吸收式海水源熱泵系統(tǒng)工況設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

摘 要

摘要：介紹了溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)流程。以動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比(年收益與費(fèi)用年值的比值)作為目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合工程實(shí)例，分析了海水管道外徑對費(fèi)用年值的影
摘要：介紹了溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)流程。以動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比(年收益與費(fèi)用年值的比值)作為目標(biāo)函數(shù)，建立系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合工程實(shí)例，分析了海水管道外徑對費(fèi)用年值的影響。
關(guān)鍵詞：海水源熱泵；溴化鋰吸收式熱泵；工況設(shè)計(jì)優(yōu)化；費(fèi)用年值
Study on Condition Design Optimization of Absorption-type Seawater-source Heat Pump System
ZHAO Qi，TAN Yufei
Abstract：The process flow of lithium bromide absorption-type seawater-source heat pump system is introduced.Taking tbe dynamic economic ratio(ratio of annual income to annual cost)as the objective function，an optimal mathematical model for the system is established.The influence of the external diameter of seawater pipeline on the annual cost is analyzed with an engineering example.
Key words：seawater-source heat pump；lithium bromide absorption-type heat pump； condition design optimization；annual cost
1 概述
    吸收式熱泵是以熱能為補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)從低溫側(cè)向高溫側(cè)輸送熱量的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)余熱利用，因此在節(jié)能方面有著很好的應(yīng)用前景[1]。余熱利用的方式分為對余熱的直接利用和利用熱泵對余熱進(jìn)行利用，在余熱利用的程度和節(jié)能效益方面，熱泵是最合理的余熱利用方式[2～4]。在沿海城市，存在天然的低位熱源(海水)，可利用能量巨大。海水的水質(zhì)和水溫隨著取水地點(diǎn)的不同會(huì)有很大的差異，不同地區(qū)、不同類型建筑物的熱負(fù)荷差別也很大，因此保證海水源熱泵機(jī)組的可靠性，并最大限度地提高其經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)值得研究的課題[5]。對系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，權(quán)衡系統(tǒng)造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)用，尋求技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最佳的方案，提出系統(tǒng)改進(jìn)的方向與潛力。本文對溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)工況設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行研究。
2 系統(tǒng)流程[6]
    溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)流程見圖1。溶液循環(huán)部分：稀溶液出吸收器后，先由溶液泵升壓，濃度不變，溫度、比焓也基本不變，但成為過冷溶液。然后進(jìn)入溶液換熱器，吸收來自發(fā)生器濃溶液的熱量，濃度、壓力不變而溫度升高，進(jìn)入發(fā)生器。在發(fā)生器中被驅(qū)動(dòng)蒸汽加熱至沸騰，其中的水分逐漸蒸發(fā)，溴化鋰稀溶液濃度不斷提高變成濃溶液。濃溶液出發(fā)生器后進(jìn)入溶液換熱器降溫，并進(jìn)入吸收器進(jìn)一步降溫為吸收壓力下處于氣液相平衡狀態(tài)的飽和溶液，直至變?yōu)橄∪芤骸?/span>
    工質(zhì)循環(huán)部分：由發(fā)生器產(chǎn)生的工質(zhì)水蒸氣進(jìn)入冷凝器，在其中放熱冷凝為飽和液，經(jīng)節(jié)流閥降壓變?yōu)榈蛪旱蜏厮魵馀c水的混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器，低壓低溫水在蒸發(fā)器中吸收低溫?zé)嵩?海水)的熱量，變?yōu)榈蛪核魵?，進(jìn)入吸收器被吸收，回到發(fā)生器。
   熱網(wǎng)循環(huán)水部分：熱網(wǎng)循環(huán)水依次經(jīng)過吸收器和冷凝器，升溫后輸送給熱用戶。
3 數(shù)學(xué)模型
   ① 目標(biāo)函數(shù)的確定[7]
   優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來確定。為了體現(xiàn)系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用、收益的綜合影響，本文以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比(即年收益與費(fèi)用年值的比值)作為目標(biāo)函數(shù)。采用動(dòng)態(tài)法計(jì)算熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用年值，包括系統(tǒng)造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)用(循環(huán)泵的年電費(fèi)和驅(qū)動(dòng)蒸汽年費(fèi)用)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比Y的計(jì)算式為：
 

式中Y——系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比
    S——年收益，元/a
    F——費(fèi)用年值，元/a
   S是節(jié)省蒸汽量的函數(shù)，F(xiàn)為系統(tǒng)造價(jià)及年運(yùn)行費(fèi)用的函數(shù)。費(fèi)用年值是工業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將系統(tǒng)造價(jià)折算成與年運(yùn)行費(fèi)用相類似的費(fèi)用，然后再與年運(yùn)行費(fèi)用相加，就可得出費(fèi)用年值。動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比體現(xiàn)了系統(tǒng)造價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)用、收益的綜合影響。
   年收益S的計(jì)算式為：
    S=s+0.4△qmt    (2)
式中s——供熱收益，元/a
    △qm——溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)相對于采用熱電機(jī)組減溫減壓器供熱節(jié)省的蒸汽量，kg/s
    t——供熱時(shí)間，s
費(fèi)用年值F的計(jì)算式為：
 
式中Z——系統(tǒng)造價(jià)，元
    i——年利率，取0.1
    n——設(shè)備使用壽命，a
    f——年運(yùn)行費(fèi)用，元/a
    系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)可由以下設(shè)計(jì)參數(shù)確定：換熱器海水進(jìn)、出水溫度θs,in、θs,out熱網(wǎng)供回水溫度θn,s、θn,r換熱器中介水出水溫度θm,out，海水管道外徑ds，中介水管道外徑dm，中介水與海水流量之比γ。
    由供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷Φ選取熱泵機(jī)組型號(hào)，進(jìn)而可以確定換熱器的換熱面積、海水泵和中介水泵的輸入功率等。當(dāng)熱泵機(jī)組選定，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，θn,s、θn,r即為定值。優(yōu)化計(jì)算變量選取θs,out、θm,out、ds、dm、γ。
設(shè)換熱器的價(jià)格與換熱面積的變化趨勢一致，則換熱器價(jià)格Cex的計(jì)算式為：
 
式中Cex——換熱器價(jià)格，元
    Φex——換熱器的熱負(fù)荷，kW
    cex——換熱器單位換熱面積價(jià)格，元/m2，由市場調(diào)查得600～900元/m2，取800元/m2
    K——換熱器的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)
    γ——中介水與海水流量之比
    θs,out——換熱器海水的出水溫度，℃
    θs,in——換熱器海水的進(jìn)水溫度，℃
    θm,out——換熱器中介水出水溫度，℃
海水流量qs的計(jì)算式為：
 
式中qs——海水流量，m3/s
    熱泵系統(tǒng)的循環(huán)泵包括海水泵、工質(zhì)泵、中介水泵和溶液泵，其價(jià)格可認(rèn)為與循環(huán)泵的輸入功率呈線性關(guān)系，計(jì)算式分別為：
 
式中Cs,p、Cw,p、CL,p、Cm,p——海水泵、工質(zhì)泵、溶液泵、中介水泵的價(jià)格，元
    xs,p、x′s,p——海水泵單位功率價(jià)格線性系數(shù)，由市場價(jià)格曲線擬合求得
    xw,p、x′w,p——工質(zhì)泵單位功率價(jià)格的線性系數(shù)，由市場價(jià)格曲線擬合求得
    xL,p、x′L,p——溶液泵單位功率價(jià)格的線性系數(shù)，由市場價(jià)格曲線擬合求得
    xm,p、x′m,p——中介水泵單位功率價(jià)格的線性系數(shù)，由市場價(jià)格曲線擬合求得
    Ps、Pw、PL、Pm——海水泵、工質(zhì)泵、溶液泵、中介水泵的功率，kW
    ρs、ρw、ρL、ρm——海水、工質(zhì)、溶液、中介水的密度，kg/m3
    g——重力加速度，m2/s
    qs、qw、qL、qm——海水泵、工質(zhì)泵、溶液泵、中介水泵的流量，m3/s
    Hs、Hw、HL、Hm——海水泵、工質(zhì)泵、溶液泵、中介水泵的揚(yáng)程，m
    ηs、ηw、ηL、ηm——海水泵、工質(zhì)泵、溶液泵、中介水泵的效率
    管道造價(jià)包括管材造價(jià)及安裝費(fèi)用，與管徑和輸送距離呈線性關(guān)系。由于輸送距離一定，因此，管道造價(jià)可認(rèn)為只與管道管徑呈線性關(guān)系，管道造價(jià)Cpip的工程計(jì)算式為：
    Cpip=πdLδρpipcpip(1+d)    (14)
式中Cpip——管道的造價(jià)，元
    d——管道外徑，m
    L——海水供回水管道長度，m
    δ——管道壁厚，m
ρpip——管材密度，kg/m3，取7.85×103kg/m3
    cpip——單位質(zhì)量管材的價(jià)格，元/kg，市場價(jià)格為4.5元/kg
    α——安裝費(fèi)用占管道造價(jià)的比例
    ② 年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算
    熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用主要包括海水泵、中介水泵、工質(zhì)泵、溶液泵年電費(fèi)及驅(qū)動(dòng)蒸汽年費(fèi)用。本文采用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法進(jìn)行計(jì)算，熱泵與各循環(huán)泵是連鎖控制的，熱泵的運(yùn)行時(shí)間即是循環(huán)泵的運(yùn)行時(shí)間。
   ③ 節(jié)省蒸汽量計(jì)算
節(jié)省蒸汽量△qm的計(jì)算式為：
 
式中qm,1——采用熱電機(jī)組減溫減壓器供熱方式的蒸汽消耗量，kg/s
    qm,2——溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蒸汽的消耗量，kg/s
    Φ——供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷，kW
    h2——減溫減壓后蒸汽的比焓，kJ/kg
    h0——飽和水的比焓，kJ/kg
    h1——抽汽比焓，kJ/kg
    Icop——溴化鋰吸收式海水源熱泵的制熱性能系數(shù)
    式(15)中忽略減溫減壓器供汽與溴化鋰吸收式海水源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蒸汽的品位差。
   ④ 約束條件的確定
   冬季海水的最低溫度是確定的，因此換熱工況各參數(shù)的確定在限制范圍內(nèi)，但這些參數(shù)可以有一些變化。蒸發(fā)溫度高些，冷凝溫度低些，熱泵機(jī)組的制熱性能將得到提升，但換熱工況各參數(shù)又分別受到現(xiàn)有條件和需求條件的限制。蒸發(fā)溫度受中介水溫度和流量的限制，而中介水的參數(shù)變化又受海水溫度和海水流量的限制。另外，在考慮使用效果、運(yùn)行效率的同時(shí)，須避免選用換熱面積過大的換熱器。因此，每一項(xiàng)具體工程換熱工況的設(shè)計(jì)都是一個(gè)需要綜合考慮系統(tǒng)造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化課題。另外，設(shè)計(jì)過程中還受到海水排水溫度和吸收式水源熱泵機(jī)組最高出水溫度的限制。
4 優(yōu)化算例分析
   ① 工程簡介
   該工程為大連某居住小區(qū)供熱系統(tǒng)，該小區(qū)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為900kW，供熱時(shí)間為137d，大連市電價(jià)按0.75元/(kW·h)計(jì)算。海水干渠與換熱器之間的管道長度為2km，熱網(wǎng)供、回水設(shè)計(jì)溫度為70、50℃。冬季海水最低溫度為12℃，系統(tǒng)各設(shè)備使用壽命均取15a。
   ② 優(yōu)化結(jié)果及分析
   取各優(yōu)化參數(shù)的初始值：θs,out取8℃，換熱器中介水進(jìn)口溫度θm,in取4℃，γ取1。將已知參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型，采用約束直接搜索法編制計(jì)算機(jī)程序，可計(jì)算得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性價(jià)比Y=1.08。海水、中介水管道的壁厚均為6mm。
表1 海水源熱泵系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)
θs,out/℃
θm,out/℃
海水流量/(m3·h-1)
中介水流量/(m3·h-1)
ds/m
dm/m
8.6
8.2
102.86
98.05
0.219
0.219

   在θn,s=70℃，θn,r=50℃，θs,in=12℃，θs,out=8.6℃，θm,in=4℃，θm,out=8.2℃，以及海水流量為102.86m3/h，中介水流量為98.05m3/h的條件下，費(fèi)用年值與ds的關(guān)系見圖2。由圖2可知，隨著ds的增加，費(fèi)用年值降低很快，這是由于海水流速的降低使阻力降低，海水泵的耗電量降低。達(dá)到最低點(diǎn)(對應(yīng)最優(yōu)管徑)后，管徑繼續(xù)增加，管道造價(jià)增加較大，引起費(fèi)用年值增加。
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(本文作者：趙麒1,2 譚羽飛1 1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150090；2.長春工程學(xué)院 能源動(dòng)力工程學(xué)院 吉林長春 130012)