龍?zhí)旌?張 偉

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燃氣三聯(lián)供和江水源熱泵復合系統(tǒng)數(shù)學模型的建立和分析

龍?zhí)旌?張 偉

（重慶大學 重慶 400045）

當今世界能源緊缺，燃氣三聯(lián)供和江水源熱泵的復合系統(tǒng)能提高能源利用率，且之前研究較少。針對冷熱電三聯(lián)供和江水源熱泵組成的復合聯(lián)供系統(tǒng)，通過建立復合系統(tǒng)數(shù)學模型，對復合聯(lián)供系統(tǒng)進行分析。建模的主要設備包括內(nèi)燃機、煙氣熱水型吸收式制冷機組、江水源熱泵機組。分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機的發(fā)電效率隨著機組負載率的增加而增加，當機組負載率低于50%時，機組發(fā)電效率隨著負載率降低而急劇下降，機組發(fā)電高效區(qū)間出現(xiàn)在50%-100%。煙氣熱水型吸收式制冷機組熱力系數(shù)受冷卻水溫度及煙氣溫度的影響，冷卻水溫度越高熱力系數(shù)越低，煙氣溫度越高熱力系數(shù)越高。

分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)；水源熱泵；復合聯(lián)供系統(tǒng)；數(shù)學模型

0 引言

在當今世界能源緊缺的大背景下，節(jié)能已成為社會的主要議題，提高能源利用率作為重要節(jié)能手段已備受關注。分布式冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)同時可提供冷、熱和電等多種終端能源，符合“溫度對口，梯級利用”的科學用能原則，實現(xiàn)了能源的梯級、高效利用，有效提高能源利用率。而水源熱泵系統(tǒng)能通過輸入少量高品位電能實現(xiàn)將低溫位熱能向高溫位轉移，是國家鼓勵大力發(fā)展的可再生能源利用技術。本文針對冷熱電三聯(lián)供和江水源熱泵組成的復合聯(lián)供系統(tǒng)，建立了復合系統(tǒng)冷熱源的數(shù)學模型，并對其進行了分析。

1 復合聯(lián)供系統(tǒng)形式

本文依托項目為重慶某CBD江水源熱泵分布式能源項目。項目全年總需冷量為50035.8MWh，全年耗熱量為17812.7MWh，建筑群冬夏季空調(diào)負荷均呈現(xiàn)低負荷率、離散性大的特點，其中，夏季空調(diào)負荷主要集中在滿負荷的50%以下，冬季大部分時間負荷率為20%～50%，夏季和冬季負荷率大于50%時間頻率僅為0.2130和0.1191，冬夏季高負荷率出現(xiàn)時間有限。全年生活熱水負荷總耗熱量為14475.9MWh，全年最高負荷為5238.76kW，出現(xiàn)在冬季，過渡季最大負荷為3797.46kW。

考慮到本項目建筑群密集度比較高，冷熱負荷特性比較一致，且靠近長江，具有就近利用可再生能源的先天優(yōu)勢。同時，該地區(qū)有充足方便的天然氣供應，因此，該項目非常適合建設天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)和江水源熱泵系統(tǒng)，并具備區(qū)域集中供冷供熱的條件。此復合能源系統(tǒng)的設計中，采用“以熱定電，熱電平衡”運行方式，能源站的基本電力需求由動力裝置供應，電力不足部分由電網(wǎng)補充，電量富余部分進行上網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一輸配。

1.1 燃氣發(fā)電機組的確定

在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中，因為要滿足供熱和供冷的需求，所以余熱鍋爐的利用情況較少，主要是利用煙氣或熱水型吸收機，吸收發(fā)電機的煙氣和缸套水余熱作為熱源，實現(xiàn)供冷、供熱要求。燃氣內(nèi)燃機由于其發(fā)電效率高、對燃氣壓力要求較低的突出優(yōu)勢在國內(nèi)外城市中小型分布能源項目中得到廣泛應用。根據(jù)本項目條件以及運行方式，突出分布式發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的貢獻，選擇4臺總容量為7460kW的燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組方案作為本項目優(yōu)先考慮的系統(tǒng)方案。

1.2 余熱利用設備和輔助冷熱源的確定

燃氣內(nèi)燃機組的余熱形式為高溫煙氣和高溫冷卻水，由此確定了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的流程。

在供冷季，溴化鋰雙效吸收式制冷機組吸收發(fā)電機組的高溫排煙作為高壓發(fā)生器的高溫熱源進行供冷，再排出溫度約160℃左右的煙氣。內(nèi)燃機組的缸套冷卻水進入溴化鋰雙效吸收式制冷機組的低壓發(fā)生器，作為吸收機的低溫熱源制取冷量，冷負荷不足部分由江水源熱泵機組進行補充。經(jīng)過吸收機回收利用后的缸套水有10～15℃的溫降，這個溫度變化基本能滿足內(nèi)燃機的冷卻水要求。燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組低溫冷卻水出口溫度約50℃，水溫較低并且熱能較少，因此一般不再加以利用，直接利用江水換熱或是通過換熱器進行冷卻至設定溫度再回到發(fā)電機，如圖1所示。

圖1 夏季復合系統(tǒng)流程圖

在供暖季，內(nèi)燃機機組的高溫排煙進入溴化鋰雙效吸收式制冷機組的高壓發(fā)生器，與供暖回水進行換熱，排煙溫度降至約160℃。同時缸套水通過板式熱交換器回收余熱，共同提供空調(diào)供熱或是生活熱水，不足部分由江水源熱泵機組補充，如圖2所示。燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組低溫冷卻水流程與夏季相同。過渡季時只開啟動力裝置，通過回收余熱制取生活熱水，不足部分通過吸收式機組補燃來補充。

因此，先根據(jù)內(nèi)燃機組的余熱排熱量確定溴化鋰吸收式制冷機組的額定制冷量，吸收機與內(nèi)燃機采用一對一進行配置；再按照建筑群的熱負荷確定江水源熱泵機組的臺數(shù)及容量。

綜合比較之下，確定采用發(fā)電機余熱優(yōu)先保證空調(diào)使用的原則，在空調(diào)負荷大的時段，衛(wèi)生熱水利用天然氣鍋爐加熱，非空調(diào)季節(jié)和空調(diào)負荷低的時段，衛(wèi)生熱水利用內(nèi)燃發(fā)電機余熱加熱的方式，簡化系統(tǒng)控制，提高運行可靠性。

圖2 冬季復合系統(tǒng)流程圖

根據(jù)本文依托項目的建設情況，復合系統(tǒng)冷熱源設備容量如表1所示。

表1 復合系統(tǒng)冷熱源設備容量表

2 冷熱源數(shù)學模型

2.1 內(nèi)燃機

為了響應建筑負荷變化，內(nèi)燃機不可避免地長時間在部分工況模式下運行，因此這里主要分析內(nèi)燃機的變工況特性。

一般將內(nèi)燃機燃料燃燒放出的熱量分為5部分，內(nèi)燃機熱平衡即指輸入發(fā)電機的總能量的分配情況，可表示為：

式中：Q為發(fā)電機所消耗燃氣燃燒放出的總能量，kW；Q為轉化為有用功的熱量，kW；Q為冷卻水帶走的熱量，kW；Q為排氣帶走的熱量，kW；Q為潤滑油帶走的熱量，kW；Q為其他散熱損失，kW。

一般的內(nèi)燃機可回收的余熱主要包括缸套水和煙氣帶走的熱量。內(nèi)燃機的冷卻水系統(tǒng)包括高溫冷卻水（缸套水）和中溫冷卻水，高溫冷卻水出口溫度一般在70℃-100℃，這部分熱量能量品位較低，但數(shù)量較大，中溫冷卻水是用于冷卻內(nèi)燃機增壓器的出口空氣，提高進入燃燒室空氣密度，溫度一般在50℃左右，數(shù)量較少，直接通過換熱器排給江水。內(nèi)燃機排煙能達到350-450℃，這部分煙氣余熱可直接進入煙氣型吸收機高溫發(fā)生器進行制冷，也可提供生活熱水[1-5]。

進一步對內(nèi)燃機進行性能分析，內(nèi)燃機工作時各性能參數(shù)與物理量間有如下關系：

式中：發(fā)電為發(fā)電機的耗氣量，m3/h；為天然氣低位熱值，kWh/Nm3（取9.7kWh/Nm3）；C、、分別為缸套水的比熱、密度、體積流量；ΔT、ΔT分別為缸套水進出口溫差、排煙回收溫差（按最終排煙溫度160℃計算）；C、分別為內(nèi)燃機排煙的比熱、質量流量；η、η、η分別為缸套水熱利用率、煙氣熱利用率、發(fā)電效率。

內(nèi)燃機煙氣余熱利用有很多種形式，本項目中采用吸收式制冷機組直接連接，高溫煙氣直接進入吸收機組高溫發(fā)生器進行放熱，在吸收機組中換熱至160℃后再排出，缸套水直接進入吸收機機組低溫發(fā)生器進行換熱，回水溫度為70℃。

關于內(nèi)燃機的變工況模型，國內(nèi)外學者都做過很多研究[6-9]，這里參考之前學者所得出的通用特性關系，該通用特性關系是作者根據(jù)大量數(shù)據(jù)得到，如式（8）、（9）：

內(nèi)燃機煙氣溫度隨負荷率變化情況見圖3。

圖3 內(nèi)燃機煙氣溫度隨負荷率的變化

根據(jù)擬選用機組參數(shù)及內(nèi)燃機通用特性關系得到煙氣溫度T關于負載率的關系式：

圖4 內(nèi)燃機發(fā)電效率隨負荷率的變化

圖4為內(nèi)燃機發(fā)電效率隨機組負載率變化情況。

根據(jù)廠家所提供數(shù)據(jù)，通過軟件origin8.0對數(shù)據(jù)進行擬合，即可得到發(fā)電機組耗氣量發(fā)電和機組負載率之間的關系式：

根據(jù)廠家提供的各個過程的熱量數(shù)據(jù)，結合公式（14），可得到內(nèi)燃機變工況下缸套水熱利用率曲線。

在公式（4）中，為了便于計算分析，假定內(nèi)燃機排煙煙氣組成成分的質量分數(shù)比，則查標準壓力下的煙氣熱物理性質表，取多個溫度點數(shù)據(jù)再進行擬合可得到煙氣定壓比熱與煙氣溫度的關系式。結合上述得到煙氣溫度、流量模型及公式（6）可得到內(nèi)燃機排煙溫度換熱至160℃時的煙氣余熱回收利用率曲線。

聯(lián)立不同部分負荷下的內(nèi)燃機發(fā)電效率、缸套水利用率及煙氣余熱利用率，就可獲得燃氣內(nèi)燃發(fā)電機的能源總利用率情況，如圖5所示。

圖5 JGS320內(nèi)燃機的總能源利用率構成

用origin8.0軟件進行數(shù)據(jù)擬合得到本項目所選用內(nèi)燃機JGS320缸套水余熱利用率η，煙氣余熱利用率η，發(fā)電效率η與機組負載率關系式如下：

2.2 BrLi吸收式制冷機組模型分析

煙氣熱水型吸收式制冷機組影響機組性能的因素一般有機組負荷率、供冷溫度及流量、冷卻水回水溫度及流量、供熱溫度及流量等，在冷卻水定流量情況下，吸收式機組負荷率變化很小，煙氣流量基本不變，所以這里主要考慮煙氣溫度和冷卻水進水溫度對機組性能的影響，當吸收機進行補燃時，天然氣燃燒所得煙氣與內(nèi)燃機排煙混合后進入高溫發(fā)生器，此時可以認為煙氣溫度為額定煙氣溫度。夏季制冷工況下，根據(jù)廠家提供的相關數(shù)據(jù)，得到吸收機組性能特性曲線如圖6、7所示。

圖6 吸收機的性能特性曲線

圖7 吸收機補燃工況下的性能特性曲線

用軟件對曲線進行擬合可得到機組關于冷卻水進水溫度T和煙氣溫度T的關系式：

冬季制熱工況時，低壓發(fā)生器、冷凝器、吸收器均不工作，不通冷卻水，所以冬季制熱系數(shù)與冷卻水無關，只受煙氣溫度的影響，由于煙氣熱水型吸收機同時由煙氣和低溫缸套水制熱，其綜合制熱系數(shù)較穩(wěn)定，所以吸收機的冬季制熱系數(shù)為其額定制熱系數(shù)0.93。

2.3 江水源熱泵

離心式機組最大特點是：機組高負載率時能效很高，機組低負載率時，能效很低。實際運行時，應盡量讓離心機在高效區(qū)運行，避免機組低效率的出現(xiàn)。本項目中的江水源機組均采用離心機，考慮到本項目中熱泵機組是作為輔助冷熱源，大部分工況中，熱泵機組處于部分負荷率下運行，同時由于采用的是江水源作為系統(tǒng)的冷熱源，而江水溫度隨著季節(jié)也在時刻發(fā)生著變化，因此找出機組在不同負荷率以及江水溫度下的運行規(guī)律，對機組高效運行起著至關重要的作用。有學者介紹了機組負荷率、冷卻水進出水溫度以及蒸發(fā)器進出水溫度對機組性能的影響，經(jīng)驗證模型具有較高的精確度，能夠較精確地確定機組在特定負荷率、冷卻水進出水溫度、蒸發(fā)器進出水溫度下的性能。具體模型如下所示[10-12]：

制冷工況：

制熱工況：

式中：COP為基礎性能系數(shù)，額定蒸發(fā)器及冷凝器水溫工況；Φ為冷凝器水溫修正系數(shù)，用于描述冷凝器水溫在非額定工況時機組的變化情況；Φ為蒸發(fā)器水溫修正系數(shù)，用于描述蒸發(fā)器水溫在非額定工況時機組的變化情況；COP為用戶選用的機組額定工況下的；為機組負荷率；t為冷凝器進水溫度，℃；t為蒸發(fā)器進水溫度，℃；t為冷凝器出水溫度，℃；t為蒸發(fā)器出水溫度，℃。

3 模型分析

由圖3可知煙氣溫度越高，能量品位越高，越有利于余熱利用設備進行利用，應盡量避免使機組在低負荷率工況下運行。

由圖4可以看出，機組發(fā)電高效區(qū)間出現(xiàn)在50%-100%，機組JGS320基本能達到36%以上，機組JMS616能達到38%以上。所選用兩臺內(nèi)燃機都具有較好的部分負荷特性，都能保證機組負載率高于50%時保持較高的發(fā)電效率。

由圖5可看出，內(nèi)燃機雖然在部分負荷下的發(fā)電效率變化較大，尤其是低負載率時的發(fā)電效率急劇下降，但總能源利用率較穩(wěn)定。

由圖6可知，在冷卻水進水溫度相同的情況下，機組COP隨著煙氣溫度的升高而緩慢升高。由圖7可知，機組COP隨冷卻水進口溫度的升高而降低，且基本呈線性下降的趨勢。所以，在夏季制冷工況時，應避免吸收機組的冷卻水進水溫度過高。

4 總結

本文主要結合依托項目的特點，確定燃氣冷熱電三聯(lián)供和江水源熱泵復合系統(tǒng)形式，包括動力裝置、余熱利用裝置等的選擇。

（1）從內(nèi)燃機為基礎的復合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)變工況性能分析出發(fā)，以項目實際數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析內(nèi)燃機在部分負荷下的運行性能。機組發(fā)電高效區(qū)間出現(xiàn)在50%-100%，且總能源利用率較穩(wěn)定。

（2）發(fā)電機在變工況模型下運行時煙氣熱水型吸收式制冷機組的熱力系數(shù)模型主要考慮冷卻水溫度和煙氣溫度的影響。其熱力系數(shù)隨冷卻水溫升高而降低，在冷卻水進水溫度相同的情況下，熱力系數(shù)隨著煙氣溫度的升高而緩慢升高。

（3）江水源熱泵的熱力系數(shù)主要考慮江水溫度和負荷率的影響，建立冷熱源變工況模型。

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Mathematical Modelling and Studying of the Composite System of CCHP and River Water Source Heat Pump

Long Tianhe Zhang Wei

( Chongqing university, Chongqing, 400045 )

The composite system of CCHP and river water source heat pump can increase energy efficiency, but few researches have been undertaken about it under the background of lack of energy. Aiming at the composite cogeneration system composed of the cold heat and power tri-generation system and the river water source heat pump system, this article carries on analysis of the composite cogeneration system through building the mathematical model. The main equipment includes internal combustion engines, gas hot water operated absorption refrigeration units and river water source heat pump units. Analysis shows that the power generation efficiency of internal combustion engine increases as the unit load rate increases. When the unit load rate is lower than 50%, the efficiency of generating units fall sharply as the load rate reduces. Generating efficient range of generating units appeared in 50%-100%. The thermal coefficient of hot water operated flue gas absorption refrigeration unit is affected by cooling water temperature and the flue gas temperature, the higher the cooling water temperature refrigeration coefficient is lower, the higher the flue gas temperature refrigeration coefficient is higher.

The Distributed Combined Cooling, Heating and Power Tri-Generation System; Water Source Heat Pump; Composite Cogeneration System; Mathematical Modelling

TU831.3

A

1671-6612（2018）02-125-06

四川省科技計劃項目（計劃編號：2014GZ0133）

龍?zhí)旌樱?993.12-），男，在讀碩士研究生，E-mail：459005220@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，E-mail：1181367768@qq.com

2017-09-12