冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備變工況研究

李 明

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冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要設(shè)備變工況研究

李 明

（湖南凌天科技有限公司 湘潭 411100）

采用燃?xì)廨啓C(jī)典型變工況計(jì)算方法和余熱鍋爐考慮換熱系數(shù)的變工況計(jì)算方法分別對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐變工況特性進(jìn)行研究，得到其變工況的典型性能曲線。并根據(jù)吸收式制冷機(jī)產(chǎn)品選型手冊(cè)擬合得到其變工況特性顯式解析解以及機(jī)組變工況相對(duì)COP隨相對(duì)制冷量變化的曲線。本研究對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；變工況研究；燃?xì)廨啓C(jī)；余熱鍋爐；吸收式制冷機(jī)

0 引言

1 燃?xì)廨啓C(jī)的變工況特性

燃?xì)廨啓C(jī)作為聯(lián)供系統(tǒng)的核心動(dòng)力設(shè)備，其特性很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。由于負(fù)荷的變化，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)往往偏離設(shè)計(jì)工況，處于變工況狀態(tài)，因而對(duì)系統(tǒng)性能的研究更多的是對(duì)系統(tǒng)變工況特性的研究[11]。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中常采用“以冷（熱）定電”的原則，這要求燃?xì)廨啓C(jī)輸出的余熱量變化，需調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行工況，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率、排煙溫度、排煙流量和燃料耗量等也因此發(fā)生變化，進(jìn)而改變余熱回收裝置的換熱量以滿足負(fù)荷需求[8]。本文采用典型變工況計(jì)算方法研究燃?xì)廨啓C(jī)的性能，計(jì)算較為簡(jiǎn)單又能反映出燃?xì)廨啓C(jī)的變工況特性。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)變工況的顯式解析解，可得出其變工況典型性能，當(dāng)用燃?xì)廨啓C(jī)在變工況狀態(tài)的輸出參數(shù)與設(shè)計(jì)工況相應(yīng)參數(shù)的比值表示時(shí)，不同設(shè)計(jì)值機(jī)組的各種無(wú)因次變工況性能曲線均分布在一條狹帶之中，尤其發(fā)電效率基本在一條線上，且此線與實(shí)際數(shù)據(jù)相當(dāng)符合[12]。由此得到的變工況特性可典型地表達(dá)燃?xì)廨啓C(jī)的通用特性。

燃?xì)廨啓C(jī)變工況下，其發(fā)電效率、燃料耗量及排煙溫度隨燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率變化的解析式[13]如下：

式中，上標(biāo)“—”表示以設(shè)計(jì)值為參考的折合參數(shù)，解析式（3）是根據(jù)解析解算例中排氣溫度隨發(fā)電功率變化的數(shù)據(jù)擬合得到的。

由解析式得出燃?xì)廨啓C(jī)典型變工況各種無(wú)因次性能曲線如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)典型變工況無(wú)因次性能曲線

由圖可以看出：燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度、燃料耗量和發(fā)電功率均隨著功率的降低而不斷減小，其中發(fā)電效率的減小較快，表明當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在很小負(fù)荷的情況下，機(jī)組性能下降很快。燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)的排煙流量可由已知排煙溫度、燃料耗量、發(fā)電功率和效率根據(jù)能量守恒計(jì)算得到[14]，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)盡管隨著發(fā)電功率的降低，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料耗量減少了，但排煙流量卻在不斷增加，只是增加的幅度不大，該結(jié)論在文獻(xiàn)[15]有相關(guān)表述。

2 余熱鍋爐的變工況特性

余熱鍋爐是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的余熱回收裝置，其熱源來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)。余熱鍋爐換熱過(guò)程中，換熱器兩側(cè)的工質(zhì)分別為燃?xì)廨啓C(jī)排煙和水，換熱系數(shù)主要取決于其中的排煙側(cè)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在變工況情況下，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度和流量均發(fā)生變化，導(dǎo)致了余熱鍋爐的換熱系數(shù)發(fā)生改變。因此，在分析余熱鍋爐的變工況特性時(shí)，必須考慮換熱系數(shù)隨工況不同而改變的特點(diǎn)。本文采用考慮換熱系數(shù)變化的變工況計(jì)算方法[16]：

式中，和分別為總換熱系數(shù)和換熱面積；為與鍋爐結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，可通過(guò)設(shè)計(jì)工況求得；G、分別為燃?xì)廨啓C(jī)的排煙流量和排煙平均溫度；和為與管簇形式及煙氣熱物性相關(guān)的常數(shù)，其中+；本文取管簇排列形式為橫流順列，則=0.65，=0.33；與分別是煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)與運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化的冪指數(shù)。

由式（4）計(jì)算余熱鍋爐變工況運(yùn)行時(shí)的換熱系數(shù)，視余熱鍋爐為換熱器，則煙氣側(cè)與水側(cè)的傳熱計(jì)算如下：

=Δ=cG(-T) （5）

式中，、Δ分別為煙氣與水的換熱量和兩側(cè)的對(duì)數(shù)平均溫差；為煙氣比熱容；T為余熱鍋爐排煙出口溫度。

式（4）和（5）中各常數(shù)的求取步驟如下。

2.1 γ的求取

從已有文獻(xiàn)中可查取不同溫度煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度部分?jǐn)?shù)據(jù)[17]，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合得到煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)與運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化的關(guān)系式如下：

=18.9280.581（6）

106=0.20110.9711（7）

因此，=0.581，=0.9711。代入得到0.0785。

2.2 c的求取

煙氣溫度不同，其比熱容也會(huì)發(fā)生變化，但在余熱鍋爐工作時(shí)的煙氣溫度范圍內(nèi)，比熱容變化幅度并不大，計(jì)算時(shí)可當(dāng)作常數(shù)。本文考慮了實(shí)例中余熱鍋爐工作時(shí)的煙氣溫度范圍后，取=1.0677J/(kg·K)。

2.3 A的求取

對(duì)于設(shè)計(jì)工況，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出參數(shù)以及余熱鍋爐的進(jìn)出口煙氣溫度均已知，則結(jié)合式（4）和式（5）可求得計(jì)算余熱鍋爐變工況的常數(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，排煙流量的變化幅度并不大，對(duì)于已知型號(hào)的余熱鍋爐，F(xiàn)、A、m、γ均為固定的常數(shù)，則根據(jù)式（4）近似得到余熱鍋爐變工況總換熱系數(shù)K關(guān)于余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度T變化的無(wú)因次性能曲線如圖2所示。

由圖可以看出系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐的換熱系數(shù)隨著燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度降低有一定幅度的減小，機(jī)組效率有所下降。

3 蒸汽型吸收式冷水機(jī)組的變工況特性

吸收式冷水機(jī)組常作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的供冷設(shè)備，也是系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備之一。吸收式制冷機(jī)組的變工況特性主要受冷媒水出口溫度及流量、熱源溫度及流量、冷卻水進(jìn)口溫度及流量等眾多因素的影響[18]，而這些參數(shù)的變化又均與機(jī)組熱源和機(jī)組制冷量相關(guān)。對(duì)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制冷設(shè)備，往往需要根據(jù)冷負(fù)荷需求調(diào)整制冷機(jī)組工況從而調(diào)節(jié)制冷量，若能找到機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)機(jī)組COP、熱源流量和制冷量之間的顯式關(guān)系，則可以方便地分析機(jī)組的變工況特性，并用于系統(tǒng)的變工況計(jì)算。

目前溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的應(yīng)用較為廣泛，本文制冷機(jī)組采用蒸汽型雙效溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，其變工況特性顯式解析解根據(jù)產(chǎn)品選型手冊(cè)中的相應(yīng)曲線擬合得到。吸收式冷水機(jī)組相對(duì)制冷量與相對(duì)蒸汽耗量的關(guān)系曲線如圖3（a）所示，由于制冷量下降，機(jī)組的蒸汽耗量不斷減小。圖3（b）所示為相對(duì)制冷量與機(jī)組熱源蒸汽壓力的關(guān)系曲線，機(jī)組的汽源壓力低于額定蒸汽壓力（圖中給出的是額定蒸汽壓力分別為0.6MPa和0.8MPa的機(jī)組性能曲線）時(shí)，制冷量均下降，并近似呈線性關(guān)系。

圖3 雙效蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的變工況特性

根據(jù)圖3（a）和（b）分別擬合得到變工況蒸汽耗量、制冷量和蒸汽壓力之間的解析式：

式中，G為冷水機(jī)組入口蒸汽流量；Q為機(jī)組制冷量；P為熱源蒸汽壓力；上標(biāo)“—”表示以設(shè)計(jì)值為參考的折合參數(shù)。

在確定吸收式冷水機(jī)組進(jìn)口蒸汽參數(shù)和出口凝水參數(shù)的情況下，可通過(guò)能量守恒計(jì)算吸收式冷水機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)的COP[19]，其計(jì)算式如下：

式中，COP為吸收式制冷機(jī)組的能效比；h、h分別為吸收式冷水機(jī)組進(jìn)口蒸汽比焓和出口凝水比焓，可通過(guò)相應(yīng)的溫度和壓力查水和水蒸汽圖表得到，其余符號(hào)如前所述。取進(jìn)口蒸汽參數(shù)、出口凝水參數(shù)不變的變工況進(jìn)行分析，即h-h不變，則COP隨制冷量和蒸汽耗量變化，其無(wú)因次關(guān)系式為：

根據(jù)式（12）計(jì)算擬合得到機(jī)組變工況相對(duì)COP隨相對(duì)制冷量變化的曲線，如圖4所示。

圖4 吸收式制冷機(jī)組相對(duì)COP隨相對(duì)制冷量變化

由圖可看出，吸收式冷水機(jī)組的制冷量小于額定制冷量的一定變工況范圍內(nèi)，隨著制冷量的減小，COP會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)，因而對(duì)于吸收式冷水機(jī)組機(jī)組而言，設(shè)定工況下機(jī)組的運(yùn)行性能并非最高，機(jī)組的該特點(diǎn)對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)備選型和運(yùn)行方案的確有一定影響。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)組等設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，研究其變工況特性，通過(guò)對(duì)以上結(jié)果的分析可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)典型變工況計(jì)算方法得到的燃?xì)廨啓C(jī)變工況特性表明，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在很小負(fù)荷的情況下，機(jī)組性能下降很快；隨著發(fā)電功率的降低，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料耗量減少了，但排煙流量卻有小幅度的增加。

（2）采用余熱鍋爐換熱系數(shù)變化的方法分析余熱鍋爐變工況特性時(shí)，換熱系數(shù)隨余熱鍋爐進(jìn)口煙氣溫度的降低而減小，因此設(shè)備性能有所下降。

（3）蒸汽型吸收式冷水機(jī)組的制冷量受熱源蒸汽壓力的影響，當(dāng)蒸汽壓力不變時(shí)，機(jī)組的蒸汽耗量隨制冷量的減小而減小，機(jī)組能效比則會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)。

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The Variable Condition Research of CCHP System Major Equipments

Li Ming

( Hunan LINTEN Technology Co., Ltd, Xiangtan, 411100 )

Utilizing the typical analytical solution of gas turbine and considering the variation of heat transfer coefficients of heat recovery steam generator (HRSG), the variable condition characteristics of gas turbine and HRSG were studied. And according to the absorption chiller Product Selection Guide fitting its variable condition explicit analytical solution and the curve of relative COP vary with the relative cooling capacity was obtained. The study has a guiding significance on the design of CCHP system.

CCHP; Variable condition; Gas turbine; HRSG; Absorption chiller

1671-6612（2017）06-616-04

TK2

B

李 明（1971.02-），男，本科，工程師，E-mail：19057407@qq.com

2017-06-22