基于Trnsys冷热电联供系统性能研究

陈兴乐，虞育杰，朱纪云，李 阳

（贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025）

0 引 言

能源是人类赖以生存的基础和社会发展的动力，随着世界经济的迅速发展，人类对能源的需求激增，导致能源紧缺和环境污染问题日益严重，亟需将能源利用方式从传统粗放向集约转型。天然气冷热电联供系统可以提高化石能源的综合利用效率，减少环境污染，同时提供电、冷、热等多种能源形式，可实现“功热并供的梯级利用”，符合国家可持续发展战略。

Trnsys即为瞬时模拟仿真软件，其基于模块化分析，适用于大型复杂的热力系统，对冷热电联产系统的模拟仿真有很好的适应性。能效分析作为体现天然气冷热电联供系统优越性与指导工程项目决策的有力依据，是CCHP推广应用的重要环节。基于热力学第一定律的热平衡分析方法，无法区分能量在品位上的不等价性，具有一定的应用局限性。而基于热力学第二定律的火用分析法，区分了电量、冷量、热量在火用分析法计及功和热与冷在热力学方面的不等价性，评价的结果更加合理。杨博等人研究了闭式布雷顿循环CCHP系统设备的火用效率，得到主要系统参数对火用效率的影响。陈永超对某一酒店CCHP系统进行火用分析，考虑研究关注的计及系统运行参数和运行策略对火用效率的影响并进行优化。

本文采用Trnsys软件基于火用分析法，对贵州某工业园区的冷热电联供系统额定工况下的循环进行了详细的火用分析，所得结果可对天然气冷热电联供系统的改进和优化提供一定的理论支持。

1 系统概述

贵州某工业园区天然气冷热电联供系统的额定工况下的热力系统主要由天然气内燃机发电机组发电、缸套水制取生活热水、烟气双效型溴化锂吸收式热泵和电压缩式热泵供冷／热四部分组成。

系统运行原理为：天然气进入燃气内燃机内燃烧做功，带动发电机发电，发电功率首先满足园区内用电需求，多余电量上主动配电网；天然气在内燃机中燃烧产生的高温烟气进入吸收式热泵，驱动吸收式热泵制冷；在燃气内燃机燃烧发电的过程中产生的高温缸套水，可通过板式换热器与自来水换热，向用户提供生活热水；电压缩式热泵在本系统内的作用，是在用电低谷期将电用于制冷并将能量用储能装置储存起来，在用电高峰期时能让电压缩式热泵不工作，蓄能罐补充冷量，既减少了用电，也能及时补充用户供冷的不足。系统结构如图1所示。

图1 热力系统图Fig.1 Thermal flowchart

2 仿真模型及分析方法

2.1 仿真模型

搭建天然气CCHP系统的仿真模型，需要调用Trnsys软件自带的基本设备模型。其中，内燃机模型选用Type907，烟气或蒸汽型溴化锂吸收式热泵机组选用Type676，电压缩式热泵选用Type666。搭建模型如图2所示。

图2 仿真系统图Fig.2 Simulation system diagram

为了验证软件建立的联供系统模型的准确性，获取额定工况下的仿真数据与设计数据进行对比。系统在额定工况下的稳态仿真结果与设计工况参数基本匹配。其主要参数的相对误差在2%以内，说明在Trnsys中设备模型的精度达到仿真要求。仿真工况与设计工况主要参数对比情况见表1。

表1 仿真工况与设计工况参数Tab.1 Parameters of simulation condition and design operating condition

2.2 火用分析方法

火用是指在环境条件下某种能量可以转化有用功的最大值。在实际转换过程中，不可避免地会有一部分可用功将转化为不可用功，称为火用损失。火用效率是指收益火用与代价火用的比值，反映火用的利用程度。系统中将各部件假设为稳定开口系，其比火用和火用效率计算公式为：

其中，、分别为系统内的流体和参考状态下流体的比焓（kJ／kg），、分别为系统内流体和参考状态下流体的熵（kJ／（kg·K）），E、E为收益火用和代价火用（kW）。

天然气CCHP系统中包含多个设备，各设备内流体的物性变化较为复杂，因此在模拟计算前做以下假设：

（1）系统处于热平衡和稳定流动状态。

（2）忽略各设备进出口工质的动能和位能。

（3）忽略热损失、阻力损失、压力损失及泵功。

本文以298.15 K和0.1 MPa为环境参考温度和参考压力，设定该状态为火用分析的基准。水和水蒸气的物性参数和LiBr溶液的物性参数分别由LiBr溶液焓熵经验公式和IAPWS-IF97公式计算得到。

3 结果分析

3.1 缸套水制取生活热水的火用分析

发电机组在额定工况下的设计参数见表2，以此为基础对缸套水制取生活热水进行火用分析计算。发电机组发电后产生的中冷水和高温缸套水，在换热器1和换热器2中加热自来水制取生活热水。经过计算后可得，换热器1、2的火用效率分别为31.44%和24.85%。换热器1的火用效率比换热器2火用效率高，主要是因为换热器2的换热温差大于换热器1，以致产生了更多的火用损。

表2 发电机组设计参数Tab.2 Design parameters of the generator set

3.2 电压缩式热泵火用分析

电压缩式热泵供冷工况火用损系数见表3，电压缩式热泵各部件火用损如图3所示。从表3和图3可以看出：在额定供冷工况下，电压缩式热泵的火用效率为17.71%。各部分火用损失由大到小依次为：压缩机、循环水、冷凝器、蒸发器、节流阀。其中，火用损最大的设备是压缩机，火用损系数为26.93%。分析火用损较大的原因，主要是在压缩过程中，机械摩擦和非等熵压缩过程增加了制冷剂的熵值，因此可选用压缩效率、机械效率高的压缩机来降低火用损。电压缩式热泵节流阀处的火用损小，这是因为工质流经节流阀时的温降和压降都较小。在供冷工况下，循环水在冷凝器中吸热，可认为循环水带走了电压缩式热泵的热量火用，产生了火用损。

表3 电压缩式热泵供冷工况火用损系数Tab.3 Exergic loss coefficients in cooling condition of the electric compression heat pump

图3 电压缩式热泵各部件火用损Fig.3 Exergic loss of all components in the electric compression heat pump

3.3 烟气双效型吸收式热泵火用分析

吸收式热泵火用损系数见表4。吸收式热泵各部件火用损系数如图4所示。由表4和图4中可以看出：在额定工况下，烟气双效型吸收式热泵供冷的火用效率为13.23%，吸收式热泵的各组件火用损失由大到小依次为：高压发生器、循环水、吸收器、低压发生器、高温热交换器、冷凝器、蒸发器、低温热交换器、节流阀。高压发生器是吸收式热泵火用损失最大的部分，火用损系数为30.32%，其主要原因是高压发生器存在高温烟气加热溴化锂溶液的过程，且换热温差较大。其次是循环水，主要原因是在供冷工况下用于冷却的循环水的流量较大带走了大量的热。吸收器火用损失较大的原因一方面与溴化锂溶液的性质有关，一方面由于吸收过程会放出热量，产生外部火用损所致。

图4 吸收式热泵各部件火用损Fig.4 Exergic loss of all components in the absorption heat pump

表4 吸收式热泵火用损系数Tab.4 Exergic loss coefficients in absorption heat pump

3.4 负荷率对系统火用效率的影响

为反映系统负荷率对系统火用效率的影响，在已搭建好的Trnsys模型中设定负荷率分别为：工况1负荷率100%、工况2负荷率90%、工况3负荷率70%、工况4负荷率50%，对这4种工况分别进行模拟仿真，并计算不同负荷率下的系统火用效率。其中，天然气消耗量为各个工况的实际测量值，燃料比火用取天然气的低位发热值45 546.066 kJ／kg。研究得到的火用效率随负荷率的变化曲线如图5所示。

图5 火用效率随负荷率变化Fig.5 The variation of exergic efficiency with the load rate

系统火用效率计算公式为：

其中，为系统的发电量；E为系统输出的冷量火用；E为系统输出的热量火用；E为系统输入的燃料火用。

通过图5可以看出，系统火用效率是当负荷率在90%左右达到最大值；在50%～70%区间增长明显，负荷率提高20%，火用效率增加2.35%；在70%～90%区间增长放缓；负荷率提高20%，火用效率只增加0.36%；负荷率在90%～100%区间火用效率随着负荷率的增长而降低，负荷率增加10%，火用效率降低1.22%。

系统的负荷率对排烟温度影响较大，燃气内燃机的排烟温度和流量与系统负荷率和呈正相关。适合的烟气流量和烟气进口温度，可以使得吸收式热泵获得最大的效率。因此，该系统火用效率并未随着负荷率的增加而增加，在90%负荷率左右时火用效率达到最高且较为合理。

3.5 回收低温烟气对系统火用效率的影响

在额定工况下，燃气内燃机排出的烟气温度约为520℃，经吸收式热泵回收利用后，排出的烟气温度约为150℃，这一部分烟气可用于加热生活热水，以提高系统的火用效率。根据内燃机厂家提供的设备参数，在额定工况下系统的烟气流量为2 576 kg／h，忽略烟气在换热过程中的质量损失。利用低温烟气制取生活热水的换热公式为：

其中，为换热量（kW）；为质量流量（kg／s）；为定压比热容，烟气取1.134 kJ／（kg·K），水取4.19 kJ／（kg·K）；为换热前后温差。

经计算低温烟气每秒可加热0.559 kg的15℃自来水至60℃，可回收4.465 kW的火用，提高系统0.32%的火用效率。

4 结束语

本文采用Trnsys软件基于火用分析法对贵州某工业园区的CCHP系统在额定工况下的性能进行了研究，经试验分析结论如下：

（1）在该CCHP系统中，烟气双效吸收式热泵在额定工况下火用损失最大的设备是高压发生器，可采用温度适合的烟气来加热溴化锂溶液或提高高压发生器中的压力，以提高溴化锂溶液温度，减小换热温差以降低系统火用损。

（2）保持系统维持在90%左右的负荷率，可提高系统的火用效率。

（3）如果利用吸收式热泵排出的低温烟气制取生活热水，可回收4.465 kW的火用，提高系统0.32%的火用效率。