吸收式海水源热泵系统工况设计优化研究

摘 要

摘要：介绍了溴化锂吸收式海水源热泵系统流程。以动态经济性价比(年收益与费用年值的比值)作为目标函数，建立系统优化数学模型。结合工程实例，分析了海水管道外径对费用年值的影
摘要：介绍了溴化锂吸收式海水源热泵系统流程。以动态经济性价比(年收益与费用年值的比值)作为目标函数，建立系统优化数学模型。结合工程实例，分析了海水管道外径对费用年值的影响。
关键词：海水源热泵；溴化锂吸收式热泵；工况设计优化；费用年值
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
    吸收式热泵是以热能为补偿，实现从低温侧向高温侧输送热量的设备，可以实现余热利用，因此在节能方面有着很好的应用前景[1]。余热利用的方式分为对余热的直接利用和利用热泵对余热进行利用，在余热利用的程度和节能效益方面，热泵是最合理的余热利用方式[2～4]。在沿海城市，存在天然的低位热源(海水)，可利用能量巨大。海水的水质和水温随着取水地点的不同会有很大的差异，不同地区、不同类型建筑物的热负荷差别也很大，因此保证海水源热泵机组的可靠性，并最大限度地提高其经济性，是一个值得研究的课题[5]。对系统的最优化设计是在现有的技术经济条件下，权衡系统造价和年运行费用，寻求技术经济性最佳的方案，提出系统改进的方向与潜力。本文对溴化锂吸收式海水源热泵系统工况设计优化进行研究。
2 系统流程[6]
    溴化锂吸收式海水源热泵系统流程见图1。溶液循环部分：稀溶液出吸收器后，先由溶液泵升压，浓度不变，温度、比焓也基本不变，但成为过冷溶液。然后进入溶液换热器，吸收来自发生器浓溶液的热量，浓度、压力不变而温度升高，进入发生器。在发生器中被驱动蒸汽加热至沸腾，其中的水分逐渐蒸发，溴化锂稀溶液浓度不断提高变成浓溶液。浓溶液出发生器后进入溶液换热器降温，并进入吸收器进一步降温为吸收压力下处于气液相平衡状态的饱和溶液，直至变为稀溶液。
    工质循环部分：由发生器产生的工质水蒸气进入冷凝器，在其中放热冷凝为饱和液，经节流阀降压变为低压低温水蒸气与水的混合物，进入蒸发器，低压低温水在蒸发器中吸收低温热源(海水)的热量，变为低压水蒸气，进入吸收器被吸收，回到发生器。
   热网循环水部分：热网循环水依次经过吸收器和冷凝器，升温后输送给热用户。
3 数学模型
   ① 目标函数的确定[7]
   优化设计的目标函数应根据实际需要来确定。为了体现系统造价、年运行费用、收益的综合影响，本文以系统动态经济性价比(即年收益与费用年值的比值)作为目标函数。采用动态法计算热泵系统的费用年值，包括系统造价和年运行费用(循环泵的年电费和驱动蒸汽年费用)。系统动态经济性价比Y的计算式为：
 

式中Y——系统动态经济性价比
    S——年收益，元/a
    F——费用年值，元/a
   S是节省蒸汽量的函数，F为系统造价及年运行费用的函数。费用年值是工业经济学中的经济评价指标，将系统造价折算成与年运行费用相类似的费用，然后再与年运行费用相加，就可得出费用年值。动态经济性价比体现了系统造价、年运行费用、收益的综合影响。
   年收益S的计算式为：
    S=s+0.4△qmt    (2)
式中s——供热收益，元/a
    △qm——溴化锂吸收式海水源热泵系统相对于采用热电机组减温减压器供热节省的蒸汽量，kg/s
    t——供热时间，s
费用年值F的计算式为：
 
式中Z——系统造价，元
    i——年利率，取0.1
    n——设备使用寿命，a
    f——年运行费用，元/a
    系统的各个状态参数可由以下设计参数确定：换热器海水进、出水温度θs,in、θs,out热网供回水温度θn,s、θn,r换热器中介水出水温度θm,out，海水管道外径ds，中介水管道外径dm，中介水与海水流量之比γ。
    由供热系统热负荷Φ选取热泵机组型号，进而可以确定换热器的换热面积、海水泵和中介水泵的输入功率等。当热泵机组选定，系统的运行状况达到稳定状态时，θn,s、θn,r即为定值。优化计算变量选取θs,out、θm,out、ds、dm、γ。
设换热器的价格与换热面积的变化趋势一致，则换热器价格Cex的计算式为：
 
式中Cex——换热器价格，元
    Φex——换热器的热负荷，kW
    cex——换热器单位换热面积价格，元/m2，由市场调查得600～900元/m2，取800元/m2
    K——换热器的传热系数，kW/(m2·K)
    γ——中介水与海水流量之比
    θs,out——换热器海水的出水温度，℃
    θs,in——换热器海水的进水温度，℃
    θm,out——换热器中介水出水温度，℃
海水流量qs的计算式为：
 
式中qs——海水流量，m3/s
    热泵系统的循环泵包括海水泵、工质泵、中介水泵和溶液泵，其价格可认为与循环泵的输入功率呈线性关系，计算式分别为：
 
式中Cs,p、Cw,p、CL,p、Cm,p——海水泵、工质泵、溶液泵、中介水泵的价格，元
    xs,p、x′s,p——海水泵单位功率价格线性系数，由市场价格曲线拟合求得
    xw,p、x′w,p——工质泵单位功率价格的线性系数，由市场价格曲线拟合求得
    xL,p、x′L,p——溶液泵单位功率价格的线性系数，由市场价格曲线拟合求得
    xm,p、x′m,p——中介水泵单位功率价格的线性系数，由市场价格曲线拟合求得
    Ps、Pw、PL、Pm——海水泵、工质泵、溶液泵、中介水泵的功率，kW
    ρs、ρw、ρL、ρm——海水、工质、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、工质泵、溶液泵、中介水泵的流量，m3/s
    Hs、Hw、HL、Hm——海水泵、工质泵、溶液泵、中介水泵的扬程，m
    ηs、ηw、ηL、ηm——海水泵、工质泵、溶液泵、中介水泵的效率
    管道造价包括管材造价及安装费用，与管径和输送距离呈线性关系。由于输送距离一定，因此，管道造价可认为只与管道管径呈线性关系，管道造价Cpip的工程计算式为：
    Cpip=πdLδρpipcpip(1+d)    (14)
式中Cpip——管道的造价，元
    d——管道外径，m
    L——海水供回水管道长度，m
    δ——管道壁厚，m
ρpip——管材密度，kg/m3，取7.85×103kg/m3
    cpip——单位质量管材的价格，元/kg，市场价格为4.5元/kg
    α——安装费用占管道造价的比例
    ② 年运行费用计算
    热泵系统的年运行费用主要包括海水泵、中介水泵、工质泵、溶液泵年电费及驱动蒸汽年费用。本文采用当量满负荷运行时间法进行计算，热泵与各循环泵是连锁控制的，热泵的运行时间即是循环泵的运行时间。
   ③ 节省蒸汽量计算
节省蒸汽量△qm的计算式为：
 
式中qm,1——采用热电机组减温减压器供热方式的蒸汽消耗量，kg/s
    qm,2——溴化锂吸收式海水源热泵系统驱动蒸汽的消耗量，kg/s
    Φ——供热系统的热负荷，kW
    h2——减温减压后蒸汽的比焓，kJ/kg
    h0——饱和水的比焓，kJ/kg
    h1——抽汽比焓，kJ/kg
    Icop——溴化锂吸收式海水源热泵的制热性能系数
    式(15)中忽略减温减压器供汽与溴化锂吸收式海水源热泵系统驱动蒸汽的品位差。
   ④ 约束条件的确定
   冬季海水的最低温度是确定的，因此换热工况各参数的确定在限制范围内，但这些参数可以有一些变化。蒸发温度高些，冷凝温度低些，热泵机组的制热性能将得到提升，但换热工况各参数又分别受到现有条件和需求条件的限制。蒸发温度受中介水温度和流量的限制，而中介水的参数变化又受海水温度和海水流量的限制。另外，在考虑使用效果、运行效率的同时，须避免选用换热面积过大的换热器。因此，每一项具体工程换热工况的设计都是一个需要综合考虑系统造价和年运行费用的优化课题。另外，设计过程中还受到海水排水温度和吸收式水源热泵机组最高出水温度的限制。
4 优化算例分析
   ① 工程简介
   该工程为大连某居住小区供热系统，该小区设计热负荷为900kW，供热时间为137d，大连市电价按0.75元/(kW·h)计算。海水干渠与换热器之间的管道长度为2km，热网供、回水设计温度为70、50℃。冬季海水最低温度为12℃，系统各设备使用寿命均取15a。
   ② 优化结果及分析
   取各优化参数的初始值：θs,out取8℃，换热器中介水进口温度θm,in取4℃，γ取1。将已知参数代入数学模型，采用约束直接搜索法编制计算机程序，可计算得系统最优设计参数见表1，此时系统动态经济性价比Y=1.08。海水、中介水管道的壁厚均为6mm。
表1 海水源热泵系统最优设计参数
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℃，以及海水流量为102.86m3/h，中介水流量为98.05m3/h的条件下，费用年值与ds的关系见图2。由图2可知，随着ds的增加，费用年值降低很快，这是由于海水流速的降低使阻力降低，海水泵的耗电量降低。达到最低点(对应最优管径)后，管径继续增加，管道造价增加较大，引起费用年值增加。
参考文献：
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[2] 邓寿禄，王强.热泵系统应用于油田废水余热回收的探讨[J].现代测量与实验室管理，2003(1)：21-22.
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[7] 袁亚湘，孙文瑜.最优化理论与方法[M].北京：科学出版社，2005：124-126.
 
(本文作者：赵麒1,2 谭羽飞1 1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150090；2.长春工程学院 能源动力工程学院 吉林长春 130012)