地?zé)崴p級(jí)吸收式制冷系統(tǒng)的火用經(jīng)濟(jì)分析

王永真，羅向龍，陳 穎，胡嘉灝，龔宇烈

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東廣州510006;2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640)

如今，地?zé)崮艿睦靡呀?jīng)逐步被世界各國(guó)所關(guān)注.“世界地?zé)岽髸?huì)WGC2010”統(tǒng)計(jì)，截止2009年底，全球已有27個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了地?zé)岚l(fā)電，裝機(jī)容量和年發(fā)電量分別為10 715 MW和672.5億kWh;地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量達(dá)50 583 MW，年產(chǎn)能達(dá)4.38×1014kJ［1-2］.我國(guó)地?zé)崮芊植家灾械蜏貫橹?，地?zé)崮茌^多地被用來采暖、洗浴和熱泵等［3］.發(fā)電方面，國(guó)內(nèi)目前僅存且運(yùn)行的地?zé)崮馨l(fā)電站只有西藏羊八井和廣東豐順兩個(gè).豐順閃蒸地?zé)犭娬臼菍?1℃地?zé)崴槿腴W蒸器閃蒸出蒸汽，從而推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電站仍有大量未閃蒸的地?zé)崴幢贿M(jìn)一步利用而直接排棄.而這些直接排放的地?zé)崴臏囟仍?8～75℃之間，利用溫差較小，利用率較低.

地?zé)岚l(fā)電與地?zé)嶂苯永孟嘟Y(jié)合的地?zé)崽菁?jí)綜合利用系統(tǒng)能夠有效地提高地?zé)豳Y源的利用率，進(jìn)而提高地?zé)崂孟到y(tǒng)的熱力性能.近年來，國(guó)際上有學(xué)者在地?zé)岬木C合利用方面進(jìn)行研究，如T.A.H.Ratlamwala等［4］將地?zé)崴?lián)通過雙級(jí)閃蒸發(fā)電循環(huán)、四效氨水吸收式制冷循環(huán)、尾水換熱循環(huán)和制氫循環(huán)，形成地?zé)岬奶菁?jí)綜合利用.建模并分析了地?zé)崴疁囟?、壓力及環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響;Oguz Arslan等［5］對(duì)土耳其某地?zé)豳Y源進(jìn)行了梯級(jí)綜合利用，地?zé)崴来瓮瓿捎袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電、居民采暖、溫室養(yǎng)殖和溫泉洗浴;Duccio Tempesti等［6］研究了一種太陽能地?zé)狁詈系挠袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)不同月份下系統(tǒng)發(fā)電效率進(jìn)行了分析;Can Coskun等［7］對(duì)供冷季、供熱季不同地?zé)峋C合利用系統(tǒng)的形式做了熱力學(xué)的分析，并考察了環(huán)境溫度對(duì)各系統(tǒng)效率的影響;Mehmet Kanoglu等［8］對(duì)地?zé)岚l(fā)電、制冷和采暖這3種可能的組合方案分別做了熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià).

因此，根據(jù)豐順夏熱冬暖地區(qū)的氣候特征，利用雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(TSARS)在低品位熱能回收方面的優(yōu)勢(shì)，將地?zé)衢W蒸電站未被利用的地?zé)嵛菜^續(xù)級(jí)聯(lián)到TSARS，構(gòu)成地?zé)崽菁?jí)綜合利用系統(tǒng)，一方面提高地?zé)崴睦寐?，另一方面則產(chǎn)生冷量以滿足制冷需求.但是與傳統(tǒng)的電制冷相比，TSARS設(shè)備復(fù)雜，投資高，且循環(huán)COP低.雖然近年來火用分析方法在吸收式制冷技術(shù)分析和評(píng)價(jià)有了一定的應(yīng)用，較好地解決了TSARS熱力學(xué)性能等方面的問題，如Sencan等［9］研究了發(fā)生器溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等因素對(duì)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)COP和火用效率的影響關(guān)系.但是火用分析方法沒有考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能.而火用經(jīng)濟(jì)分析則可以同時(shí)從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)出發(fā)，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合性能.如R.D.Misra等［10-11］利用火用經(jīng)濟(jì)方法分別研究了雙效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和氨水吸收式制冷循環(huán)的性能.

綜上所述，本文提出將TSARS應(yīng)用到電站地?zé)嵛菜幕厥?，建立地?zé)崴l(fā)電－制冷梯級(jí)綜合利用系統(tǒng).以電站運(yùn)行數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，獲得地?zé)崴幕鹩媒?jīng)濟(jì)成本，利用火用經(jīng)濟(jì)分析的方法，研究對(duì)比地?zé)崴?jí)聯(lián)到TSARS兩種模式的(串聯(lián)和并聯(lián))性能的優(yōu)劣.同時(shí)分析了地?zé)崴M(jìn)口溫度變化對(duì)制冷循環(huán)火用經(jīng)濟(jì)性能的影響.最后，設(shè)計(jì)具體案例模型，研究循環(huán)各設(shè)備的火用經(jīng)濟(jì)性能，以為實(shí)際工程案例做準(zhǔn)備，為我國(guó)中低溫地?zé)崮艿睦锰峁﹨⒖?

1 地?zé)犭娬具\(yùn)行情況

廣東豐順地?zé)犭娬静捎玫氖菃渭?jí)閃蒸發(fā)電循環(huán)，其流程如圖1所示.從生產(chǎn)井(PW)出來的地?zé)崴ㄟ^生產(chǎn)井泵(P)輸運(yùn)到電站閃蒸器(FT)，進(jìn)而通過控制閃蒸壓力Pf，使閃蒸器內(nèi)的地?zé)崴W蒸產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)(ST)做功而推動(dòng)發(fā)電機(jī)(G)發(fā)電，經(jīng)過汽輪機(jī)做功后的乏汽進(jìn)入凝汽器(CON-P)被冷卻水(CW)直接冷卻.據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，閃蒸器內(nèi)剩余地?zé)崴恢苯优艞墸髁窟_(dá)60 kg/s，最高溫度為75℃.因此，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，該閃蒸電站的地?zé)崴寐蕛H為24.3%，即熱水利用的能量只有其最大做功能力的24.3%，造成了地?zé)崮艿拇罅坷速M(fèi).圖2為2011年1～10月電站的發(fā)電功率，平均發(fā)電功率約為240 kW，發(fā)電效率僅為4.48%.

圖1 豐順地?zé)犭娬景l(fā)電流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Flow chart of geothermal power plant in Fengshun

圖22011 年電站各月發(fā)電功率Fig.2 The generated output of the Plant in 2011

2 地?zé)嵛菜罩评溲h(huán)

基于地?zé)犭娬据^低的地?zé)崴寐?，結(jié)合地?zé)犭娬狙h(huán)排放尾水溫位的特點(diǎn)，提出將閃蒸發(fā)電后電站排棄的地?zé)嵛菜?jí)聯(lián)到TSARS，形成地?zé)崽菁?jí)綜合利用系統(tǒng)，從而提高地?zé)崴睦寐?溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在低品位能源利用和工業(yè)余熱回收方面有較大潛力，而TSARS對(duì)熱源的溫度要求比單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)更低［12］，60℃以上的熱水即可驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而可利用其對(duì)70℃左右的地?zé)嵛菜右岳?TSARS流程如圖3所示，而地?zé)嵛菜?jí)聯(lián)到TSARS有串聯(lián)供入和并聯(lián)供入兩種可能的模式，如圖4所示.

圖3 雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖Fig.3 Flow chart of the TSARS

圖4 地?zé)嵛菜┤隩SARS的兩種模式Fig.4 The ways of geothermal waste water entering into TSARS

3 制冷系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)分析模型

其中，e為單位質(zhì)量火用，kW/kg;h為單位質(zhì)量焓，kJ/kg;s為單位質(zhì)量熵，kJ/(kg·℃);、和為系統(tǒng)內(nèi)部火用損失、外部火用損失、輸入燃料火用和輸出產(chǎn)品.

制冷系統(tǒng)計(jì)算模型是建立在如下假設(shè)的前提下進(jìn)行的:

(1)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行且所有的換熱器與外界無熱交換;

(2)制冷劑水(水蒸氣)在冷凝器進(jìn)口和蒸發(fā)器的出口均為飽和態(tài);

(3)不考慮系統(tǒng)由于摩擦而帶來的管道和換熱器的工質(zhì)壓力損失;

(4)不考慮溴化鋰水溶液的動(dòng)能、勢(shì)能和化學(xué)能;

(5)溴化鋰水溶液在系統(tǒng)各點(diǎn)處于平衡;

(6)地?zé)崴镄圆捎眉兯镄?

(7)為了保證溴化鋰溶液不結(jié)晶，進(jìn)入高低壓節(jié)流閥的溴化鋰濃溶液的溫度保證在當(dāng)前壓力下結(jié)晶溫度8℃以上.

3.1 子系統(tǒng)劃分

將雙級(jí)溴化鋰制冷系統(tǒng)每一個(gè)熱力過程劃分成一個(gè)子系統(tǒng)，即把每個(gè)設(shè)備當(dāng)做一個(gè)子系統(tǒng).故每個(gè)子系統(tǒng)的“燃料－產(chǎn)品－損失”定義如表1所示.

3.2 子系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)方程的建立

根據(jù)火用經(jīng)濟(jì)成本平衡式:輸入成本等于輸出成本，即

表1 各子系統(tǒng)“燃料－產(chǎn)品－損失”的定義Tab.1 The definition of“F-P-L”of each subsystem

其中，資金年度化系數(shù)［14］

式(6)中，m為年利率;n為系統(tǒng)運(yùn)行壽命，年;t為系統(tǒng)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h.

建立各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)方程，見表2.

雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的投資包括換熱器投資、泵(電機(jī))和節(jié)流閥的投資.其中高(低)壓發(fā)生器、高(低)壓吸收器、高(低)壓溶液交換器、冷凝器和蒸發(fā)器的投資利用式(7)計(jì)算，節(jié)流閥、泵(電機(jī))的投資利用式(8)計(jì)算［15］(把節(jié)流閥近似為泵的反向過程).

表2 各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)方程Tab.2 The exergoeconomic equations of each subsystem

其中，換熱器的換熱面積和泵(電機(jī))功耗分別按照式(9)、(10)確定.

其中，Qi為換熱器換熱量，kW;LMTDi為換熱器對(duì)數(shù)換熱溫差，℃;Ki為換熱器平均換熱系數(shù)，kW/m2;g為重力加速度，m/s2;Hi為泵的揚(yáng)程，m;βi為泵的效率，fi、fj、Ar、Wr為修正參數(shù)，參考文獻(xiàn)［15］.

3.3 地?zé)崴杀镜拇_定

據(jù)火用成本理論，電站系統(tǒng)中，地?zé)崴梢援?dāng)做雙線流來處理，根據(jù)雙線流進(jìn)出口火用經(jīng)濟(jì)成本相等原則［13］，那么地?zé)嵛菜鹩媒?jīng)濟(jì)成本可以按照地?zé)崴a(chǎn)成本來計(jì).

其中，電站成本Cwater按式(12)計(jì)算，各含量取值見表3.

所以，得

其中，Wdesign為電站設(shè)計(jì)發(fā)電功率，kW;Cexp為勘測(cè)費(fèi);Cper為許可費(fèi);Cd為鉆井費(fèi).

表3 地?zé)犭娬靖黜?xiàng)目費(fèi)用［15］($·kW－1)Tab.3 The fees of the geothermal power plant

3.4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析指標(biāo)

4 結(jié)果與討論

表4給出了TSARS的設(shè)計(jì)和計(jì)算參數(shù)，考慮到實(shí)際運(yùn)行條件，設(shè)串聯(lián)、并聯(lián)供給模式的TSARS利用地?zé)崴臏夭罹鶠?℃.

表4 雙級(jí)溴化鋰吸收式制冷循環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算參數(shù)Tab.4 The designed and calculated parameters of TSARS

4.1 串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的性能分析

4.2 地?zé)崴M(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響

實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于受到電站運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境溫度變化的影響，閃蒸電站的地?zé)嵛菜呐欧艤囟萒22在68～75℃之間.從圖6得，隨著地?zé)崴疁囟鹊脑龃螅h(huán)的COP不斷提高，且COP增大的速率不斷減小，在75℃時(shí)達(dá)到并聯(lián)TSARS的COP的最大值，約0.417.而從圖7得，隨著地?zé)崴疁囟鹊脑龃?，循環(huán)的火用效率卻不斷降低，且火用效率降低的速率不斷增大，并聯(lián)TSARS在地?zé)崴M(jìn)口溫度為68℃時(shí)火用效率約14.11%.這也反映了地?zé)崴皵?shù)量”與“品質(zhì)”的差別.同時(shí)，可以看到串聯(lián)系統(tǒng)的COP和火用效率始終比并聯(lián)系統(tǒng)的大.

圖5 地?zé)崴杀緦?duì)TSARS冷凍水火用經(jīng)濟(jì)成本的影響Fig.5 Effect of the waste geothermal water’s cost on the production exergoeconomic cost of TSARS

圖6 地?zé)崴M(jìn)口溫度對(duì)TSARS的COP的影響Fig.6 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the COP of TSARS

圖7 地?zé)崴M(jìn)口溫度對(duì)TSARS火用效率的影響Fig.7 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the exergic efficiency of TSARS

4.3 并聯(lián)TSARS各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)性能

表5給出了地?zé)崴M(jìn)口溫度為71℃時(shí)，并聯(lián)TSARS各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù).

在地?zé)崴M(jìn)口溫度為71℃，冷卻水進(jìn)口溫度為28℃，冷凍水出口溫度為10℃，TSARS總輸入火用31.414 kW，冷凍水輸出火用4.4 kW，總火用損27.014 kW，需要地?zé)崴?.562 kg/s，冷卻水16.89 kg/s，單位產(chǎn)品火用成本7.73$/GJ.圖8給出了并聯(lián)TSARS各設(shè)備火用損占循環(huán)總火用損的比例，即各設(shè)備火用損失率.顯然，低壓、高壓發(fā)生器由于較大換熱溫差的存在而帶來較大的換熱火用損，使其火用損失率較大，分別約25.354%和20.823%，高、低壓發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器次之，這6個(gè)換熱器的總火用損約占循環(huán)總火用損的95%.同時(shí)，從圖9可以看出，制冷劑節(jié)流閥、冷凝器和高、低壓吸收器的火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)較低，分別為19.5%、22.4%、29.01%和33.21%，反映了這幾個(gè)設(shè)備的不可逆損失較設(shè)備投資大，可通過增大投資或減少不可逆損失而進(jìn)一步提高設(shè)備性能.

圖8 并聯(lián)TSARS各設(shè)備火用損占循環(huán)總火用損的比例Fig.8 The ξ of each equipment of the parallel TSARS

圖9 并聯(lián)TSARS各設(shè)備火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)Fig.9 The f of each equipment of the parallel TSARS

5 結(jié)論

本文提出將TSARS級(jí)聯(lián)到原閃蒸地?zé)犭娬荆纬傻責(zé)崴奶菁?jí)綜合利用系統(tǒng).從電站實(shí)際運(yùn)行出發(fā)，確定地?zé)崴某杀?采用火用經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法對(duì)地?zé)嵛菜?jí)聯(lián)到TSARS的模式(串聯(lián)和并聯(lián))進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn):

(1)地?zé)崴⒙?lián)級(jí)聯(lián)到TSARS較串聯(lián)模式具有較好的火用經(jīng)濟(jì)性能，其冷凍水火用成本較串聯(lián)模式低.

(2)地?zé)崴?lián)TSARS的COP和火用效率在文中設(shè)定參數(shù)范圍內(nèi)始終略大于并聯(lián)TSARS，且COP隨著地?zé)崴M(jìn)口溫度的升高而增大，但升高的速率逐漸減小，而火用效率則相反.

(3)地?zé)崴⒙?lián)TSARS中換熱器的總火用損失率達(dá)到了95%，其中具有最大火用損率的設(shè)備是低壓吸收器，是由于其最大的不可逆?zhèn)鳠釡夭钏?制冷劑節(jié)流閥、冷凝器和高壓吸收器的火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)較小，可以通過增大投資或減少不可逆損失進(jìn)行改善.

表5 并聯(lián)TSARS各點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)和火用經(jīng)濟(jì)參數(shù)(T22=71℃，T29=10℃，T24=28℃，c22=2.98$/GJ)Tab.5 The properties of every state of the parallel TSARS

［1］Lund J W，F(xiàn)reeston D H，Boyd T L.Direct utilization of geothermal energy 2010 worldwide review［J］.Geothermics，2011，40(03):159-180.

［2］Arslan O，Kose R.Exergoeconomic optimization of integrated geothermal system in Simav，Kutahya［J］.Energy Conversion and Management，2010，51(4):663-676.

［3］Luo C，Huang L C，Gong Y L.Thermodynamic comparison of different types of geothermal power plant systems and case studies in China［J］.Renewable Energy，2012(48):155-160.

［4］Ratlamwala T A H，Dincer I，Gadalla M A.Performance analysis of a novel integrated geothermal-based system for multi-generation applications［J］.Applied Thermal Engineering，2012，40(04):71-79.

［5］Arslan O，Kose R.Exergoeconomic optimization of integrated geothermal system in Simav，Kutahya［J］.Energy Conversion and Management，2010，51(04):663-676.

［6］Tempesti D.Thermodynamic analysis of two micro CHP systems operating with geothermal and solar energy［J］.Applied Energy，2012，48(02):1-9.

［7］Coskun C，Oktay Z，Dincer I.Thermodynamic analyses and case studies of geothermal based multi-generation systems［J］.Energy，2012，32(06):71-80.

［8］Kanoglu M，Cengel Y A.Economic evaluation of geothermal power generation，heating，and cooling［J］.Energy，1999，24(06):501-509.

［9］Sencan A，Yakut K A，Kalogirou S A.Exergy analysis of lithium bromide/water absorption systems［J］.Renewable Energy，2005，30(5):645-657.

［10］Misra R D，Sahoo P K，Gupta A.Thermoeconomic evaluation andoptimizationofadouble-effectH2O/LiBr vapour-absorption refrigeration system［J］.International Journal of Refrigeration，2005，28(3):331-343.

［11］Misra R D，Sahoo P K，Gupta A.Thermoeconomic evaluation and optimization of an aqua-ammonia vapour-absorption refrigeration system［J］.International Journal of Refrigeration 2006，29(1):47-59.

［12］Ma W B，Deng S M.Theoretical analysis of low-temperature hot source driven two-stage LiBr/H2O absorption refrigeration system［J］.International Journal of Refrigeration，1996，19:141-146.

［13］Lozano M A，Valero A.Theory of the exergetic cost［J］.Energy，1993，18(9):939-960.

［14］Tsatsaronis G，Javier P.Exergoeconomics evaluation and optimization of energy systems—application to the CGAM problem［J］.Energy，1994，19(3):287-321.

［15］Bejan A，Tsatsaronis G，Moran M.Thermal design and optimization［M］.New York:John Wiley and Sons Inc，1996.