基于Trnsys冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能研究

陳興樂，虞育杰，朱紀云，李 陽

（貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025）

0 引 言

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)和社會發(fā)展的動力，隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人類對能源的需求激增，導致能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴重，亟需將能源利用方式從傳統(tǒng)粗放向集約轉(zhuǎn)型。天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以提高化石能源的綜合利用效率，減少環(huán)境污染，同時提供電、冷、熱等多種能源形式，可實現(xiàn)“功熱并供的梯級利用”，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

Trnsys即為瞬時模擬仿真軟件，其基于模塊化分析，適用于大型復雜的熱力系統(tǒng)，對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的模擬仿真有很好的適應(yīng)性。能效分析作為體現(xiàn)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)越性與指導工程項目決策的有力依據(jù)，是CCHP推廣應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。基于熱力學第一定律的熱平衡分析方法，無法區(qū)分能量在品位上的不等價性，具有一定的應(yīng)用局限性。而基于熱力學第二定律的火用分析法，區(qū)分了電量、冷量、熱量在火用分析法計及功和熱與冷在熱力學方面的不等價性，評價的結(jié)果更加合理。楊博等人研究了閉式布雷頓循環(huán)CCHP系統(tǒng)設(shè)備的火用效率，得到主要系統(tǒng)參數(shù)對火用效率的影響。陳永超對某一酒店CCHP系統(tǒng)進行火用分析，考慮研究關(guān)注的計及系統(tǒng)運行參數(shù)和運行策略對火用效率的影響并進行優(yōu)化。

本文采用Trnsys軟件基于火用分析法，對貴州某工業(yè)園區(qū)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)額定工況下的循環(huán)進行了詳細的火用分析，所得結(jié)果可對天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的改進和優(yōu)化提供一定的理論支持。

1 系統(tǒng)概述

貴州某工業(yè)園區(qū)天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的額定工況下的熱力系統(tǒng)主要由天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組發(fā)電、缸套水制取生活熱水、煙氣雙效型溴化鋰吸收式熱泵和電壓縮式熱泵供冷／熱四部分組成。

系統(tǒng)運行原理為：天然氣進入燃氣內(nèi)燃機內(nèi)燃燒做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電功率首先滿足園區(qū)內(nèi)用電需求，多余電量上主動配電網(wǎng)；天然氣在內(nèi)燃機中燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣進入吸收式熱泵，驅(qū)動吸收式熱泵制冷；在燃氣內(nèi)燃機燃燒發(fā)電的過程中產(chǎn)生的高溫缸套水，可通過板式換熱器與自來水換熱，向用戶提供生活熱水；電壓縮式熱泵在本系統(tǒng)內(nèi)的作用，是在用電低谷期將電用于制冷并將能量用儲能裝置儲存起來，在用電高峰期時能讓電壓縮式熱泵不工作，蓄能罐補充冷量，既減少了用電，也能及時補充用戶供冷的不足。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Thermal flowchart

2 仿真模型及分析方法

2.1 仿真模型

搭建天然氣CCHP系統(tǒng)的仿真模型，需要調(diào)用Trnsys軟件自帶的基本設(shè)備模型。其中，內(nèi)燃機模型選用Type907，煙氣或蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機組選用Type676，電壓縮式熱泵選用Type666。搭建模型如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)圖Fig.2 Simulation system diagram

為了驗證軟件建立的聯(lián)供系統(tǒng)模型的準確性，獲取額定工況下的仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比。系統(tǒng)在額定工況下的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與設(shè)計工況參數(shù)基本匹配。其主要參數(shù)的相對誤差在2%以內(nèi)，說明在Trnsys中設(shè)備模型的精度達到仿真要求。仿真工況與設(shè)計工況主要參數(shù)對比情況見表1。

表1 仿真工況與設(shè)計工況參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation condition and design operating condition

2.2 火用分析方法

火用是指在環(huán)境條件下某種能量可以轉(zhuǎn)化有用功的最大值。在實際轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地會有一部分可用功將轉(zhuǎn)化為不可用功，稱為火用損失。火用效率是指收益火用與代價火用的比值，反映火用的利用程度。系統(tǒng)中將各部件假設(shè)為穩(wěn)定開口系，其比火用和火用效率計算公式為：

其中，、分別為系統(tǒng)內(nèi)的流體和參考狀態(tài)下流體的比焓（kJ／kg），、分別為系統(tǒng)內(nèi)流體和參考狀態(tài)下流體的熵（kJ／（kg·K）），E、E為收益火用和代價火用（kW）。

天然氣CCHP系統(tǒng)中包含多個設(shè)備，各設(shè)備內(nèi)流體的物性變化較為復雜，因此在模擬計算前做以下假設(shè)：

（1）系統(tǒng)處于熱平衡和穩(wěn)定流動狀態(tài)。

（2）忽略各設(shè)備進出口工質(zhì)的動能和位能。

（3）忽略熱損失、阻力損失、壓力損失及泵功。

本文以298.15 K和0.1 MPa為環(huán)境參考溫度和參考壓力，設(shè)定該狀態(tài)為火用分析的基準。水和水蒸氣的物性參數(shù)和LiBr溶液的物性參數(shù)分別由LiBr溶液焓熵經(jīng)驗公式和IAPWS-IF97公式計算得到。

3 結(jié)果分析

3.1 缸套水制取生活熱水的火用分析

發(fā)電機組在額定工況下的設(shè)計參數(shù)見表2，以此為基礎(chǔ)對缸套水制取生活熱水進行火用分析計算。發(fā)電機組發(fā)電后產(chǎn)生的中冷水和高溫缸套水，在換熱器1和換熱器2中加熱自來水制取生活熱水。經(jīng)過計算后可得，換熱器1、2的火用效率分別為31.44%和24.85%。換熱器1的火用效率比換熱器2火用效率高，主要是因為換熱器2的換熱溫差大于換熱器1，以致產(chǎn)生了更多的火用損。

表2 發(fā)電機組設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of the generator set

3.2 電壓縮式熱泵火用分析

電壓縮式熱泵供冷工況火用損系數(shù)見表3，電壓縮式熱泵各部件火用損如圖3所示。從表3和圖3可以看出：在額定供冷工況下，電壓縮式熱泵的火用效率為17.71%。各部分火用損失由大到小依次為：壓縮機、循環(huán)水、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥。其中，火用損最大的設(shè)備是壓縮機，火用損系數(shù)為26.93%。分析火用損較大的原因，主要是在壓縮過程中，機械摩擦和非等熵壓縮過程增加了制冷劑的熵值，因此可選用壓縮效率、機械效率高的壓縮機來降低火用損。電壓縮式熱泵節(jié)流閥處的火用損小，這是因為工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥時的溫降和壓降都較小。在供冷工況下，循環(huán)水在冷凝器中吸熱，可認為循環(huán)水帶走了電壓縮式熱泵的熱量火用，產(chǎn)生了火用損。

表3 電壓縮式熱泵供冷工況火用損系數(shù)Tab.3 Exergic loss coefficients in cooling condition of the electric compression heat pump

圖3 電壓縮式熱泵各部件火用損Fig.3 Exergic loss of all components in the electric compression heat pump

3.3 煙氣雙效型吸收式熱泵火用分析

吸收式熱泵火用損系數(shù)見表4。吸收式熱泵各部件火用損系數(shù)如圖4所示。由表4和圖4中可以看出：在額定工況下，煙氣雙效型吸收式熱泵供冷的火用效率為13.23%，吸收式熱泵的各組件火用損失由大到小依次為：高壓發(fā)生器、循環(huán)水、吸收器、低壓發(fā)生器、高溫熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、低溫熱交換器、節(jié)流閥。高壓發(fā)生器是吸收式熱泵火用損失最大的部分，火用損系數(shù)為30.32%，其主要原因是高壓發(fā)生器存在高溫煙氣加熱溴化鋰溶液的過程，且換熱溫差較大。其次是循環(huán)水，主要原因是在供冷工況下用于冷卻的循環(huán)水的流量較大帶走了大量的熱。吸收器火用損失較大的原因一方面與溴化鋰溶液的性質(zhì)有關(guān)，一方面由于吸收過程會放出熱量，產(chǎn)生外部火用損所致。

圖4 吸收式熱泵各部件火用損Fig.4 Exergic loss of all components in the absorption heat pump

表4 吸收式熱泵火用損系數(shù)Tab.4 Exergic loss coefficients in absorption heat pump

3.4 負荷率對系統(tǒng)火用效率的影響

為反映系統(tǒng)負荷率對系統(tǒng)火用效率的影響，在已搭建好的Trnsys模型中設(shè)定負荷率分別為：工況1負荷率100%、工況2負荷率90%、工況3負荷率70%、工況4負荷率50%，對這4種工況分別進行模擬仿真，并計算不同負荷率下的系統(tǒng)火用效率。其中，天然氣消耗量為各個工況的實際測量值，燃料比火用取天然氣的低位發(fā)熱值45 546.066 kJ／kg。研究得到的火用效率隨負荷率的變化曲線如圖5所示。

圖5 火用效率隨負荷率變化Fig.5 The variation of exergic efficiency with the load rate

系統(tǒng)火用效率計算公式為：

其中，為系統(tǒng)的發(fā)電量；E為系統(tǒng)輸出的冷量火用；E為系統(tǒng)輸出的熱量火用；E為系統(tǒng)輸入的燃料火用。

通過圖5可以看出，系統(tǒng)火用效率是當負荷率在90%左右達到最大值；在50%～70%區(qū)間增長明顯，負荷率提高20%，火用效率增加2.35%；在70%～90%區(qū)間增長放緩；負荷率提高20%，火用效率只增加0.36%；負荷率在90%～100%區(qū)間火用效率隨著負荷率的增長而降低，負荷率增加10%，火用效率降低1.22%。

系統(tǒng)的負荷率對排煙溫度影響較大，燃氣內(nèi)燃機的排煙溫度和流量與系統(tǒng)負荷率和呈正相關(guān)。適合的煙氣流量和煙氣進口溫度，可以使得吸收式熱泵獲得最大的效率。因此，該系統(tǒng)火用效率并未隨著負荷率的增加而增加，在90%負荷率左右時火用效率達到最高且較為合理。

3.5 回收低溫煙氣對系統(tǒng)火用效率的影響

在額定工況下，燃氣內(nèi)燃機排出的煙氣溫度約為520℃，經(jīng)吸收式熱泵回收利用后，排出的煙氣溫度約為150℃，這一部分煙氣可用于加熱生活熱水，以提高系統(tǒng)的火用效率。根據(jù)內(nèi)燃機廠家提供的設(shè)備參數(shù)，在額定工況下系統(tǒng)的煙氣流量為2 576 kg／h，忽略煙氣在換熱過程中的質(zhì)量損失。利用低溫煙氣制取生活熱水的換熱公式為：

其中，為換熱量（kW）；為質(zhì)量流量（kg／s）；為定壓比熱容，煙氣取1.134 kJ／（kg·K），水取4.19 kJ／（kg·K）；為換熱前后溫差。

經(jīng)計算低溫煙氣每秒可加熱0.559 kg的15℃自來水至60℃，可回收4.465 kW的火用，提高系統(tǒng)0.32%的火用效率。

4 結(jié)束語

本文采用Trnsys軟件基于火用分析法對貴州某工業(yè)園區(qū)的CCHP系統(tǒng)在額定工況下的性能進行了研究，經(jīng)試驗分析結(jié)論如下：

（1）在該CCHP系統(tǒng)中，煙氣雙效吸收式熱泵在額定工況下火用損失最大的設(shè)備是高壓發(fā)生器，可采用溫度適合的煙氣來加熱溴化鋰溶液或提高高壓發(fā)生器中的壓力，以提高溴化鋰溶液溫度，減小換熱溫差以降低系統(tǒng)火用損。

（2）保持系統(tǒng)維持在90%左右的負荷率，可提高系統(tǒng)的火用效率。

（3）如果利用吸收式熱泵排出的低溫煙氣制取生活熱水，可回收4.465 kW的火用，提高系統(tǒng)0.32%的火用效率。