风热机组制热性能仿真及其影响因素分析

2023-07-31刘春甫王正之

江苏科技信息 2023年16期

潘宇,刘春甫,王正之

(南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京 211167)

0 引言

随着新时代人类经济科技的快速发展,人们对于能源的供给需求也在日益增长[1]。国家统计局数据显示,2000—2020年间我国发电量持续增长85.50%,但传统火力发电在2020年仍然占总发电装机容量的56.60%。近年来,传统能源利用产生的大量排放物及能源不可再生等弊端逐渐引人关注,新能源的开发利用成为重中之重。

风能作为一种可再生的清洁能源具有十分广阔的发展前景,但由于风能能量密度低、来流不稳定、易受天气影响等问题,如何高效利用风能是人们研究的重要课题。研究发现可以通过风力机和热泵系统构成风热机组,将风能直接转化为热能从而实现供热。相比于采用风力发电系统产生电能进而驱动压缩机供热工作的传统供热方式[2],风热机组减少了风能转换成电能这一环节,提高了能源转换利用效率[3]。并且风热机组投资运行成本灵活、单位热价低、能量转换效率高,具有很强的研究价值[4-5]。

目前,国内外针对风热机组开展了相关研究。钟晓晖等[6]通过对兆瓦级风热机组建模仿真从而获得风热机组性能曲线及典型工况下的运行特性。钱婧等[7]根据热泵和风力机组的运行特点建立一系列风热机组的组件模型,仿真计算结果对比风热机组参数实验值偏小,处于误差范围内,证明了该模型的可靠性。Dong等[8]提出一种在旋转备用需求计算中考虑局部风况的方法,使得风热机组更具局部适应性。Chen等[9]采用SA算法和CDED方法将风能与现有火力发电系统整合,仿真模拟风力发电对降低总燃料成本方面的效果。张明洋等[10]通过分析调研目前风热机组各部件的成本函数,与物理仿真模型相耦合,基于粒子群优化算法提出一套用于百千瓦级别风热机组配置优化的理论方法。王朝正[11]、Tudorache等[12-13]利用有限元分析法对磁涡流制热法进行大量分析模拟,发现定子中感应能量受磁极数量、磁体张角角度等因素影响。可以看出,已经有众多针对风热机组开展的研究,这些研究证明了风热技术的可行性,但缺少对风热机组制热性能仿真及影响因素的研究,缺乏对风热机组运行特性的了解,需要进一步研究风热机组的运行特性和系统的热效率。

本文针对风热机组进行了建模仿真研究,介绍了风热机组的原理和组成,构建了一套风热机组系统仿真模型,研究了各个因素对机组制热性能系数的影响,获得了各因素的影响规律,最终使得风热机组获得最大制热效率,优化风热机组整体性能。

1 风热机组建模

风热机组的工作原理是将热泵系统中的发电机、变流器与电动机设备去除,利用风力机传动机构中的高速轴与压缩机直接连接运作,即风力机和齿轮箱转换机械能后驱动压缩机运行,从而带动整个热泵系统供热。压缩机压缩来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸汽,使之被压缩成高温高压的过热蒸汽。气体输入冷凝器加热供暖回水后,经节流降压进入蒸发器,最后在蒸发气体流回压缩机之后完成一个热泵循环[14]。风热机组与发电系统的基本热力过程如图1所示,本文以火力发电厂为研究对象,利用朗肯循环作为发电系统的基本原理。而风热机组中风能直接驱动的热泵系统采用逆卡诺循环表示,需要注意的是为了方便完成传热,朗肯循环的冷凝温度稍高于逆卡诺循环的蒸发温度。

图1 风热机组与发电系统的循环原理

对风热机组及发电系统进行建模仿真需要根据各个系统结构特点建立相应的数学模型,主要包括发电系统数学模型、风能收集系统数学模型、热泵系统数学模型,随后根据数学模型研究风热机组性能。

1.1 发电系统

以朗肯循环做理论基础的发电系统设备部件主要由汽轮机、凝汽器和循环水泵等部件构成。图1中所示的朗肯循环中,7→8→5表示燃料在锅炉中充分燃烧并放出热量,水在锅炉中吸收热量随后汽化成饱和蒸汽,饱和蒸汽在蒸汽过热器中持续吸热至过热蒸汽的过程;5→6表示在汽轮机内高温高压且较干燥的过热蒸汽绝热膨胀做功的过程;6→7表示从汽轮机排出的乏汽在冷凝器内放热,使之冷凝为饱和水的过程;7→8表示在给水泵内凝结水绝热压缩的过程,未饱和水压力升高再次进入锅炉继续完成下一轮循环[15]。

发电系统的输入热量Qu表示为:

Qu=Qcol=(h5-h8)mlk

(1)

式(1)中:h5为汽轮机入口工质的焓值;h8为换热器入口工质的焓值;mlk为汽轮机中工质的质量流量。

汽轮机的轴功Wt公式为:

Wt=(h5-h6)mlkηt

(2)

式(2)中:h6为绝热条件下汽轮机出口的理论焓值;ηt为汽轮机的热效率。

汽轮机的热效率ηt为1 kW·h电需要消耗的热量,作为蒸汽实际焓变与理论焓变之比,是评价汽轮机性能的重要指标,ηt表示为:

(3)

式(3)中:h6act为发电系统正常工作过程中汽轮机出口的实际焓值。为便于计算,本文将汽轮机的热效率设定为90%。

循环水泵消耗功Wp表示为:

Wp=(h8-h7)mlk

(4)

式(4)中,h7为循环水泵入口工质的焓值。

发电热效率ηlk作为发电机组的发电量折算成热量与输入热量之比,是评价发电系统性能的主要指标,公式为:

(5)

式(5)中:E为发电系统中的最终输出功;Qu为发电系统的输入热量;Wt为汽轮机的轴功;Wp为循环水泵消耗功。

1.2 风能转换系统

风热机组中的风力机和齿轮箱共同构成风能转换系统,风力机将风能直接转化为机械能,通过在齿轮箱中的运作转换,将低转速的机械能转换成高转速的轴功,最后驱动压缩机做功。

风力机的输出功率Pw可以表示为:

(6)

式(6)中:ρ为环境中的空气平均密度;A为风力机风轮与风的扫掠面积;v为瞬时环境风速;Cp为风能利用系数。

风能利用系数是评定风轮气动特性优劣的主要参数,表示风力发电机将风能转化成电能的转化效率,是与风轮叶片的叶尖速度比和桨距角有关的函数,用公式表示为:

0.001 84(λ-3)β

(7)

式(7)中:β为桨距角;λ为叶尖速度比。

由于齿轮箱的加工精度不同、内部设备互相摩擦等问题,一部分能量会在低转速的轴功转换成符合压缩机转速的高转速轴功过程中被消耗掉,所以齿轮箱的输入功略大于齿轮箱的输出功。本文中设定齿轮箱用机械效率表示传动效率,且设机械效率为90%,则齿轮箱的输出功率Pg最终表示为:

Pg=0.9Pw

(8)

1.3 热泵系统

热泵系统主要设备由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器共同构成[16],图1所示的热泵系统采用了逆卡诺循环。其中:4→1表示蒸发器内的定温吸热过程,热泵系统中的工质吸收了来自发电系统凝汽器的冷凝热,由不饱和液体蒸发成饱和蒸汽;1→2表示压缩机内不可逆的绝热压缩过程,压缩机吸收通过风力机转化的机械能,工质由低温低压的饱和蒸汽变成了中温中压蒸汽;2→3表示冷凝器的放热过程,工质由中温中压蒸汽冷凝成饱和液体,放出大量冷凝热;3→4表示膨胀阀内的节流膨胀过程,工质由常温高压饱和液态变成低温低压湿蒸汽,节流前后焓值不变。

热泵系统从朗肯循环中汽轮机出口乏汽这一低温热源吸收的热量Qe表示为:

(9)

由于有风力机的齿轮箱驱动热泵系统中的压缩机,所以将压缩机的输出功率P近似等于齿轮箱的输出功率Pg,表示为:

P=Pg

(10)

热泵系统的供热量Qc表示为:

(11)

Qc=Qe+P

(12)

热泵系统的制热性能指标用制热性能系数COP表示:

(13)

2 风热机组制热性能计算

基于建立的风热机组仿真模型,本文首先分析了风热机组制热性能。选取某2 MW风力发电机组,选择R134a作为风热机组热泵系统中的制冷剂,水蒸气作为朗肯循环中发电系统的循环工质。设计发电系统凝汽器的压力参数为0.007 79 MPa,汽轮机入口的蒸汽温度为375 ℃,入口压力为2.35 MPa,过热器出口的蒸汽温度为380 ℃,出口压力为3.2 MPa,发电机的发电效率为0.9。设定风力机组的额定输出功率为1 500 kW,齿轮箱的传动比为1∶80,机械效率为0.9,蒸发温度参数设计为42 ℃,冷凝温度参数为78 ℃。设立风热机组与发电系统处于稳定环境及设备均正常运行时,风速保持为4 m/s,室外温度为15 ℃。

仿真计算得出汽轮中的工质质量流量为11.037 kg/s,发电系统输入热量为1 278.7 kJ。由于汽轮机运行中能量存在外部的机械损失、外部漏气损失、进气机构的阻力损失和排汽管中的排汽阻力损失,热泵系统从发电系统汽轮机中吸收乏汽余热热量为323.81 kJ,热泵系统工质流量为3.34 kg/s,风力机的输出功率为60.38 kW,齿轮箱的输出功率为57.36 kW。热泵系统的总供热量为381.18 kJ,计算获得风热机组的制热系数为6.64。

3 风热机组影响因素分析

为了分析不同参数对风热机组制热性能的影响,获得风热机组运行规律,掌握其性能优化方向,本文基于上一节中的计算状态,计算了不同风速、热泵系统蒸发温度、冷凝温度下风热机组的制热性能,并分析了参数对仿真结果的影响。

不同风速情况下风热机组性能变化如表1所示,可以看出,随着来流风速的增加,风热机组的制热性能系数不变而供热量逐渐增加。从公式(13)可以推导出制热性能系数:

表1 不同风速下风热机组性能的变化

(14)

制热性能系数仅与热泵系统各处焓值有关,与输入功无关,热泵系统在温度不变的情况下,各设备的进出口焓值不变。而风热机组的输入功来自风力机输出功率,因此来流风速变化引起的风力机输出功率改变并不影响制热性能系数。而来流风速的增加导致风力机输出功的增加,热泵系统工质流量逐渐增加,整个热泵系统供热量增加。从物理过程来说,风速的增加引起风力机输出功的增加,有更多的能量驱动热泵系统进行压缩,因此热泵系统的供热量明显增加,而输入功的增加并不会改变整个热泵系统的热力过程。

热泵系统不同蒸发温度情况下风热机组性能变化情况如表2所示。从结果可以看出,随着蒸发温度的升高,热泵系统工质流量增加,热泵系统供热量增加,制热性能系数增大。这是由于蒸发温度升高导致热泵系统吸热过程中各处的焓值增加,放热过程与吸热过程之间焓的差值逐渐减小,吸热过程焓值的增加使得制热性能系数增加。从物理过程分析,在热泵系统输入功不变的情况下可以驱动更多的工质参与吸热,工质流量逐渐增加,吸热量和供热量也逐渐增加,制热性能系数随着供热量的增加也逐渐增大。

表2 不同蒸发温度下风热机组性能的变化

热泵系统不同冷凝温度情况下风热机组性能变化情况如表3所示。可以看出,随着冷凝温度的升高,热泵系统的工质流量增加,但风热机组的吸热量、供热量和制热性能系数均发生了下降。冷凝温度上升导致放热过程焓值的增加,放热过程与吸热过程之间焓的差值增大,制热性能系数减小。从实际过程来看,冷凝温度提高使得压缩机消耗的功增加,当风力机输出功不变时,供热量相应地减少,机组整体的制热性能系数下降。

表3 不同冷凝温度下风热机组性能的变化

本文同时研究了蒸发温度及冷凝温度同时上升和下降对风热机组性能的影响,考虑蒸发温度和冷凝温度之差保持不变,分析蒸发温度和冷凝温度对结果的影响程度。从表4的计算结果可以看出,同时升高蒸发温度和冷凝温度,工质流量逐渐增加,风热机组的吸热量、供热量和制热性能系数均增大。这是由于蒸发温度变化相较于冷凝温度变化时所带动的焓值变化效果更显著,对于制热性能系数影响更大,因此,风热机组的制热性能受蒸发温度影响大于受冷凝温度的影响。在后续对风热机组进行优化控制时应更加关注蒸发温度的影响。