作者：郑晓敏
近年来．国内外学者针对喷射式热泵进行了大量研究．获得了仿真计算模型及结构优化的设计结论。本文结合某天然气CCHP项目，分析引入喷射式热泵对系统主要热经济性指标的影响：探讨喷射式热泵结构设计原则．并利用蒸汽喷射式热泵的CFD计算模型和结构优化理论进行优化设计：最后探讨并获得喷射式热泵变工况调节方法。
1研究对象
1.1 某CCHP系统及改造方案
某天然气CCHP项目的近期热负荷统计如表1所示．系统供热能力按照近期最大热负荷设计。
项目拟采用2套GE 6F.03燃气轮机组成的一拖一分轴联合循环机组，并采用双压非再热卧式余热锅炉及单缸抽汽补汽凝汽式汽轮机。单套机组原则性热力系统如图1所示。在大气压力为100.51 kPa,温度为17℃，相对湿度为80%的额定抽汽工况下，全厂发电功率206.04 MW，其主要热力系统参数如表2所示。
原供热系统如图2中虚线框以外部分所示。以汽轮机抽汽为主汽源．主蒸汽为备用汽源，主备用汽源均接至蒸汽母管1。汽轮机采用旋转隔板调节，维持汽轮机侧1.6 MPa抽汽压力，经凝结水减温后，维持母管1处蒸汽压力为1.5 MPa，温度为300℃。母管1处蒸汽通过减温减压器，分别得到用户所需的2个压力等级汽源，并分别接至蒸汽母管2和母管3。
本文拟将喷射式热泵引入供热系统．如图2中虚线框部分所示。1.2 MPa压力等级的蒸汽仍由原供热系统提供，而在原蒸汽母管1与蒸汽母管3之间引入喷射式热泵，以母管1处蒸汽为工作汽源，余热锅炉低压过热蒸汽为引射汽源．两股汽源在喷射式热泵内混合均匀后形成用户所需压力等级的蒸汽，并接入蒸汽母管3。
1.2对汽轮机通流量的影响
按照进／排汽口位置，抽凝式汽轮机可划分为3个级组，如图3所示。由于级组1在抽汽口之前，其通流量与设计运行条件相同，与是否引入喷射式热泵无关．
部分汽轮机抽汽被排挤进入级组2．级组2流量相比原供热工况增大。由于汽轮机通流部分各级在设计时，能够满足从纯凝到额定抽汽流量45 t/h的变化，引入喷射式热泵后．单台汽轮机抽汽流量的变化仍为0～45 t/h，故级组2的通流量亦在设计范围内。
级组3的通流量取决于汽轮机抽汽流量及低压过热蒸汽的引射量。由于汽轮机抽汽流量与低压过热蒸汽引射量之和必须等于供热总流量．故级组3的通流量相比原供热工况不发生变化。
冈此，引入喷射式热泵后，汽轮机整机的蒸汽流量在设计范围内，无需进行通流改造。
2数学模型
2.1 喷射式热泵计算模型
在喷射式热泵的性能研究中．引射比一般作为评价喷射式热泵引射性能的指标．其定义式为
式中：ω为引射比：ms为引射流体的质量流量．kg/s;mp为工作流体质量流量，kg/s。
采用Fluent软件对喷射式热泵性能进行数值模拟，其内部的流动可处理为稳态可压缩粘性流体，并采用二维坐标系下的守恒型控制方程。
目前针对喷射式热泵内流体的高雷诺数强剪切流动，工程上主要采用两方程模型进行数值模拟。本文采用RNG k-8模型进行求解。采用隐式方法对控制方程离散．对流动相的离散采用二阶迎风格式，压力速度耦合方程采用SIMPLE算法求解。水蒸气物性采用FLUENT内部数据库，密度采用理想气体物性进行处理。流体进出口均采用压力边界。在实际计算中，根据喷射式热泵的几何结构特点，应用Gambit软件建立二维轴对称计算模型，并进行了网格划分，并对近壁面和速度梯度较大处进行了加密，如图4所示。
按照优化目标的不同．喷射式热泵结构尺寸的优化设计可以分为引射比最优及压比最优两种方式，考虑到本文的研究对象，采用引射比最优方式对喷射式热泵的结构尺寸进行优化设计。
2.2 天然气CCHP系统性能计算模型
在CCHP系统的蒸汽侧引入喷射式热泵后，燃气轮机运行不受影响。由于高品位的汽轮机抽汽做功能力强于低品位的余热锅炉低压过热蒸汽，汽轮机的功率将会变动，全厂发电功率的变化由汽轮机的功率变化决定一引入喷射式热泵后，额定供热工况下，全厂增加发电功率
式中：△W为全厂增加发电功率，kW；△m为汽轮机抽汽返回汽轮机的流量，kg/s；Hp为汽轮机抽汽焓值，kj/kg;Hs为余热锅炉低压过热蒸汽焓值，kj/kg;nm为机械效率，取0.99;ne为电机效率，取0.985。
全厂发电效率式中：ne为全厂发电效率，%；W为全厂发电功
率，kW;mg为燃料消耗量，kg/s; QL为燃料的低位发热量,kj/kg。
联供系统效率
式中：nccHP为联供系统效率，%；Q为系统蒸汽供热量，kW。
3结果与讨论
3.1 引射比对机组性能的影响
喷射式热泵中工作流体的能量品位高于引射流体的能量品位．引射比表征了这两种不同能级流体的流量比例。如图5所示，相比原额定供热工况．在保持用户侧蒸汽品质和数量不变的情况下．随着引射比从O增加到1.1．用于供热的汽轮机抽汽流量逐渐减少．低压过热蒸汽供热流量逐渐增加：由于受到余热锅炉低压蒸汽产量的限制，当引射比达到1.1时，余热锅炉低压过热蒸汽全部进入喷射式热泵。随着引射比继续增加，进入喷射式热泵的汽轮机抽汽量逐渐减小，低压过热蒸汽供热流量维持最大流量不变，使得喷射式热泵出口的混合蒸汽量下降，为维持用户侧热负荷，不足部分由汽轮机抽汽通过减温减压器获得。
如图6和图7所示，随着高品位的汽轮机抽汽返同汽轮机做功，使得全厂发电功率、全厂发电效率及联供系统效率均随引射比增大而增大，受到低品位蒸汽产量的限制，当引射比达到并超过1.1后，低品位蒸汽全部引射进入喷射式热泵，排挤了相同数量的高品位蒸汽返回汽轮机做功。随着引射比继续增加，全厂增加发电功率、全厂发电效率及联供系统效率均维持最大值不变。
3.2 喷射式热泵结构的优化设计
将喷射式热泵引入天然气CCHP后，其节能效益受3个方面的制约：一是喷射式热泵的结构参数，其直接影响了引射比：二是余热锅炉低压过热蒸汽的产量，其表征了可利用的低品位蒸汽的数量：三是受到用户热负荷需求的影响。冈此，在满足用户热负荷需求的前提下，最大化利用低品位蒸汽是喷射式热泵的结构优化设计的原则。
考虑本项日中，用户侧0.6 MPa等级蒸汽的最小需求量为30 t/h,最大需求量为60 t/h,用户负荷常年在30～60 t/h波动．额定供热工况下余热锅炉低压过热蒸汽的最大产量为31.8 t/ho将余热锅炉低压过热蒸汽量的最大化利用和满足用户供热需求作为本文中喷射式热泵的设计原则．设计2台出口流量均为30 t/h．并且引射流体流量为15 t/h左右的喷射式热泵并联于系统中。其中一台维持满负荷运行：另一台变工况运行适应用户热负荷的变化，不足蒸汽由汽轮机抽汽通过减温减压器提供。
按照此结构设计原则．并由上文所述的喷射式热泵优化设计方法，得到具体结构尺寸如图8所示。在额定供热工况下，每台喷射式热泵的引射比达到1.56，运行参数如表3所示。2台喷射式热泵能够最大化将余热锅炉低压过热蒸汽引入系统，共提供0.6 MPa过热蒸汽52.08 t/h.不足部分由汽轮机抽汽通过减温减压获得。引入喷射式热泵前后，额定供热工况下CCHP系统主要热经济指标对比如表4所示。全厂发电功率增加2.325 MW，全厂发电效率相对提高了1.13个百分点，联供系统效率相对提高了0.82个百分点。
随着工业园区的发展，远期热负荷将在此基础上增加。引入喷射式热泵后，由于余热锅炉低压过热蒸汽在喷射式热泵中升压后亦可用于供热．因此在不扩建机组的情况下，提高了系统的最大供热能力。系统最大供热能力的提升值取决于余热锅炉低压过热蒸汽产量。本文CCHP系统的最大供热能力提高量为31.8 t/h，相比原供热工况提高了35.5%．
3.3喷射式热泵的变工况调节
由于用户侧的热（冷）负荷多变，因此要求供热系统具有变工况调节能力。掌握喷射式热泵的变工况特性对系统的安全经济运行至关重要．如图9a）所示，当维持用户侧所需蒸汽压力0.6 MPa不变时．随着工作流体压力的增加．喷射式热泵工作流体流量、引射流体流量、出口流量以及引射比均随之增加：当丁作流体压力降至0.9 MPa时．引射比接近于0．此时喷射式热泵对系统已无节能贡献。由图9 b)可知，工作流体流量与引射流体压力无关：而随着引射流体压力的增加，引射流体流量、喷射式热泵出口流量以及引射比均随之增加。
由上述喷射式热泵流量一压力特性线．分别调节进入2台喷射式热泵的工作流体压力和引射流体压力，可以满足用户侧热负荷连续调节。
4结论
本文得出结论如下：(1)引入喷射式热泵后，汽轮机整机的蒸汽流量在设计范围内，无需进行通流改造或专门定制。在一定范围内，系统的节能效益随着喷射式热泵引射比增加而增加．最大节能效益受到低品位蒸汽产量的限制。满足用户热负荷需求，并最大化利用低品位蒸汽是喷射式热泵的结构优化设计的原则。(2)额定供热工况下，全厂发电功率增加2.325 MW,全厂发电效率相对提高了1.13个百分点，联供系统效率相对提高了0.82个百分点。(3)引入喷射式热泵后，系统最大供热能力提高了31.8 t/h，相比原供热工况提高了35.5%。最大供热能力的提升值取决于余热锅炉低压过热蒸汽产量。能够在不扩建机组的情况下满足工业园区远期热负荷增长的需求。(4)获得喷射式热泵流量一压力特性线，通过调节工作流体和引射流体压力，可以实现用户侧供热量的连续调节。
5摘要：天然气冷热电三联供系统中普遍采用减温减压器将高品位的蒸汽节流降温以供各类用户，节流降温过程伴随不可逆能量损失，导致高品位蒸汽做功能力下降。本研究将喷射式热泵引入天然气冷热电三联供系统．利用高品位蒸汽引射低品位蒸汽，排挤高品位蒸汽返同汽轮机做功，在不改造汽轮机通流部分的前提下提高了系统的经济性对某三联供系统的分析计算表明，其全厂发电效率、联供系统效率、系统供热能力均有大幅度提高．并能够在不扩建机组的情况下，满足工业同区热负荷增长的需求。研究获得的喷射式热泵的优化设计原则和变工况调节方法，对喷射式热泵技术的研究和推广应用具有重要意义。
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