蒸汽型双效吸收式冷水机组部分负荷性能

杨筱静，由世俊，张 欢

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

采用背压式汽轮机的热电厂，夏季通常利用消耗蒸汽的溴化锂吸收式冷水机组向用户供冷，以增加夏季发电量、降低系统整体燃料消耗量和提高一次能源利用率．同时，溴化锂吸收式制冷采用溴化锂-水溶液作为工质对，其破坏臭氧层潜能和地球温升潜能为零．因此，面临节能减排的政策环境，吸收式制冷技术必将为充分利用工业余压、余热、废气，提高工业生产效率，优化能源利用结构，实现可持续发展起到不可估量的作用．

在空调系统中，空调机组满负荷运行情况在整台机组的运行寿命中只占 1%～5%，绝大多数时间是在部分负荷下运行的[1]．因此，冷水机组的部分负荷性能参数对分析空调系统的运行具有极其重要的作用．目前国内外研究[2-5]主要集中在蒸汽压缩式冷水机组的部分负荷性能上．近年来，对于溴化锂吸收式冷水机组部分负荷性能也有所研究．如胡金强等[6]针对溴化锂燃气冷水机组实际运行进行了现场性能测试与分析；刘婷婷[7]采用夹点温差分析法对直燃型吸收式冷水机组和蒸汽型吸收式冷水机组进行了优化分析；张晓辉等[8]采用机理建模与试验数据分析相结合的思想，对单效热水型吸收式冷水机组的变工况性能进行了建模分析；国外学者 de Vega等[9]分析了板式换热器式单效吸收式冷水机组性能；Mroz[10]采用实验方法，分析了不同制冷负荷下的单效溴化锂吸收式冷水机组性能；Manohar等[11]采用人工神经网络方法对蒸汽型双效吸收式冷水机组的性能进行了模拟分析．

由于双效溴化锂吸收式冷水机组传热部件繁多，是一个多输入多输出的耦合非线性系统，目前研究方法主要是通过实验测试或人工神经网络方法对其进行分析．这两种方法都需要经过大量的测试数据做支撑，而且不能从机组运行机理上对其进行逻辑研究，只适用于测试的机组，局限性大．

为了克服这一局限性，笔者通过对双效溴化锂吸收式冷水机组的内部主要传热部件进行热力及传热分析，建立了系统的热力及传热耦合模型，分析了不同运行模式下冷水机组性能及其经济性．

1 模型建立

1.1 吸收式冷水机组流程简介

双效溴化锂吸收式冷水机组根据吸收器出口溶液的分配情况，主要有 4种循环流程：串联循环、逆串联循环、低温热交换器前分流循环和低温热交换器后分流循环．其中，串联循环流程简单，控制方便，目前国内许多厂家如双良、麦克维尔和大连三洋等均采用串联循环流程．

蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组串联循环流程如图1所示．该系统主要包括8个传热部件：高压发生器、高温热交换器、凝水换热器、低压发生器、低温热交换器、吸收器、冷凝器和蒸发器．其工作流程如下：来自吸收器的稀溶液 2，由低温热交换器加热至 7，经凝水换热器加热至 9，然后流经高温热交换器加热至 10，进入高压发生器，被热源蒸汽加热浓缩，产生中间溶液12和冷剂蒸汽14．其中，中间溶液12经高温热交换器将热量传给稀溶液降温至 13进入低压发生器，被来自高压发生器的冷剂蒸汽 14加热浓缩，产生浓溶液4和冷剂蒸汽15，而冷剂蒸汽放热后变为饱和冷剂水6．浓溶液4经低温热交换器降温至 8进入吸收器；与此同时，低压发生器产生的冷剂蒸汽 15与饱和冷剂水 6同时进入冷凝器，经过冷却水降温冷凝成饱和冷剂水 3，然后经由节流装置变为低压冷剂水1进入蒸发器，通过吸收冷水的热量蒸发为冷剂蒸汽 16进入吸收器，被来自低温热交换器的浓溶液8吸收，变成稀溶液2．

图1 蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组串联循环流程示意Fig.1 Series flow chart of double effect steam operated LiBr-H2O absorption chiller

1.2 模型的建立

为了简化数学模型，在模型建立过程中采用如下假设[12]：

(1) 系统处在稳态工况下；

(2) 冷凝压力同低压发生器压力相同；

(3) 冷凝器出口的冷剂水和蒸发器出口的冷剂蒸汽均处在饱和状态；

(4) 高压发生器和低压发生器蒸汽出口状态按平均发生温度计算；

(5) 吸收器出口稀溶液、低压发生器出口浓溶液、高压发生器出口浓溶液以及蒸发器和冷凝器出口的冷剂均处于各自压力下的饱和状态；

(6) 忽略散热损失；

(7) 由于溶液泵和冷剂泵的功率一般约为热源蒸汽耗热量的 5‰，因此可忽略溶液泵和冷剂泵功耗；

(8) 各换热器均为逆流换热，传热计算采用对数平均温差．

双效溴化锂吸收式冷水机组 8个主要传热部件的质量守恒方程、能量守恒方程和传热方程以及溶液泵的能量方程如下：

蒸发器

冷凝器

吸收器低温热交换器

凝水换热器

低压发生器

高温热交换器

高压发生器

系统性能系数COP为

此外，该双效溴化锂吸收式冷水机组循环数学模型建立过程中，溴化锂溶液的物性参数计算参见Kaita[13]推导的物性方程．

1.3 模型的求解

根据上述建立的数学模型可知，该模型为一个多元非线性方程组．由于该方程组变量多，溴化锂溶液状态点的温度、浓度取值范围相互制约，本文将该多元非线性方程组求解转换为约束多元非线性最小化问题，并采用 matlab优化工具箱中的基于内部映射牛顿法的子空间置信域法[14]进行约束非线性最小求解．该求解方法适用于约束多元非线性最小化问题的求解，具有自变量严格在可行域内变化、能够二次收敛和收敛速度快等特点．

模型求解流程如图2所示，首先根据数学模型的边界条件及初设未知量，确定出各状态点参数，然后根据各部件的能量守恒方程和传热方程计算出Δ Qm,n，即

图2 模型求解流程Fig.2 Model-solving flow chart

然后通过调整初设值使得ΔQm,n≅0，即可求出机组内各传热部件负荷及机组性能系数COP．

2 模型验证

为了验证数学模型的正确性，对双良生产的SXRI8蒸汽型双效溴化锂吸收式热泵机组制冷工况部分负荷性能进行了测试，试验台如图3所示．

溴化锂吸收式冷水机组的负荷率可以定义为机组性能系数(COP)．本文对维持冷水出口温度c2t=7,℃、冷却水入口温度w1t＝32,℃时，负荷率为100%、75%、50%和 25%的部分负荷性能进行了测试，其主要技术参数见表 1．在每个工况调试时，当机组冷水进口温度在所需温度±0.2,℃范围内变化时，视为稳定．然后每隔15,min记录1次，共记录6次．

机组部分负荷性能测试主要是通过调节热源蒸汽阀门开度，改变机组冷水进口温度，进而实现机组部分负荷运行．通过测得机组冷水流量及进出口温度、冷却水流量及进出口温度、热源蒸汽流量及进口压力、温度、溶液的浓度及循环稀溶液流量，计算出

图3 部分负荷性能测试试验台Fig.3 Part load performance test rig

表1 机组技术参数Tab.1 Parameters of chiller

图 4给出了机组部分负荷性能测试值与模拟值的对比结果．从图4可以看出，机组 COP的测试值与模拟值变化趋势相同：制冷负荷率为 50%～100%时，机组COP随着负荷率的降低而升高；制冷负荷率小于 50%时，机组性能 COP随着负荷率的降低而降低．机组性能模拟值与实测值吻合较好，验证了模拟的正确性．但是性能 COP的模拟值与测试值略有偏差，可能有以下几个原因：①实验数据是人工记录的，同步性稍差；②模拟时没有考虑机组各部件的单位传热量变化的影响；③机组传热部件没有保温，模拟时忽略了机组的散热损失．

3 部分负荷工况模拟结果

图4 机组COP模拟值与测试值对比Fig.4 Comparison between simulation results and experimental results of chiller COP

3.1 数学模型的单值性条件

现以名义工况制冷量为 1,163,kW、驱动热源为0.8,MPa(表压)饱和蒸汽的双效溴化锂吸收式冷水机组为例，对机组部分负荷性能进行模拟分析．其名义工况技术参数如表2所示．

表2 冷水机组名义工况技术参数Tab.2 Parameters of chiller in rated condition

蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组的冷量调节，常以冷水的进口温度 tc1或出口温度 tc2为调节信号．实际运行时，常用的冷量调节方法主要包括加热蒸汽量调节法和加热蒸汽量与溶液循环量组合式调节法．

根据调节信号与调节方法的不同，可采用4种不同的运行模式进行冷量调节：①模式1是以冷水出口温度 tc1保持 7,℃为调节信号，采用溴化锂溶液循环量 qm,LiBr恒定为 4.17,kg/s的加热蒸汽量调节法；②模式 2是以冷水入口温度 tc2保持 12,℃为调节信号，采用溴化锂溶液循环量 qm,LiBr恒定为4.17,kg/s的加热蒸汽量调节法；③模式 3是以冷水出口温度 tc1保持7,℃为调节信号，采用溴化锂溶液循环量在负荷率为50%～100%时为、负荷率低于 50%时为2.085,kg/s的组合式调节法；④模式 4是以冷水入口温度 tc2保持 12,℃为调节信号，采用溴化锂溶液循环量在负荷率为 50%～100%时为、负荷率低于50%时为2.085,kg/s的组合式调节法。

此外，机组部分负荷工况运行时，冷水体积流量qV,0保持 200,m3/h不变、冷却水体积流量 qV,w保持308,m3/h不变、冷却水入口温度 tw1变化规律参照GB/T 18362—2008《直燃型溴化锂吸收式冷（温）水机组》，可近似表示为

3.2 不同运行模式下机组性能变化

蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组部分负荷时蒸汽耗量与名义工况下蒸汽耗量的比值可以定义为蒸汽耗率，即

图 5给出了蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组采用模式 1运行时，机组 COP和蒸汽耗率的变化规律．当制冷负荷率下降时，蒸汽耗率也随之减少．机组性能在负荷率大于60%时，随着负荷率的降低而略有增加，这是因为在部分负荷工况时，冷却水入口温度降低，冷凝温度也随之降低，机组 COP增高；但是，在负荷率小于 60%时，COP随着负荷的降低而减小，这是由于随着制冷负荷降低，浓溶液与稀溶液的浓度差变小，机组放汽范围变小，机组 COP减小．在这种运行模式下，机组在约为 60%的额定负荷下COP最好，为1.195；低负荷工况下机组性能较差．

蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组在运行模式2下蒸汽耗率与COP随制冷负荷率的变化如图6所示．随着制冷负荷的降低，蒸汽耗量也随之降低．当负荷率大于55%时，机组性能随着制冷量的降低而增加，当负荷率为55%时，COP升至最高为1.229，这是由于随着冷却水入口温度降低，吸收温度和冷凝温度也降低，导致稀溶液浓度降低，虽然制冷量降低，但是机组 COP升高；当负荷率小于 55%时，尽管溶液循环量不变，但是随着机组负荷进一步降低，机组蒸汽阀门开度调小，进汽压力降低，系统总的放汽范围过小，机组COP减小．与运行模式1相比，该运行模式下机组性能较好，这是因为随着制冷量的降低，冷水出口温度升高，蒸发温度升高，COP升高．

图5 运行模式1下机组部分负荷工况性能变化Fig.5 COP and steam consumption ratio for chiller operated in the first mode vs cooling load ratio

图6 运行模式2下机组部分负荷工况性能变化Fig.6 COP and steam consumption ratio for chiller operated in the second mode vs cooling load ratio

图 7给出了蒸汽型双效溴化锂冷水机组在运行模式 3下，机组蒸汽耗率与 COP随着制冷负荷的变化情况．与模式1、模式2相比，在部分负荷工况下，机组 COP较高，蒸汽耗率较少．这是因为机组在负荷率为 50%～100%时，溶液循环量随着制冷量降低而减少，保持放汽范围基本不变；与此同时冷却水入口温度降低，引起冷凝温度和吸收温度降低，机组性能较好．在该运行模式下，机组在低负荷运行时，机组性能明显优于定溶液循环量运行模式．蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组在运行模式

4下，机组的性能变化情况如图8所示．与模式3相似，该机组部分负荷工况下，随着制冷负荷降低，机组的蒸汽耗量减少，机组性能 COP提高．此外，随着制冷负荷降低，冷水出口温度升高，蒸发温度升高，机组在此运行模式下的COP要高于运行模式3．

图7 运行模式3下机组部分负荷工况性能变化Fig.7 COP and steam consumption ratio for chiller operated in the third mode vs cooling load ratio

图8 运行模式4下机组部分负荷工况性能变化Fig.8 COP and steam consumption ratio for chiller operated in the fourth mode vs cooling load ratio

3.3 不同运行模式下综合部分负荷性能

综合部分负荷系数(IPLV)是一个计算单台空气调节用冷水机组全年在全部负荷范围内运行的平均能耗水平方法．

本文参照 GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》中IPLV的计算公式，对上述4种不同运行模式下的IPLV进行计算分析，结果如图9所示．

图9 4种运行模式下IPLV的比较Fig.9 IPLV in four different modes

由图9可以看出，保持冷水进口温度不变运行模式的 IPLV与保持冷水出口温度不变的运行模式相比，略优但不明显．变溶液循环量运行模式3、模式4的IPLV明显大于定溶液循环量运行模式1、模式2，说明机组采用变溶液循环量运行模式能耗小，可节省约20%的能耗量．

4 结 语

通过建立蒸汽型双效溴化锂吸收式制冷循环的热力和传热耦合非线性数学模型，分析了4种不同运行模式下，吸收式冷水机组部分负荷工况下性能系数COP和综合部分负荷性能系数IPLV的变化规律．研究结果表明，当蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组采用维持冷水入口温度不变、变溶液循环量的运行模式时，机组性能最优，IPLV最大，比定溶液循环量运行模式可节省约20%的能耗量．

符号说明：

A—溶液循环倍率；

COP—性能系数；

cp—水的定压比热容，kJ/(kg·K)；

Q—负荷，kW；

UF—单位传热量，kW/℃；

Y—高压发生器蒸汽发生比率；

h—焓，kJ/kg；

p—压力，MPa；

qm—质量流量，kg/s；

qV—体积流量，m3/s；

t—温度，℃;

w—溶液质量分数，%.

希腊字母

ρ—水的密度，kg/m3；

ηsc—蒸汽耗率，%；

ηQ—负荷率，%.

上标

N—名义工况.

下标

A—吸收器；

H—浓溶液；

L—稀溶液；

M—中间溶液；

0—蒸发器/冷水；

c1,c2—蒸发器中冷水进出口；

hex—高温热交换器；

hg—高压发生器；

k—冷凝器；

lex—低温热交换器；

lg—低压发生器；

s—冷剂蒸汽；

sc—热源蒸汽；

sc0—高压发生器中热源蒸汽进口；

sc1,sc2—凝水换热器中热源凝水进出口；

w—冷却水；

w1,w2—吸收器中冷却水进出口；

w3—冷凝器中冷却水出口.

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