基于EBSILON的冷热电三联供系统及能量利用特性

朱良君，王世朋，赵大周，张海珍，刘润宝，谢玉荣

(1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.国家能源分布式能源技术研发(实验)中心，杭州 310030；3.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州 310030)

中国作为一个能源生产大国，现阶段正处于油气革命、非化石能源替代的过渡期，构建清洁高效、多能互补、多能供应的能源发展格局是中国能源侧战略转型的关键一步[1]。光伏、风电、生物质能等可再生资源由于其受自然气候、地域等因素的影响，具有较强的波动性、不稳定性，短时间内无法实现可再生能源的规模化替代[2-4]。天然气作为一种高效清洁能源近年来得到广泛关注，已然成为中国实现低碳能源转型的重大战略选择[5]。天然气冷热电三联供分布式能源系统(combined cooling heating and power，CCHP) 因其具有能源利用效率高、布置灵活、启停简单、安全可靠成为天然气高效利用的主要方式之一[6-10]。

CCHP系统基于能量梯级利用原理，根据用户能源需求进行冷、热、电供给，并实现“温度对口，梯级利用”，使得能源综合利用效率达到75%～90%[11]。因能源供给侧结构性改革发展需要，探究高效集成的分布式能源系统特性成为研究热点问题之一，目前大部分学者的主要工作基本围绕着分布式能源系统配置及运行优化、系统的评价准则、系统方案等方面展开[12]。

杨承等[13]利用主机典型特性解析解及制冷机变工况特性DOE-2模型分析比较了CCHP 系统的各种效率形式及其全工况特性，研究结果发现CCHP系统可按全工况节能系数及经济火用效率评价；江婷等[14]对分布式能源系统的低温烟气余热利用进行了经济性分析，发现在外输模式不变的情况下，余热利用量越大则系统经济性越好；杨兴林等[15]利用MATLAB建立了CCHP系统成本与收益关系的模型并进行模拟优化，获得了机组最大收益情况下的最佳运行组合；孙文[16]以MATLAB/Simulink为仿真平台建立了典型天然气分布式能源系统的动静态系统高精度的实时仿真模型，并实现了对系统经济性、安全性的评估。

现拟对燃气冷热电三联供系统供能特性进行分析，通过EBSILON软件搭建内燃机组、吸收式制冷机组、换热器等组件的耦合模型，着重分析采用不同热源驱动制冷、内燃机组变负荷运行时CCHP系统的供能特性，以期对冷热电三联供系统的系统配置、耦合模式、运行优化等具有一定的指导作用。

1 模型系统介绍

1.1 模型系统流程介绍

本文模型为典型的楼宇型分布式能源站，能源站向外提供热媒水、冷媒水和供电。系统配置1台4 500 kW内燃机，1台额定制冷量为3 600 kW的烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组，包括机组本体、烟气热水换热器和缸套水换热器，系统示意图如图1 所示。

1为天然气；2为空气；3为热水1；4为系统排气；5为循环冷却水；6为冷冻水；7为热水2；8为供热水图1 冷热电三联供系统示意图Fig.1 Diagram of CCHP system

内燃机发电机组排放的高温烟气经烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组制冷利用后降温至120 ℃后，进入烟气热水换热器，降温至90 ℃排放，制取60 ℃热水；高温缸套水进入冷水机组制冷，并降温至80 ℃后再进入缸套水板式换热器制取60 ℃热水。系统配置蓄热水箱，供蓄热使用，热媒水由蓄热水箱供给用户。能源站综合供能系统设计制冷系数为1.05，综合能源效率达90.5%。

1.2 内燃机与换热器主要参数

能源站主机选择GE颜巴赫J624-V2型内燃机组，额定功率4 500 kW，机组设计参数如表1所示，缸套水换热器与烟水换热器设计参数如表2所示。

表1 J624-V2内燃机组设计参数Table 1 Design parameters of J624-V2 internal combustion unit

表2 换热器设计参数Table.2 Design parameters of heat exchanger

1.3 烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组

烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组包括烟气发生器、缸套水发生器、低压发生器、吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器等6个主要部分。基于溴化锂溶液的高沸点、高吸水特性，在换热元件内进行吸热放热循环，制取低温冷冻水。额定制冷量为 3 600 kW，冷冻水供/回水温度为7/12 ℃，在仅烟气制冷制冷系数(coefficient of refrigeration，COP)为1.25，仅热水制冷COP为0.84，溴化锂溶液浓度48%。

1为烟气发生器；2为缸套水发生器；3为低压发生器；4为冷凝器；5为节流阀；6为蒸发器；7为吸收器；8为低温换热器；9为高温换热器；10为溴化锂溶液泵；11为冷却水泵；12为冷冻水泵图2 烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组系统图Fig.2 Diagram of flue gas hot water lithium bromide absorption chiller

烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组如图2所示，在制冷流程中，烟气发生器、缸套水发生器热源分别来自高温烟气(1Y、2Y)，高温缸套水(1L、2L)、低压发生器热源来自高温发生器内高温水蒸气，各发生器内溴化锂稀溶液吸热蒸发并浓缩，三路水蒸气(1H、2H、3H)进入冷凝器被循环水冷却，然后经由节流阀节流降压，随后进入蒸发器中，吸收冷冻水热量蒸发制取低温冷水(1R、2R),循环冷却水依次经过蒸发器、冷凝器对其进行冷却(1C、2C、3C)。蒸发器内的凝结水在蒸发器变为蒸汽进入含有高浓度溴化锂的吸收器后成为溴化锂稀溶液，稀溶液在泵的驱动下再次依次经过低温热交换器、缸套水发生器、高温热交换器、烟气发生器完成制冷循环。系统中布置了两级换热器回收浓溴化锂溶液热量[17-18]。

2 搭建模型

2.1 内燃机组模型建立

内燃机组采用EBSILON内置模块内燃机组构建，天然气与空气进入内燃机混合燃烧，将燃料化学能转换为电能，并产生高温排气与高温缸套水，内燃机组模型如图3所示。模型中忽略了过滤器及空气管道的热力损失。

图3 内燃机组模型Fig.3 The internal-combustion engine model

内燃机组整体热平衡方程为

Bg(hg+Qnet)+maha=Qy+Qw+Qs+Pgt

(1)

内燃机组发电效率计算公式为

(2)

式中：Bg为天然气消耗量，kg/s；hg为天然气焓值,kJ/kg；ma为空气量，kg/s；ha为空气焓值,kJ/kg；Qnet为天然气低位热值，kJ/kg；Qy为烟气热量，kJ；Qw为缸套水热量，kJ；Qs为散热损失，kJ；Pgt为内燃机组发电出力，kW；ηgt为内燃机组发电效率，%。

2.2 换热器模型

所采用烟水换热器与缸套水换热器如图4所示，换热器基于热量守恒原理，同时考虑了换热过程中压降、焓降等参数。

图4 烟水换热器与缸套水换热器模型Fig.4 Models of flue gas water heat exchanger and cylinder liner water heat exchanger

烟水换热器与缸套水换热器分别满足的热平衡方程为

Gy(I1-I2)ηH1=Dw1(iw1-i0)

(3)

Gw(Iw1-Iw2)ηH2=Dw2(iw2-i0)

(4)

式中：Gy、Gw为内燃机组排烟流量与缸套水流量，kg/s；Dw1、Dw2为烟水换热器与缸套水换热器制取热水流量，kg/s；I1、I2为烟气进出焓值，kJ/kg；Iw1、Iw2为高温缸套水进、出焓值，kJ/kg；iw1、iw2、i0为烟水换热器与缸套水换热器所制取热水焓值及给水焓值，kJ/kg；ηH1、ηH2为烟水换热器与缸套水换热器效率，%。

2.3 烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组

烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组模型，通过EBSILON软件内部吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器等换热元件以及节流阀、泵、混合器、分流器等组件进行组建，结合烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组设计参数进行调试，拟搭建的对应模型如图5所示。

1为烟气发生器；2为缸套水发生器；3为低压发生器；4为冷凝器；5为主节流阀；6为蒸发器；7为吸收器；8为低温换热器；9为高温换热器；10为溴化锂溶液泵；11为次节流阀1；12为次节流阀2图5 烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组模型Fig.5 Diagram of lithium bromide absorption chiller with flue gas hot water

烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组系统热平衡及制冷系数(COP)计算方程为

Qyx+Qwx+Qr=Qc

(5)

(6)

式中：Qyx、Qwx为烟气与缸套水利用热量，kW；Qr为制冷机组总制取冷量，kW；Qc为制冷机组系统冷却水带走热量，kW；COP为制冷机组制冷系数。

2.4 模拟系统耦合

将搭建的内燃机组模型、换热器模型、烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组耦合，图6为所构建的冷热电三联供系统耦合模型。三联供系统中吸收式制冷机采用双热源驱动，以内燃机排气驱动烟气发生器，经过制冷机的排气进入烟水换热器，高温缸套水驱动缸套水发生器，在缸套水发生器换热之后进入换热器，分别制取60 ℃热水与冷冻水，冷冻水供/回水温度为7/12 ℃。

1为内燃机组；2为烟水换热器；3为缸套水换热器；4为烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组图6 冷热电三联供系统耦合模型Fig.6 The coupling model of CCHP system

根据冷热电三联供系统使用手册，定义系统综合能源利用率为

(7)

式(7)中：B为内燃机组天然气消耗量，Nm3/s。

3 计算结果及分析

针对搭建的冷热电三联供模型计算分析，得出在设计工况下CCHP系统参数与设计工况下参数对比验证，在设计工况下全参数对比如表3所示。根据参数对比验证结果可以发现，设计工况下各内燃机组、烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组的模拟参数与设计参数误差范围均控制在5%内，模拟结果基本可靠。

表3 设计工况下CCHP系统模拟参数验证Table.3 Verification of simulation parameters of CCHP system under design conditions

在设计工况(内燃机组满负荷运行)下，针对拟搭建的CCHP系统进行模拟计算分析。分析了在内燃机满负荷运行条件下，烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组采用单一热源与双热源驱动，以及不同驱动热源比例情况下CCHP系统的能量特性。

图7 内燃机组满负荷条件下不同工况下CCHP系统能量特性Fig.7 Diagram of energy characteristics of CCHP system under different working conditions on full load condition

在内燃机组满负荷下得到系统能量特性，图7(a)、图7(b)显示了在内燃机满负荷时烟气发生器与缸套水发生器不同输入热量比值下系统特性，可以看出，在烟气发生器达到设计条件下，随着输入制冷机内缸套水热量的增加，系统制冷量增加，制热量减少，并且整体综合能源利用效率呈现增大趋势。同样地，在缸套水发生器达到设计值条件下，随着制冷机内烟气余热量的输入，系统制冷量增加，制热量减少，综合能源利用效率明显提升，并在设计工况下(x=1，y=1时)采用双热源驱动制冷机组时CCHP系统综合能源效率达到最大值。

为进一步探索CCHP系统在内燃机组变工况条件下冷热电三联供系统供能特性，进一步分析了在内燃机组75%、50%负荷率下CCHP系统综合能源利用效率与制冷系数(COP)特性曲线。

图8 内燃机组变工况时CCHP系统COP特性曲线Fig.8 Diagram of COP characteristic curve about CCHP system under different design condition

图8(a)、图8(b)显示了在内燃机组不同负荷率下CCHP系统的COP曲线，模拟结果可以看出，烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组在烟气作为单一热源驱动下(WY0工况)COP达到最高，在75%负荷率下可达到1.28。在缸套水为单一热源驱动下(YW0工况)COP值最低，在50%负荷率下达到最小值仅0.74。CCHP系统中随着缸套水输入热量的增加，COP逐渐下降，而随着烟气输入热量的增加，制冷系统COP逐渐增大。这是由于内燃机组排烟温度较高，缸套水温度较低，并且随着内燃机负荷率的降低，排烟温度升高，流量下降，而缸套水温度、流量均下降，从而引起发生器效率不同，最终导致不同工况下COP不同。

图9(a)、图9(b)显示了在内燃机组不同负荷率下CCHP系统的综合能源效率曲线，从图9中可以看出，在烟气作为单一热源(YW0工况)驱动烟气热水型溴化锂吸收式冷水机组条件下，随着缸套水输入热量的增加系统综合能源效率增大；在缸套水为单一热源(WY0工况)驱动条件下，随着烟气热量输入增加，系统的综合能源效率的提升更加明显。在内燃机组不同负荷率的条件下，75%负荷率时系统综合能源利用效率最高，在WY1工况下可达到92.0%；而在50%负荷率时系统综合能源效率最低，在YW0工况下仅达到76.1%，远低于设计值。

通过EBSILON模拟软件对冷热电三联供系统建模并分析，模拟结果发现CCHP系统中采用不同余热作为制冷、制热热源，可获得不同的综合供能特性，本文模拟实验结果旨在对CCHP系统的高效运行起到一定的优化作用。

4 结论

利用EBSILON软件分别搭建了内燃机组、烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组、换热器组件等模型，分析了烟气-热水型溴化锂吸收式冷水机组在不同烟气与缸套水热源驱动下的COP特性曲线，进一步分析了内燃机组不同负荷率下系统的综合供能特性。

(1)CCHP系统在内燃机满负荷条件下，与单一热源作为制冷系统驱动热源相比，采用双热源(烟气与缸套水)的制冷系统获得的冷量更大，CCHP系统具有更高的综合能源效率。采用单一热源时，烟气作为驱动热源能使制冷系统具有更高的COP，而缸套水作为驱动热源反而会降低制冷系统的COP。

(2)CCHP系统在内燃机变负荷情况下，在75%负荷率的情况下制冷系统的COP、CCHP系统综合能源效率比100%负荷高，在WY1工况下达到最大值1.28与92.0%；而50%负荷率情况下，COP值与综合能源效率大大降低，在50%负荷率时采用缸套水作为单一热源驱动制冷机时，COP与综合能源利用效率达到最低值，分别为0.74和76.1%。

(3)在CCHP系统中，高温烟气与高温缸套水作为CCHP系统的两类余热资源，在同时需要冷热负荷的情况下，高温烟气更加适用于作为制冷热源，而缸套水更适合作为制备热水的热源。