基于Aspen Plus 的双效吸收式制冷机组模拟与分析

徐乐超 黄玉桥 李国建 邹梦婷

浙江理工大学建筑工程学院

0 引言

近年来分布式冷热电联供系统发展迅猛，核心部件主要为以燃气为一次能源的燃气内燃机及燃气轮机，而做功发电后的高温烟气仍存在大量的余热。烟气型溴化锂吸收式制冷机组可以回收余热品味较高的高温烟气，能够解决分布式联供系统的余热利用问题，有效提高一次能源利用率[1]。吸收式制冷系统物流参数和机组结构复杂，涉及到多个传热和传质过程，机组设备通过软件的模拟仿真使之达到优化目的，是近年来研究的焦点与热点。在机组的开发和实际运行阶段，通过计算机的模拟，能够节约大量的人力成本和时间成本[2]。

基于分布式联供系统的变工况运行需要，本文利用Aspen Plus V9[3-5]软件建立了烟气型双效溴化锂制冷系统流程模型，模拟分析烟气温度及流量变化、冷却水进口温度变化、冷冻水出口温度变化对系统运行的影响，从而为机组性能优化设计提供新的思路和理论依据。

1 双效吸收式水冷制冷系统

1.1 双效吸收式制冷机组制冷原理

制冷机组由高压发生器、低压发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、高低温溶液热交换器、节流阀和减压阀等组成，以LiBr-H2O 组成工质对进行循环制冷。双效吸收式水冷制冷循环如图1 所示。溴化锂稀溶液1 经溶液泵进入低温溶液热交换器，与从低压发生器出来的溴化锂浓溶液7 进行热交换后，进入高温溶液热交换器，与来自高压发生器的溴化锂中间浓度溶液5 进行热交换,升高温度后的溴化锂稀溶液4 进入高压发生器，在高压发生器内被外部高温烟气加热沸腾，分别产生冷剂蒸汽9 和溴化锂中间浓度溶液5，高压冷剂蒸汽9 作为低压发生器的驱动热源，再次驱动从高温溶液热交换器出来的溴化锂中间浓度溶液6，产生冷剂蒸气11 和溴化锂浓溶液7，冷剂蒸汽9 释放热量后与冷剂蒸汽11 一同进入冷凝器冷凝放热，并进入节流阀节流降温至蒸发压力后，形成液相冷剂水13，进入蒸发器与用户侧的冷冻水回水进行蒸发吸热，产生冷效益，完全蒸发至水蒸气14 后，与来自低压发生器并经过低温溶液热交换器的溴化锂浓溶液8 一同进入溶液吸收器进行混合稀释，形成溴化锂稀溶液1，以此往复循环，形成双效吸收式制冷系统[6]。

图1 烟气型双效溴化锂吸收式制冷循环示意图

1.2 系统热力学性能校核

溴化锂制冷循环热力学性能校核计算主要有热平衡校核计算和放气范围校核计算。热平衡校核计算主要计算高压发生、冷凝器、蒸发器、吸收器的热量平衡关系，其平衡式如下：

式中：Qg为高压发生器负荷，也为烟气热负荷；Qe为蒸发器负荷，即系统制冷量；Qc为冷凝器负荷荷；Qa为吸收器负荷。当热平衡误差小于1%时，符合系统热平衡要求。

性能系数COP 定义为系统输出能量与输入能量的比值，反映了系统制冷能力的大小，一般双溴化锂制冷系统的COP 为1.1～1.5 之间，计算式为:

放气范围校核主要是计算系统循环中溴化锂溶液浓度差值，计算式如下：

式中：ξd为进入发生器溶液浓度；ξd为流出发生器溶液浓度。该值大小反映了系统的运行经济指标,放气范围越大则系统的经济性越好，为了保证循环的经济性和安全性，高压发生器的放气范围通常为0.02～0.035，低压发生器的放气范围通常取0.015～0.025，总放气范围应在0.03-0.06 之间[7]。

2 系统流程的建立和模拟

2.1 模型假设和物性方法的选择

由于双效吸收式机组结构复杂，为了简化模型，分析主要影响参数，在模拟之前，作出以下假设[8]：系统基于稳态运行，系统各部件和管路之间没有热量损失和压力损失。忽略溶液泵功影响，换热单元均为逆流换热，取对数平均温差进行传热计算。溶液在吸收器中传热和传质过程分开计算。吸收器压力和蒸发器压力相等，低压发生器工作压力和冷凝器压力相等。吸收器出口稀溶液和发生器出口浓溶液均为饱和溶液。

物性方法的选择是模拟中的一个关键步骤，溴化锂为水溶液是强电解质，在模拟时采用适用于溴化锂溶液的ELECNRTL 物性方法，同时选Wegstein 收敛方法进行模型收敛计算[9-10]，从而能够确保溴化锂吸收式制冷循环模拟结果的准确性和可靠性。

2.2 流程模型的建立

在稳定运行的工况假设条件下，采用Aspen Plus V9 模块化建模方法，根据图1 建立的制冷系统设备流程图，选择合理的单元操作模块模拟各个主要设备，并通过物质流路关系将系统设备进行连接，搭建双效溴化锂制冷系统平台，其流程模型见图2。热源进口烟气为燃气机做功后的产物，主要成分为氮气，过量氧气，水蒸气和二氧化碳。

图2 双效吸收式制冷流程模型

在系统起始运行状态下，模型建立所选用的单元模块以及参数设定见表1。

表1 吸收式制冷系统单元操作模块及参数设定

溶液物流参数和冷冻水以及冷却水起始状态参数设定见表2。

表2 吸收式制冷系统初始物流状态参数设定

2.3 模拟计算结果

根据模型的建立，操作单元以及输入物流参数的设定，对模拟流程进行模拟。为保证模型的准确性，参数的选取来源文献[11]，并将模拟结果与文献结果进行对比验证。系统主要设备的负荷和状态点的模拟计算结果见表3 和表4。

表3 系统主要设备的负荷模拟结果与对比

表4 系统物流循环各状态点的模拟结果

由表3 和表4 可知，系统模拟结果与文献结果误差均在依1.0%以内，同时，系统热平衡热误差为0.6%，符合系统热平衡要求，系统总放气范围为0.05，符合系统放气范围要求。系统COP 为1.28。因此该模型可靠，可进行下一步模拟和分析。

3 参数变化对机组性能的影响分析

烟气型双效吸收式制冷机组的运行性能受多种因素的影响，在其他参数不变的情况下，本文模拟分析了烟气进口温度及流量变化、冷却水进口温度变化、冷冻水出口温度变化对系统性能的影响。为便于分析，所有图中烟气流量，高压发生器负荷与制冷量采用了对比值处理，即变工况与额定工况的比值。COP 及放气范围则为实际值。

3.1 烟气进口温度及流量变化对系统的影响

在模拟分析烟气进口温度及流量变化对系统的影响时，保持冷却水进口温度及流量以及冷冻水出口温度及流量不变，并保证蒸发温度为5 ℃，冷凝温度为40 ℃时，通过改变烟气温度及流量，分析系统运行性能变化的影响（图3～5）。

图3 烟气进口温度和烟气流量变化对制冷量影响

图4 烟气进口温度和烟气流量变化对COP 影响

由图3～5 可知，制冷量随着烟气温度和流量的增加而升高，这是因为随着烟气温度和流量的增加，高压发生器中流出的中间溶液浓度增加，产生的高压冷剂蒸汽增加，从而导致低压发生器吸热量增加，流出的浓溶液浓度增加，系统的放气范围变大，因此制冷量也增加。当烟气在300～500 ℃且保持某一温度不变时，系统COP 随着烟气温度和流量的增加呈先急剧上升后平稳的趋势，这是因为随着烟气流量的增加，制冷量增加，吸收器和冷凝器热负荷也增加，冷凝效果和吸收效果增强，吸收器出口稀溶液温度增加，放气范围增大，因此COP 增加。但受机组本身制约，系统COP 最后趋于平稳。

从图5 中可以知道，虽然制冷量和COP 都随着烟气温度和流量的增加而升高，但是放气范围也一直在增加，当烟气温度为450 ℃和500 ℃、烟气流量为130%和120%以上时，放气范围超了过系统经济运行允许的最大值。而经济性最低烟气流量为0.03 的虚线与对应温度曲线的交点，烟气温度为300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃时所对应的经济性最低流量分别为140%、110%、90%、75%、65%。因此，烟气流量和温度既不能无限增加，也不能一直减少，而应保持在某一区间范围内，才能使得制冷系统的经济性和安全性得到保障。

图5 烟气进口温度和烟气流量变化对放气范围影响

3.2 冷却水进口温度变化对系统的影响

在保持烟气进口温度及流量与额定工况一致，冷冻水出口温度和流量不变情况下，冷却水进口温度由26 ℃升高至38 ℃时，系统高压发生器负荷、制冷量、COP 以及放气范围的变化见图6 和图7。

图6 冷却水进口温度变化对高压发生器负荷和制冷量的影响

图7 冷却水进口温度变化对COP 和放气范围的影响

由图6 和与7 可知，系统高压发生器负荷，系统制冷量，COP 和放气范围都随着冷却水进口温度的升高而降低。这是因为在稀溶液流量不变的情况下，随着环境温度的升高，冷却水进口温度升高，使得吸收器换热温差减少，吸收器内吸收效果减弱，不利于蒸发器内的制冷剂蒸发，吸收器出口的稀溶液浓度升高。同时也使得冷凝器内冷凝温度和冷凝压力升高，高低压发生器出口溶液浓度降低，系统放气范围降低，产生的制冷剂蒸汽减少，因此制冷量和COP 都减少。

结果显示，冷却水进口温度由26 ℃升高至38 ℃时，系统COP 由1.36 降低至1.03，制冷量由110%降低至70%，放气范围由0.063 降低至0.026。由放气范围变化可知，冷却水进口温度不可以过低，当进口温度低于27 ℃时，会使得系统放气范围高于0.06，同时也会导致溴化锂溶液结晶，影响系统运行的经济性和安全性。同时当冷却水进口温度高于37 ℃时，会导致系统放气范围低于0.03，同时系统制冷量和COP 均降低，影响系统运行性能。由图7 可知，较为合理的冷却水进口温度为27～37 ℃。

3.3 冷冻水出口温度变化对系统的影响

在保持烟气进口温度及流量与额定工况一致，冷却水进口温度和流量不变的情况下，冷冻水出口温度由4 ℃升高至10 ℃时，系统高压发生器负荷，制冷量，COP 以及放气范围的变化见图8 和图9。

图8 冷冻水出口温度变化对高压发生器负荷和制冷量的影响

图9 冷冻水出口温度变化对COP 和放气范围的影响

由图8 和与9 可知，系统高压发生器负荷，系统制冷量、COP 和放气范围都随着冷冻水出口温度的升高而升高。这是因为在系统稀溶液流量不变的情况下，随着冷冻水出口温度的升高，蒸发器内蒸发温度和蒸发压力升高，促使了吸收器内的吸收效果增强，使得吸收器出口稀溶液的浓度降低，同时高低压发生器出口溶液的浓度升高，系统总放气范围增大，发生器产生的制冷剂蒸汽增加，因此会使得系统的制冷量和COP 都增加。

结果显示，冷冻水出口温度由4 ℃升高至10 ℃时，系统COP 由1.15 升高至1.33，制冷量由78%升高至112%，放气范围由0.022 升高至0.64。虽然冷冻水出口温度越高，系统性能越好，但是由放气范围变化可知，冷冻水出口温度不可以过高。当出口温度高于9 ℃时，会导致系统放气范围高于0.06，超出系统经济运行的最大范围。同时冷冻水出口温度也不能过低，当出口温度低于5 ℃时，系统的放气范围低于0.03，系统制冷量和COP 均降低，且冷冻水温度过低，容易导致蒸发器内冷剂水或者冷冻水结冰，影响系统的正常运行。由图9 可知，较为合理的冷冻水出口温度为5～9 ℃。

4 结论

基于Aspen Plus V9 平台，建立了制冷量为40 kW的烟气型双效溴化锂吸收式制冷系统流程模型，并分析了烟气流量及温度、冷却水进口温度、冷冻水出口温度对系统运行的影响。结果表明：

1）烟气型制冷机组的制冷量和COP 均随着烟气温度和流量的增加而升高，受放气范围限制，烟气流量和温度既不能无限增加，也不能一直减少，而应保持在某一区间范围内，才能使得制冷系统的经济性和安全性得到保障。烟气温度为300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃时所对应的经济性最低流量分别为额定工况流量的140%、110%、90%、75%、65%。烟气温度为450 ℃和500 ℃时，对应的经济性最高烟气流量为额定工况流量的130%和120%。

2）冷却水进口温度和冷冻水出口温度对系统的运行都有显著影响，在保持烟气进口温度及流量与额定工况一致情况下，系统性能随冷却水进口温度的升高而降低，随冷冻水出口温度的升高而升高。在保证系统安全性和经济性运行的前提下，以及其他参数不变的情况下，冷却水温度不能无限降低，冷冻水出口温度不能无限增大，较为合理的冷却水进口温度为27～37 ℃，较为合理的冷冻水出口温度为5～9 ℃。