熱泵熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究

李濱惠，趙麒

(長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

長(zhǎng)春工程學(xué)院種子基金(320140029)

主要研究熱力系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

摘要：基于不同性能標(biāo)準(zhǔn)分析研究了一個(gè)帶有外部不可逆性的卡諾與熱泵聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)性能。分別在不同標(biāo)準(zhǔn)下確定新的熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。研究性能對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。得到的結(jié)果可為熱泵和熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合的電廠提供更現(xiàn)實(shí)的性能評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：熱泵；熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合系統(tǒng)；性能評(píng)價(jià)

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.016

收稿日期：2015-07-08

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳項(xiàng)目(120150044)

作者簡(jiǎn)介：李濱惠(1962-)，女(漢)，遼寧錦州，講師

中圖分類號(hào)：TM621.4獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

熱電聯(lián)產(chǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、紡織、造紙等同時(shí)需要熱能和電能的行業(yè)，它的應(yīng)用減少了50%的能源的消耗。近些年，國(guó)內(nèi)外許多研究人員開(kāi)始關(guān)注電廠熱力系統(tǒng)改造方法的研究，1997年，Horlock[1]提出提高熱發(fā)電效率的一個(gè)組合方案，所有的聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)均串聯(lián)一個(gè)熱泵，F(xiàn)ew PC[2]報(bào)道了一種聯(lián)產(chǎn)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用能夠帶來(lái)早期收獲及額外經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。Curti V[3-4]等針對(duì)聯(lián)產(chǎn)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的區(qū)域能源系統(tǒng)的耦合使用進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明聯(lián)產(chǎn)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)的區(qū)域能源系統(tǒng)的耦合使用有益于對(duì)環(huán)境經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。文獻(xiàn)[5-8]分析了聯(lián)產(chǎn)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)在提高電廠的靈活性和電廠性能方面的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)電廠熱力系統(tǒng)的改造也提出了許多方法[9-15]。通常在這些研究中會(huì)使用不同的性能指標(biāo)，如()熱經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)等，但很少有基于熱力學(xué)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)的不同標(biāo)準(zhǔn)性能進(jìn)行比較的研究，尤其是聯(lián)產(chǎn)熱泵聯(lián)合系統(tǒng)。本文提出一種卡諾循環(huán)聯(lián)合熱泵的聯(lián)產(chǎn)模型，并對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)性能應(yīng)用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究。

1系統(tǒng)模型

聯(lián)合系統(tǒng)由常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)與熱泵供熱系統(tǒng)聯(lián)合組成，模型采用內(nèi)可逆卡諾循環(huán)模型(圖1)。

圖1　聯(lián)合系統(tǒng)模型

在模型中，考慮外部溫差傳熱的不可逆性，其他不可逆性忽略。本系統(tǒng)在三溫位TH，TL和TK之間循環(huán)，與此三溫位換熱的工作流體溫度分別為TX，TY和TZ。系統(tǒng)從高溫?zé)嵩碩H吸熱并向低溫?zé)嵩碩L排熱，產(chǎn)生的功一部分用于發(fā)電，一部分用于驅(qū)動(dòng)熱泵供熱，熱泵從溫度TK的熱源吸熱。由傳熱定律可知

qH=α(TH-TX) ，

(1)

qL=β(TY-TL)，

(2)

qK=γ(TZ-TK)，

(3)

式中α、β、γ分別為高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩础岜玫臀粺嵩磦?cè)的傳熱系數(shù)。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律熱源輸出功率為

w1=qH-qL，

(4)

熱泵制熱量

q′=w2+qK，

(5)

并且

q′=cop·w2，

(6)

式中w2、cop分別為熱泵消耗功率和熱泵的制熱性能系數(shù)。

則最后輸出功率為

w=w1-w2。

(7)

ew=w，

(8)

eq=q′(1-TL/TZ)，

(9)

eT=ew+eq。

(10)

將公式(1)～(10)代入得

eT=α(TH-TX)-β(TY-TL)-γ(TZ-TK)/(cop-1)+γ·cop·(TZ-TK)·(1-TL/TZ)/(cop-1)。

(11)

由熱力學(xué)第二定律得

α(TH-TX)/TX-β(TY-TL)/TY-γ(TZ-TK)/TZ/(cop-1)=0。

(12)

假設(shè)輸出功率與熱負(fù)荷的比已知，由下式確定：

R。

(13)

2性能指標(biāo)選擇

在滿足以上各式的前提下，選擇3個(gè)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)該聯(lián)合系統(tǒng)。

2.1　能量利用率

能量利用率由式(14)計(jì)算

(14)

能量利用率的表達(dá)式很簡(jiǎn)單，但不能夠反映能量質(zhì)的不同。

2.2　熱效率

熱效率是衡量熱力系統(tǒng)的常用指標(biāo)，由式(15)確定

(15)

(16)

3性能分析

圖2　無(wú)量綱總 率隨能量利用率變化曲線

圖3　無(wú)量綱總 率隨熱效率變化曲線

圖4　無(wú)量綱總 率隨 效率變化曲線

圖5　優(yōu)化性能隨輸出功率與熱負(fù)荷比的變化曲線

圖6為ψ對(duì)無(wú)量綱總率達(dá)最大值時(shí)的能量利用率(EUF*)、熱效率(ηA*)和效率(ηt*)的影響。隨著ψ的增加，EUF*、ηA*和ηt*都減小，但效率ηt*變化最小，說(shuō)明ψ值變化時(shí)無(wú)量綱總率達(dá)最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的效率幾乎不變。

圖6　ψ對(duì)優(yōu)化性能的影響

4結(jié)語(yǔ)

本文建立了只考慮外部傳熱溫差的內(nèi)可逆卡諾循環(huán)聯(lián)合熱泵的聯(lián)產(chǎn)模型并提出了3種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。在不同條件下計(jì)算分析并討論了各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。無(wú)量綱總率隨能量利用率、熱效率和效率先增大后減小，變化過(guò)程中存在最大值且效率對(duì)無(wú)量綱總率的影響較大。對(duì)于所有優(yōu)化結(jié)果，無(wú)量綱總率達(dá)最大值時(shí)的能量利用率EUF*對(duì)系統(tǒng)有著絕對(duì)的影響。

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The optimization of combine heat pump and cogeneration system

LI Bin-hui, et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：In this article, a performance analysis to a combine cycle system of Carnot with external irreversibilities and heat pump and cogeneration system based on alternative performance criteria has been studied. The optimum design parameters of the new heat cogeneration cycle have been determined in dierent criteria.The eects of design parameters on the exergetic performance are investigated, and the results are discussed. The obtained results may guide a more realistic criterion for actual plants with combine heat pump and cogeneration.

Key words：heat pump; combine heat pump and cogeneration system; performance criteria