基于Aspen Plus 的雙效吸收式制冷機組模擬與分析

徐樂超 黃玉橋 李國建 鄒夢婷

浙江理工大學建筑工程學院

0 引言

近年來分布式冷熱電聯供系統發展迅猛，核心部件主要為以燃氣為一次能源的燃氣內燃機及燃氣輪機，而做功發電后的高溫煙氣仍存在大量的余熱。煙氣型溴化鋰吸收式制冷機組可以回收余熱品味較高的高溫煙氣，能夠解決分布式聯供系統的余熱利用問題，有效提高一次能源利用率[1]。吸收式制冷系統物流參數和機組結構復雜，涉及到多個傳熱和傳質過程，機組設備通過軟件的模擬仿真使之達到優化目的，是近年來研究的焦點與熱點。在機組的開發和實際運行階段，通過計算機的模擬，能夠節約大量的人力成本和時間成本[2]。

基于分布式聯供系統的變工況運行需要，本文利用Aspen Plus V9[3-5]軟件建立了煙氣型雙效溴化鋰制冷系統流程模型，模擬分析煙氣溫度及流量變化、冷卻水進口溫度變化、冷凍水出口溫度變化對系統運行的影響，從而為機組性能優化設計提供新的思路和理論依據。

1 雙效吸收式水冷制冷系統

1.1 雙效吸收式制冷機組制冷原理

制冷機組由高壓發生器、低壓發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、溶液泵、高低溫溶液熱交換器、節流閥和減壓閥等組成，以LiBr-H2O 組成工質對進行循環制冷。雙效吸收式水冷制冷循環如圖1 所示。溴化鋰稀溶液1 經溶液泵進入低溫溶液熱交換器，與從低壓發生器出來的溴化鋰濃溶液7 進行熱交換后，進入高溫溶液熱交換器，與來自高壓發生器的溴化鋰中間濃度溶液5 進行熱交換,升高溫度后的溴化鋰稀溶液4 進入高壓發生器，在高壓發生器內被外部高溫煙氣加熱沸騰，分別產生冷劑蒸汽9 和溴化鋰中間濃度溶液5，高壓冷劑蒸汽9 作為低壓發生器的驅動熱源，再次驅動從高溫溶液熱交換器出來的溴化鋰中間濃度溶液6，產生冷劑蒸氣11 和溴化鋰濃溶液7，冷劑蒸汽9 釋放熱量后與冷劑蒸汽11 一同進入冷凝器冷凝放熱，并進入節流閥節流降溫至蒸發壓力后，形成液相冷劑水13，進入蒸發器與用戶側的冷凍水回水進行蒸發吸熱，產生冷效益，完全蒸發至水蒸氣14 后，與來自低壓發生器并經過低溫溶液熱交換器的溴化鋰濃溶液8 一同進入溶液吸收器進行混合稀釋，形成溴化鋰稀溶液1，以此往復循環，形成雙效吸收式制冷系統[6]。

圖1 煙氣型雙效溴化鋰吸收式制冷循環示意圖

1.2 系統熱力學性能校核

溴化鋰制冷循環熱力學性能校核計算主要有熱平衡校核計算和放氣范圍校核計算。熱平衡校核計算主要計算高壓發生、冷凝器、蒸發器、吸收器的熱量平衡關系，其平衡式如下：

式中：Qg為高壓發生器負荷，也為煙氣熱負荷；Qe為蒸發器負荷，即系統制冷量；Qc為冷凝器負荷荷；Qa為吸收器負荷。當熱平衡誤差小于1%時，符合系統熱平衡要求。

性能系數COP 定義為系統輸出能量與輸入能量的比值，反映了系統制冷能力的大小，一般雙溴化鋰制冷系統的COP 為1.1～1.5 之間，計算式為:

放氣范圍校核主要是計算系統循環中溴化鋰溶液濃度差值，計算式如下：

式中：ξd為進入發生器溶液濃度；ξd為流出發生器溶液濃度。該值大小反映了系統的運行經濟指標,放氣范圍越大則系統的經濟性越好，為了保證循環的經濟性和安全性，高壓發生器的放氣范圍通常為0.02～0.035，低壓發生器的放氣范圍通常取0.015～0.025，總放氣范圍應在0.03-0.06 之間[7]。

2 系統流程的建立和模擬

2.1 模型假設和物性方法的選擇

由于雙效吸收式機組結構復雜，為了簡化模型，分析主要影響參數，在模擬之前，作出以下假設[8]：系統基于穩態運行，系統各部件和管路之間沒有熱量損失和壓力損失。忽略溶液泵功影響，換熱單元均為逆流換熱，取對數平均溫差進行傳熱計算。溶液在吸收器中傳熱和傳質過程分開計算。吸收器壓力和蒸發器壓力相等，低壓發生器工作壓力和冷凝器壓力相等。吸收器出口稀溶液和發生器出口濃溶液均為飽和溶液。

物性方法的選擇是模擬中的一個關鍵步驟，溴化鋰為水溶液是強電解質，在模擬時采用適用于溴化鋰溶液的ELECNRTL 物性方法，同時選Wegstein 收斂方法進行模型收斂計算[9-10]，從而能夠確保溴化鋰吸收式制冷循環模擬結果的準確性和可靠性。

2.2 流程模型的建立

在穩定運行的工況假設條件下，采用Aspen Plus V9 模塊化建模方法，根據圖1 建立的制冷系統設備流程圖，選擇合理的單元操作模塊模擬各個主要設備，并通過物質流路關系將系統設備進行連接，搭建雙效溴化鋰制冷系統平臺，其流程模型見圖2。熱源進口煙氣為燃氣機做功后的產物，主要成分為氮氣，過量氧氣，水蒸氣和二氧化碳。

圖2 雙效吸收式制冷流程模型

在系統起始運行狀態下，模型建立所選用的單元模塊以及參數設定見表1。

表1 吸收式制冷系統單元操作模塊及參數設定

溶液物流參數和冷凍水以及冷卻水起始狀態參數設定見表2。

表2 吸收式制冷系統初始物流狀態參數設定

2.3 模擬計算結果

根據模型的建立，操作單元以及輸入物流參數的設定，對模擬流程進行模擬。為保證模型的準確性，參數的選取來源文獻[11]，并將模擬結果與文獻結果進行對比驗證。系統主要設備的負荷和狀態點的模擬計算結果見表3 和表4。

表3 系統主要設備的負荷模擬結果與對比

表4 系統物流循環各狀態點的模擬結果

由表3 和表4 可知，系統模擬結果與文獻結果誤差均在依1.0%以內，同時，系統熱平衡熱誤差為0.6%，符合系統熱平衡要求，系統總放氣范圍為0.05，符合系統放氣范圍要求。系統COP 為1.28。因此該模型可靠，可進行下一步模擬和分析。

3 參數變化對機組性能的影響分析

煙氣型雙效吸收式制冷機組的運行性能受多種因素的影響，在其他參數不變的情況下，本文模擬分析了煙氣進口溫度及流量變化、冷卻水進口溫度變化、冷凍水出口溫度變化對系統性能的影響。為便于分析，所有圖中煙氣流量，高壓發生器負荷與制冷量采用了對比值處理，即變工況與額定工況的比值。COP 及放氣范圍則為實際值。

3.1 煙氣進口溫度及流量變化對系統的影響

在模擬分析煙氣進口溫度及流量變化對系統的影響時，保持冷卻水進口溫度及流量以及冷凍水出口溫度及流量不變，并保證蒸發溫度為5 ℃，冷凝溫度為40 ℃時，通過改變煙氣溫度及流量，分析系統運行性能變化的影響（圖3～5）。

圖3 煙氣進口溫度和煙氣流量變化對制冷量影響

圖4 煙氣進口溫度和煙氣流量變化對COP 影響

由圖3～5 可知，制冷量隨著煙氣溫度和流量的增加而升高，這是因為隨著煙氣溫度和流量的增加，高壓發生器中流出的中間溶液濃度增加，產生的高壓冷劑蒸汽增加，從而導致低壓發生器吸熱量增加，流出的濃溶液濃度增加，系統的放氣范圍變大，因此制冷量也增加。當煙氣在300～500 ℃且保持某一溫度不變時，系統COP 隨著煙氣溫度和流量的增加呈先急劇上升后平穩的趨勢，這是因為隨著煙氣流量的增加，制冷量增加，吸收器和冷凝器熱負荷也增加，冷凝效果和吸收效果增強，吸收器出口稀溶液溫度增加，放氣范圍增大，因此COP 增加。但受機組本身制約，系統COP 最后趨于平穩。

從圖5 中可以知道，雖然制冷量和COP 都隨著煙氣溫度和流量的增加而升高，但是放氣范圍也一直在增加，當煙氣溫度為450 ℃和500 ℃、煙氣流量為130%和120%以上時，放氣范圍超了過系統經濟運行允許的最大值。而經濟性最低煙氣流量為0.03 的虛線與對應溫度曲線的交點，煙氣溫度為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃時所對應的經濟性最低流量分別為140%、110%、90%、75%、65%。因此，煙氣流量和溫度既不能無限增加，也不能一直減少，而應保持在某一區間范圍內，才能使得制冷系統的經濟性和安全性得到保障。

圖5 煙氣進口溫度和煙氣流量變化對放氣范圍影響

3.2 冷卻水進口溫度變化對系統的影響

在保持煙氣進口溫度及流量與額定工況一致，冷凍水出口溫度和流量不變情況下，冷卻水進口溫度由26 ℃升高至38 ℃時，系統高壓發生器負荷、制冷量、COP 以及放氣范圍的變化見圖6 和圖7。

圖6 冷卻水進口溫度變化對高壓發生器負荷和制冷量的影響

圖7 冷卻水進口溫度變化對COP 和放氣范圍的影響

由圖6 和與7 可知，系統高壓發生器負荷，系統制冷量，COP 和放氣范圍都隨著冷卻水進口溫度的升高而降低。這是因為在稀溶液流量不變的情況下，隨著環境溫度的升高，冷卻水進口溫度升高，使得吸收器換熱溫差減少，吸收器內吸收效果減弱，不利于蒸發器內的制冷劑蒸發，吸收器出口的稀溶液濃度升高。同時也使得冷凝器內冷凝溫度和冷凝壓力升高，高低壓發生器出口溶液濃度降低，系統放氣范圍降低，產生的制冷劑蒸汽減少，因此制冷量和COP 都減少。

結果顯示，冷卻水進口溫度由26 ℃升高至38 ℃時，系統COP 由1.36 降低至1.03，制冷量由110%降低至70%，放氣范圍由0.063 降低至0.026。由放氣范圍變化可知，冷卻水進口溫度不可以過低，當進口溫度低于27 ℃時，會使得系統放氣范圍高于0.06，同時也會導致溴化鋰溶液結晶，影響系統運行的經濟性和安全性。同時當冷卻水進口溫度高于37 ℃時，會導致系統放氣范圍低于0.03，同時系統制冷量和COP 均降低，影響系統運行性能。由圖7 可知，較為合理的冷卻水進口溫度為27～37 ℃。

3.3 冷凍水出口溫度變化對系統的影響

在保持煙氣進口溫度及流量與額定工況一致，冷卻水進口溫度和流量不變的情況下，冷凍水出口溫度由4 ℃升高至10 ℃時，系統高壓發生器負荷，制冷量，COP 以及放氣范圍的變化見圖8 和圖9。

圖8 冷凍水出口溫度變化對高壓發生器負荷和制冷量的影響

圖9 冷凍水出口溫度變化對COP 和放氣范圍的影響

由圖8 和與9 可知，系統高壓發生器負荷，系統制冷量、COP 和放氣范圍都隨著冷凍水出口溫度的升高而升高。這是因為在系統稀溶液流量不變的情況下，隨著冷凍水出口溫度的升高，蒸發器內蒸發溫度和蒸發壓力升高，促使了吸收器內的吸收效果增強，使得吸收器出口稀溶液的濃度降低，同時高低壓發生器出口溶液的濃度升高，系統總放氣范圍增大，發生器產生的制冷劑蒸汽增加，因此會使得系統的制冷量和COP 都增加。

結果顯示，冷凍水出口溫度由4 ℃升高至10 ℃時，系統COP 由1.15 升高至1.33，制冷量由78%升高至112%，放氣范圍由0.022 升高至0.64。雖然冷凍水出口溫度越高，系統性能越好，但是由放氣范圍變化可知，冷凍水出口溫度不可以過高。當出口溫度高于9 ℃時，會導致系統放氣范圍高于0.06，超出系統經濟運行的最大范圍。同時冷凍水出口溫度也不能過低，當出口溫度低于5 ℃時，系統的放氣范圍低于0.03，系統制冷量和COP 均降低，且冷凍水溫度過低，容易導致蒸發器內冷劑水或者冷凍水結冰，影響系統的正常運行。由圖9 可知，較為合理的冷凍水出口溫度為5～9 ℃。

4 結論

基于Aspen Plus V9 平臺，建立了制冷量為40 kW的煙氣型雙效溴化鋰吸收式制冷系統流程模型，并分析了煙氣流量及溫度、冷卻水進口溫度、冷凍水出口溫度對系統運行的影響。結果表明：

1）煙氣型制冷機組的制冷量和COP 均隨著煙氣溫度和流量的增加而升高，受放氣范圍限制，煙氣流量和溫度既不能無限增加，也不能一直減少，而應保持在某一區間范圍內，才能使得制冷系統的經濟性和安全性得到保障。煙氣溫度為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃時所對應的經濟性最低流量分別為額定工況流量的140%、110%、90%、75%、65%。煙氣溫度為450 ℃和500 ℃時，對應的經濟性最高煙氣流量為額定工況流量的130%和120%。

2）冷卻水進口溫度和冷凍水出口溫度對系統的運行都有顯著影響，在保持煙氣進口溫度及流量與額定工況一致情況下，系統性能隨冷卻水進口溫度的升高而降低，隨冷凍水出口溫度的升高而升高。在保證系統安全性和經濟性運行的前提下，以及其他參數不變的情況下，冷卻水溫度不能無限降低，冷凍水出口溫度不能無限增大，較為合理的冷卻水進口溫度為27～37 ℃，較為合理的冷凍水出口溫度為5～9 ℃。