水口处设置有第七阀57，第七阀57的进水口和第一换热器25的低温侧出水口之间通过第二支路连通，第二支路上设置有第八阀58。第五阀55、第六阀56、和第七阀57都是用于控制所在管路通断。
[0062]
第五阀55和第六阀56通常处于开启，当第一水泵24故障或者其他问题需要断开时，可以同时关闭第五阀55和第六阀56，断开第一水泵24的管路连接，进行维修、检查等操作。第二支路与第一换热器25在回水管路23上并联，当第一换热器25更换、维修时候，可以关闭第七阀57，打开第八阀58，主要依靠电加热器212进行加热，整个测试平台依然可以运行。
[0063]
可选的，数据采集系统包括第一温度传感器61、第二温度传感器62、第一压力传感器71、第二压力传感器72和第一流量传感器81，第一温度传感器61、第一压力传感器71和第一流量传感器81用于分别获取待测蒸汽热泵机组3测试运行时产生蒸汽的温度、压力和流量，第二温度传感器62和第二压力传感器72用于分别获取待测蒸汽热泵机组3测试运行时的补水温度和压力。
[0064]
为了进行待测蒸汽热泵机组3性能系数计算，对应需要获取相应的参数，第一温度传感器61和第一压力传感器71均设置在进气管路26上，获取蒸汽的温度和压力，继而获取蒸汽的焓值。第二温度传感器62和第二压力传感器72设于补水水箱1的出水管路上，获取闪蒸罐31进水口的水温、压力，进而可以获取进水处水的焓值。
[0065]
可选的，第一流量传感器81设于第一换热器25的高温侧进口蒸汽管路上，或者设于第一换热器25的高温侧出口水管路上。
[0066]
当第一流量传感器81设于第一换热器25的高温侧出口水管路上时候，第一流量传感器81为水流量计，通过测试冷凝水的流量实现对蒸汽流量的间接测量，使测量结果更加准确。当第一流量传感器81设于第一换热器25的高温侧进口蒸汽管路上时，第一流量传感器81为气体流量计，直接测量产生的蒸汽的流量。
[0067]
可选的，数据采集系统还包括功率传感器9，功率传感器9用于获取待测蒸汽热泵机组3的压缩机功率，直接设置在对应的压缩机上，分别获取螺杆压缩机34和/或水蒸气压缩机33二者功率。
[0068]
可选的，数据采集系统还包括：第三温度传感器63、第四温度传感器64、第五温度传感器65和第二流量传感器82和第三流量传感器83。第三温度传感器63设于出水管路22连接待测蒸汽热泵机组3的端部；第四温度传感器64设于回水管路23连接待测蒸汽热泵机组3的端部；第五温度传感器65设于第一换热器25的高温侧出水口管路上；第二流量传感器82设于出水管路22连接待测蒸汽热泵机组3的端部；第三流量传感器83设于连通补水水箱1出水口和待测蒸汽热泵机组3的管路上。补水管11上设置第六温度传感器66。
[0069]
第三温度传感器63、第四温度传感器64、第五温度传感器65、第六温度传感器66、第二流量传感器82和第三流量传感器83，利用这些传感器可以进行测试平台状态的监控。
[0070]
可选的，该蒸汽热泵机组性能测试平台还包括控制器，控制器与数据采集系统连接，接收存储其获取的信号，也可以进一步的进行运算，获取机组性能系数，以及监控整个性能测试平台运行是否正常。控制其还可以与待测蒸汽热泵机组3自身携带的传感器连接，监控待测蒸汽热泵机组3测试时候的运行状态。
[0071]
在图2中，经济器的编号为37，第一膨胀阀的编号为35，第二膨胀阀的编号为36。另外，待测蒸汽热泵机组3自身携带的传感器未编号的，与第一温度传感器61符号相同的结构为温度传感器，测量管路内介质的温度；与第一阀51符号相同的结构为阀门，可以控制对应管路的通断；与第一压力传感器71符号相同的结构为压力传感器，可以测量对应管路内介质的压力；与第一流量传感器81符号相同的结构为流量传感器，可以测量对应管路内介质的流量。
[0072]
如图3所示，本发明还提供一种上述蒸汽热泵机组性能测试平台的使用方法，包括如下步骤：
[0073]
步骤一：将补水水箱1的出水口连接待测蒸汽热泵机组3的闪蒸罐31进行供水；
[0074]
步骤二：将第一换热器25的高温侧管路进口与待测蒸汽热泵机组3的蒸汽出口连接；
[0075]
步骤三：将第一水泵24连接至待测蒸汽热泵机组3热源侧供热；
[0076]
步骤四：依据设定测试方法使启动待测蒸汽热泵机组3进行测试运行，采集用于计算待测蒸汽热泵机组3性能系数的参数；具体的试验过程可以参考，gbt10870-2014蒸气压
缩循环冷水热泵机组性能试验方法。
[0077]
步骤五：计算待测蒸汽热泵机组3性能系数。计算公式为：
[0078]
机组制热量的计算：
[0079][0080]
机组性能系数即机组能效cop的计算：
[0081][0082]
式中，q—机组的制热效率，kw；
[0083]v&
—产生的蒸汽冷凝后的体积流量，m3/h；
[0084]
ρ—水的密度，kg/m3；
[0085]
h2—为产生蒸汽的焓值，kj/kg；
[0086]
h1—为补水的焓值，kj/kg；
[0087]
w—压缩机的总功率，kw。
[0088]v&
采用将第一流量传感器81设于第一换热器25的高温侧出口水管路上，第一流量传感器81为水流量计，通过测试冷凝水的流量实现对蒸汽流量的间接测量，使测量结果更加准确。
[0089]
h2通过测试出待测蒸汽热泵机组3产生蒸汽的温度和压力后，查水蒸气图表得到，蒸汽的温度和压力具体分别由第一温度传感器61、第一压力传感器71测出。
[0090]
h1通过测试补水水箱1给待测蒸汽热泵机组3补水的温度和压力，查表得到，闪蒸罐31的补水温度由第二温度传感器62测出，压力有第二压力传感器72测出。
[0091]
w可由功率传感器9直接读取。注意，当待测蒸汽热泵机组3产生160℃左右的过热水蒸气时，w为螺杆压缩机34和水蒸气压缩机33二者功率的总和；当待测蒸汽热泵机组3产生110～120℃的饱和水蒸气时，w为螺杆压缩机的功率。
[0092]
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。