热泵热电联产系统性能优化研究

热泵热电联产系统性能优化研究

李滨惠，赵麒

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

长春工程学院种子基金(320140029)

主要研究热力系统评价与优化。

摘要：基于不同性能标准分析研究了一个带有外部不可逆性的卡诺与热泵联合循环系统的循环性能。分别在不同标准下确定新的热电联产循环的最佳设计参数。研究性能对设计参数的影响并对结果进行了讨论。得到的结果可为热泵和热电联产结合的电厂提供更现实的性能评价。

关键词：热泵；热泵与热电联产联合系统；性能评价

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.016

收稿日期：2015-07-08

基金项目：吉林省教育厅项目(120150044)

作者简介：李滨惠(1962-)，女(汉)，辽宁锦州，讲师

中图分类号：TM621.4献标志码：A

热电联产已经广泛应用于化工、纺织、造纸等同时需要热能和电能的行业，它的应用减少了50%的能源的消耗。近些年，国内外许多研究人员开始关注电厂热力系统改造方法的研究，1997年，Horlock[1]提出提高热发电效率的一个组合方案，所有的联产发电机均串联一个热泵，Few PC[2]报道了一种联产热泵联合系统应用能够带来早期收获及额外经济和环境效益。Curti V[3-4]等针对联产热泵联合系统的区域能源系统的耦合使用进行了计算分析，结果表明联产热泵联合系统的区域能源系统的耦合使用有益于对环境经济的优化。文献[5-8]分析了联产热泵联合系统在提高电厂的灵活性和电厂性能方面的应用前景。国内许多学者对电厂热力系统的改造也提出了许多方法[9-15]。通常在这些研究中会使用不同的性能指标，如()热经济学和生态标准等，但很少有基于热力学对热电联产的不同标准性能进行比较的研究，尤其是联产热泵联合系统。本文提出一种卡诺循环联合热泵的联产模型，并对联合系统性能应用不同的评价指标进行了研究。

1系统模型

联合系统由常规发电系统与热泵供热系统联合组成，模型采用内可逆卡诺循环模型(图1)。

图1　联合系统模型

在模型中，考虑外部温差传热的不可逆性，其他不可逆性忽略。本系统在三温位TH，TL和TK之间循环，与此三温位换热的工作流体温度分别为TX，TY和TZ。系统从高温热源TH吸热并向低温热源TL排热，产生的功一部分用于发电，一部分用于驱动热泵供热，热泵从温度TK的热源吸热。由传热定律可知

qH=α(TH-TX) ，

(1)

qL=β(TY-TL)，

(2)

qK=γ(TZ-TK)，

(3)

式中α、β、γ分别为高温热源、低温热源、热泵低位热源侧的传热系数。

根据热力学第一定律热源输出功率为

w1=qH-qL，

(4)

热泵制热量

q′=w2+qK，

(5)

并且

q′=cop·w2，

(6)

式中w2、cop分别为热泵消耗功率和热泵的制热性能系数。

则最后输出功率为

w=w1-w2。

(7)

ew=w，

(8)

eq=q′(1-TL/TZ)，

(9)

eT=ew+eq。

(10)

将公式(1)～(10)代入得

eT=α(TH-TX)-β(TY-TL)-γ(TZ-TK)/(cop-1)+γ·cop·(TZ-TK)·(1-TL/TZ)/(cop-1)。

(11)

由热力学第二定律得

α(TH-TX)/TX-β(TY-TL)/TY-γ(TZ-TK)/TZ/(cop-1)=0。

(12)

假设输出功率与热负荷的比已知，由下式确定：

R。

(13)

2性能指标选择

在满足以上各式的前提下，选择3个性能指标评价该联合系统。

2.1　能量利用率

能量利用率由式(14)计算

(14)

能量利用率的表达式很简单，但不能够反映能量质的不同。

2.2　热效率

热效率是衡量热力系统的常用指标，由式(15)确定

(15)

(16)

3性能分析

图2　无量纲总 率随能量利用率变化曲线

图3　无量纲总 率随热效率变化曲线

图4　无量纲总 率随 效率变化曲线

图5　优化性能随输出功率与热负荷比的变化曲线

图6为ψ对无量纲总率达最大值时的能量利用率(EUF*)、热效率(ηA*)和效率(ηt*)的影响。随着ψ的增加，EUF*、ηA*和ηt*都减小，但效率ηt*变化最小，说明ψ值变化时无量纲总率达最大值时对应的效率几乎不变。

图6　ψ对优化性能的影响

4结语

本文建立了只考虑外部传热温差的内可逆卡诺循环联合热泵的联产模型并提出了3种性能评价指标。在不同条件下计算分析并讨论了各指标对系统性能的影响。无量纲总率随能量利用率、热效率和效率先增大后减小，变化过程中存在最大值且效率对无量纲总率的影响较大。对于所有优化结果，无量纲总率达最大值时的能量利用率EUF*对系统有着绝对的影响。

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The optimization of combine heat pump and cogeneration system

LI Bin-hui, et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：In this article, a performance analysis to a combine cycle system of Carnot with external irreversibilities and heat pump and cogeneration system based on alternative performance criteria has been studied. The optimum design parameters of the new heat cogeneration cycle have been determined in dierent criteria.The eects of design parameters on the exergetic performance are investigated, and the results are discussed. The obtained results may guide a more realistic criterion for actual plants with combine heat pump and cogeneration.

Key words：heat pump; combine heat pump and cogeneration system; performance criteria