燃气三联供和江水源热泵复合系统数学模型的建立和分析

龙天河 张 伟



燃气三联供和江水源热泵复合系统数学模型的建立和分析

龙天河 张 伟

（重庆大学 重庆 400045）

当今世界能源紧缺，燃气三联供和江水源热泵的复合系统能提高能源利用率，且之前研究较少。针对冷热电三联供和江水源热泵组成的复合联供系统，通过建立复合系统数学模型，对复合联供系统进行分析。建模的主要设备包括内燃机、烟气热水型吸收式制冷机组、江水源热泵机组。分析发现，内燃机的发电效率随着机组负载率的增加而增加，当机组负载率低于50%时，机组发电效率随着负载率降低而急剧下降，机组发电高效区间出现在50%-100%。烟气热水型吸收式制冷机组热力系数受冷却水温度及烟气温度的影响，冷却水温度越高热力系数越低，烟气温度越高热力系数越高。

分布式冷热电三联供系统；水源热泵；复合联供系统；数学模型

0 引言

在当今世界能源紧缺的大背景下，节能已成为社会的主要议题，提高能源利用率作为重要节能手段已备受关注。分布式冷热电三联供系统同时可提供冷、热和电等多种终端能源，符合“温度对口，梯级利用”的科学用能原则，实现了能源的梯级、高效利用，有效提高能源利用率。而水源热泵系统能通过输入少量高品位电能实现将低温位热能向高温位转移，是国家鼓励大力发展的可再生能源利用技术。本文针对冷热电三联供和江水源热泵组成的复合联供系统，建立了复合系统冷热源的数学模型，并对其进行了分析。

1 复合联供系统形式

本文依托项目为重庆某CBD江水源热泵分布式能源项目。项目全年总需冷量为50035.8MWh，全年耗热量为17812.7MWh，建筑群冬夏季空调负荷均呈现低负荷率、离散性大的特点，其中，夏季空调负荷主要集中在满负荷的50%以下，冬季大部分时间负荷率为20%～50%，夏季和冬季负荷率大于50%时间频率仅为0.2130和0.1191，冬夏季高负荷率出现时间有限。全年生活热水负荷总耗热量为14475.9MWh，全年最高负荷为5238.76kW，出现在冬季，过渡季最大负荷为3797.46kW。

考虑到本项目建筑群密集度比较高，冷热负荷特性比较一致，且靠近长江，具有就近利用可再生能源的先天优势。同时，该地区有充足方便的天然气供应，因此，该项目非常适合建设天然气冷热电三联供系统和江水源热泵系统，并具备区域集中供冷供热的条件。此复合能源系统的设计中，采用“以热定电，热电平衡”运行方式，能源站的基本电力需求由动力装置供应，电力不足部分由电网补充，电量富余部分进行上网，由电网统一输配。

1.1 燃气发电机组的确定

在冷热电三联供系统中，因为要满足供热和供冷的需求，所以余热锅炉的利用情况较少，主要是利用烟气或热水型吸收机，吸收发电机的烟气和缸套水余热作为热源，实现供冷、供热要求。燃气内燃机由于其发电效率高、对燃气压力要求较低的突出优势在国内外城市中小型分布能源项目中得到广泛应用。根据本项目条件以及运行方式，突出分布式发电系统对电网的贡献，选择4台总容量为7460kW的燃气内燃发电机组方案作为本项目优先考虑的系统方案。

1.2 余热利用设备和辅助冷热源的确定

燃气内燃机组的余热形式为高温烟气和高温冷却水，由此确定了冷热电三联供系统的流程。

在供冷季，溴化锂双效吸收式制冷机组吸收发电机组的高温排烟作为高压发生器的高温热源进行供冷，再排出温度约160℃左右的烟气。内燃机组的缸套冷却水进入溴化锂双效吸收式制冷机组的低压发生器，作为吸收机的低温热源制取冷量，冷负荷不足部分由江水源热泵机组进行补充。经过吸收机回收利用后的缸套水有10～15℃的温降，这个温度变化基本能满足内燃机的冷却水要求。燃气内燃发电机组低温冷却水出口温度约50℃，水温较低并且热能较少，因此一般不再加以利用，直接利用江水换热或是通过换热器进行冷却至设定温度再回到发电机，如图1所示。

图1 夏季复合系统流程图

在供暖季，内燃机机组的高温排烟进入溴化锂双效吸收式制冷机组的高压发生器，与供暖回水进行换热，排烟温度降至约160℃。同时缸套水通过板式热交换器回收余热，共同提供空调供热或是生活热水，不足部分由江水源热泵机组补充，如图2所示。燃气内燃发电机组低温冷却水流程与夏季相同。过渡季时只开启动力装置，通过回收余热制取生活热水，不足部分通过吸收式机组补燃来补充。

因此，先根据内燃机组的余热排热量确定溴化锂吸收式制冷机组的额定制冷量，吸收机与内燃机采用一对一进行配置；再按照建筑群的热负荷确定江水源热泵机组的台数及容量。

综合比较之下，确定采用发电机余热优先保证空调使用的原则，在空调负荷大的时段，卫生热水利用天然气锅炉加热，非空调季节和空调负荷低的时段，卫生热水利用内燃发电机余热加热的方式，简化系统控制，提高运行可靠性。

图2 冬季复合系统流程图

根据本文依托项目的建设情况，复合系统冷热源设备容量如表1所示。

表1 复合系统冷热源设备容量表

2 冷热源数学模型

2.1 内燃机

为了响应建筑负荷变化，内燃机不可避免地长时间在部分工况模式下运行，因此这里主要分析内燃机的变工况特性。

一般将内燃机燃料燃烧放出的热量分为5部分，内燃机热平衡即指输入发电机的总能量的分配情况，可表示为：

式中：Q为发电机所消耗燃气燃烧放出的总能量，kW；Q为转化为有用功的热量，kW；Q为冷却水带走的热量，kW；Q为排气带走的热量，kW；Q为润滑油带走的热量，kW；Q为其他散热损失，kW。

一般的内燃机可回收的余热主要包括缸套水和烟气带走的热量。内燃机的冷却水系统包括高温冷却水（缸套水）和中温冷却水，高温冷却水出口温度一般在70℃-100℃，这部分热量能量品位较低，但数量较大，中温冷却水是用于冷却内燃机增压器的出口空气，提高进入燃烧室空气密度，温度一般在50℃左右，数量较少，直接通过换热器排给江水。内燃机排烟能达到350-450℃，这部分烟气余热可直接进入烟气型吸收机高温发生器进行制冷，也可提供生活热水[1-5]。

进一步对内燃机进行性能分析，内燃机工作时各性能参数与物理量间有如下关系：

式中：发电为发电机的耗气量，m3/h；为天然气低位热值，kWh/Nm3（取9.7kWh/Nm3）；C、、分别为缸套水的比热、密度、体积流量；ΔT、ΔT分别为缸套水进出口温差、排烟回收温差（按最终排烟温度160℃计算）；C、分别为内燃机排烟的比热、质量流量；η、η、η分别为缸套水热利用率、烟气热利用率、发电效率。

内燃机烟气余热利用有很多种形式，本项目中采用吸收式制冷机组直接连接，高温烟气直接进入吸收机组高温发生器进行放热，在吸收机组中换热至160℃后再排出，缸套水直接进入吸收机机组低温发生器进行换热，回水温度为70℃。

关于内燃机的变工况模型，国内外学者都做过很多研究[6-9]，这里参考之前学者所得出的通用特性关系，该通用特性关系是作者根据大量数据得到，如式（8）、（9）：

内燃机烟气温度随负荷率变化情况见图3。

图3 内燃机烟气温度随负荷率的变化

根据拟选用机组参数及内燃机通用特性关系得到烟气温度T关于负载率的关系式：

图4 内燃机发电效率随负荷率的变化

图4为内燃机发电效率随机组负载率变化情况。

根据厂家所提供数据，通过软件origin8.0对数据进行拟合，即可得到发电机组耗气量发电和机组负载率之间的关系式：

根据厂家提供的各个过程的热量数据，结合公式（14），可得到内燃机变工况下缸套水热利用率曲线。

在公式（4）中，为了便于计算分析，假定内燃机排烟烟气组成成分的质量分数比，则查标准压力下的烟气热物理性质表，取多个温度点数据再进行拟合可得到烟气定压比热与烟气温度的关系式。结合上述得到烟气温度、流量模型及公式（6）可得到内燃机排烟温度换热至160℃时的烟气余热回收利用率曲线。

联立不同部分负荷下的内燃机发电效率、缸套水利用率及烟气余热利用率，就可获得燃气内燃发电机的能源总利用率情况，如图5所示。

图5 JGS320内燃机的总能源利用率构成

用origin8.0软件进行数据拟合得到本项目所选用内燃机JGS320缸套水余热利用率η，烟气余热利用率η，发电效率η与机组负载率关系式如下：

2.2 BrLi吸收式制冷机组模型分析

烟气热水型吸收式制冷机组影响机组性能的因素一般有机组负荷率、供冷温度及流量、冷却水回水温度及流量、供热温度及流量等，在冷却水定流量情况下，吸收式机组负荷率变化很小，烟气流量基本不变，所以这里主要考虑烟气温度和冷却水进水温度对机组性能的影响，当吸收机进行补燃时，天然气燃烧所得烟气与内燃机排烟混合后进入高温发生器，此时可以认为烟气温度为额定烟气温度。夏季制冷工况下，根据厂家提供的相关数据，得到吸收机组性能特性曲线如图6、7所示。

图6 吸收机的性能特性曲线

图7 吸收机补燃工况下的性能特性曲线

用软件对曲线进行拟合可得到机组关于冷却水进水温度T和烟气温度T的关系式：

冬季制热工况时，低压发生器、冷凝器、吸收器均不工作，不通冷却水，所以冬季制热系数与冷却水无关，只受烟气温度的影响，由于烟气热水型吸收机同时由烟气和低温缸套水制热，其综合制热系数较稳定，所以吸收机的冬季制热系数为其额定制热系数0.93。

2.3 江水源热泵

离心式机组最大特点是：机组高负载率时能效很高，机组低负载率时，能效很低。实际运行时，应尽量让离心机在高效区运行，避免机组低效率的出现。本项目中的江水源机组均采用离心机，考虑到本项目中热泵机组是作为辅助冷热源，大部分工况中，热泵机组处于部分负荷率下运行，同时由于采用的是江水源作为系统的冷热源，而江水温度随着季节也在时刻发生着变化，因此找出机组在不同负荷率以及江水温度下的运行规律，对机组高效运行起着至关重要的作用。有学者介绍了机组负荷率、冷却水进出水温度以及蒸发器进出水温度对机组性能的影响，经验证模型具有较高的精确度，能够较精确地确定机组在特定负荷率、冷却水进出水温度、蒸发器进出水温度下的性能。具体模型如下所示[10-12]：

制冷工况：

制热工况：

式中：COP为基础性能系数，额定蒸发器及冷凝器水温工况；Φ为冷凝器水温修正系数，用于描述冷凝器水温在非额定工况时机组的变化情况；Φ为蒸发器水温修正系数，用于描述蒸发器水温在非额定工况时机组的变化情况；COP为用户选用的机组额定工况下的；为机组负荷率；t为冷凝器进水温度，℃；t为蒸发器进水温度，℃；t为冷凝器出水温度，℃；t为蒸发器出水温度，℃。

3 模型分析

由图3可知烟气温度越高，能量品位越高，越有利于余热利用设备进行利用，应尽量避免使机组在低负荷率工况下运行。

由图4可以看出，机组发电高效区间出现在50%-100%，机组JGS320基本能达到36%以上，机组JMS616能达到38%以上。所选用两台内燃机都具有较好的部分负荷特性，都能保证机组负载率高于50%时保持较高的发电效率。

由图5可看出，内燃机虽然在部分负荷下的发电效率变化较大，尤其是低负载率时的发电效率急剧下降，但总能源利用率较稳定。

由图6可知，在冷却水进水温度相同的情况下，机组COP随着烟气温度的升高而缓慢升高。由图7可知，机组COP随冷却水进口温度的升高而降低，且基本呈线性下降的趋势。所以，在夏季制冷工况时，应避免吸收机组的冷却水进水温度过高。

4 总结

本文主要结合依托项目的特点，确定燃气冷热电三联供和江水源热泵复合系统形式，包括动力装置、余热利用装置等的选择。

（1）从内燃机为基础的复合冷热电联供系统变工况性能分析出发，以项目实际数据为依据，分析内燃机在部分负荷下的运行性能。机组发电高效区间出现在50%-100%，且总能源利用率较稳定。

（2）发电机在变工况模型下运行时烟气热水型吸收式制冷机组的热力系数模型主要考虑冷却水温度和烟气温度的影响。其热力系数随冷却水温升高而降低，在冷却水进水温度相同的情况下，热力系数随着烟气温度的升高而缓慢升高。

（3）江水源热泵的热力系数主要考虑江水温度和负荷率的影响，建立冷热源变工况模型。

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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

四川省科技计划项目（计划编号：2014GZ0133）

龙天河（1993.12-），男，在读硕士研究生，E-mail：459005220@qq.com

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

2017-09-12