基于內(nèi)燃機(jī)余熱梯級利用的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)特性及優(yōu)化運(yùn)行研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以其良好的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和部分負(fù)荷特性而在建筑供能領(lǐng)域受到廣泛重視。但現(xiàn)有系統(tǒng)框架仍有不完善之處，制約了其性能的充分發(fā)揮和進(jìn)一步提升?，F(xiàn)有針對內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究中，普遍側(cè)重于設(shè)計(jì)優(yōu)化和評價(jià)分析，對余熱梯級利用的內(nèi)在熱力過程和匹配機(jī)制重視不夠。在余熱梯級利用方面，余熱制冷性能仍然不高，煙氣余熱熱利用的潛力未得到充分挖掘；在優(yōu)化運(yùn)行方面，缺少對系統(tǒng)能量輸出特性的深入闡釋，缺少對系統(tǒng)并網(wǎng)且上網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略和性能

2、分布的研究。針對這些問題，本文基于內(nèi)燃機(jī)余熱梯級利用構(gòu)建了一類冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)框架，從能量輸出特性、熱力匹配機(jī)制、全工況性能仿真、實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證和并網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行等五個(gè)層次逐步展開了深入研究，形成了一套針對內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)余熱梯級利用和并網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的理論。具體如下。
　　首先，構(gòu)建了內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)框架并研究了其余熱梯級利用和能量輸出特性。對能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了對比分析，論證了其余熱利用的潛力；基于能量轉(zhuǎn)換建立了系統(tǒng)能量輸出域模

3、型，闡釋了從一維到二維的能量輸出域特性，分析了并網(wǎng)運(yùn)行對系統(tǒng)能量輸出域的拓展作用；就能量輸出域在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
　　然后，針對系統(tǒng)內(nèi)余熱梯級利用的熱力匹配問題進(jìn)行了研究。研究了煙氣余熱深度回收降溫特性和不同夾點(diǎn)下的出水溫度范圍；對 n級和n效吸收式制冷循環(huán)原理進(jìn)行了闡釋，從熱力學(xué)角度推導(dǎo)出了解吸溫度下限表達(dá)式，為不同循環(huán)匹配不同品位的余熱提供了理論依據(jù)；通過對吸收式制冷循環(huán)進(jìn)行綜合分析，論證了單、雙效循環(huán)對于內(nèi)燃機(jī)兩

4、種余熱梯級利用的合理性；進(jìn)而對單、雙效耦合的混效吸收式制冷循環(huán)原理進(jìn)行了研究，揭示了其在內(nèi)燃機(jī)余熱匹配過程中的熱力制約機(jī)制。
　　繼而，通過仿真研究了系統(tǒng)在制熱模式和制冷模式下的全工況特性。建立了煙氣余熱深度回收和溫差發(fā)電相結(jié)合的煙氣余熱梯級利用制熱模式模型，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模式最高可提升16％的熱量輸出和1.18kW的電力輸出。建立了內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的混效吸收式制冷仿真模型，給出了其設(shè)計(jì)算法和非設(shè)計(jì)工況下的仿真算法。研究表明，混效吸

5、收式制冷可以適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的全工況余熱特性，制冷COP處于0.77~0.96之間。對制熱模式和制冷模式的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評價(jià)。制熱模式下的ESR和CSR分別可達(dá)0.303和0.417，制冷模式下的ESR和CSR分別可達(dá)0.166和0.348，均較常規(guī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)有大幅提升。
　　進(jìn)而，開展了200kW發(fā)電量的內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。對混效吸收式制冷機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了測試，研究了系統(tǒng)從開機(jī)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程及伴隨的若

6、干現(xiàn)象，并揭示了相關(guān)機(jī)理。對五組發(fā)電工況下的制冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最高余熱回收效率為0.77、最高發(fā)電效率為0.31。在157.5kW發(fā)電工況下，混效吸收式制冷量達(dá)188.76kW、制冷COP達(dá)0.911，證明雙源驅(qū)動(dòng)混效吸收式制冷能夠高效地利用內(nèi)燃機(jī)兩種不同余熱制冷。對比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)仿真模型能較好地預(yù)測多個(gè)性能參數(shù)，能準(zhǔn)確預(yù)測性能變化趨勢；但因熱量損失和耗散，制冷量和COP的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同仿

7、真結(jié)果仍存在一定的差異。
　　最后，基于以上成果對內(nèi)燃機(jī)型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的并網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了研究。建立了并網(wǎng)運(yùn)行的非線性優(yōu)化模型，給出了基于遺傳算法的單目標(biāo)求解算法?；诓煌呢?fù)荷結(jié)構(gòu)，研究了各設(shè)備的最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行策略和最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)且上網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行策略并不絕對遵從以熱定電，也并非總處于最大發(fā)電量工況。對比分析了“并網(wǎng)且上網(wǎng)”與“并網(wǎng)不上網(wǎng)”的最優(yōu)性能分布，發(fā)現(xiàn)前者不僅增大了系統(tǒng)對低負(fù)荷工況的適應(yīng)能力，也能顯著提升系統(tǒng)的最