分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的多目標熱力學(xué)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究.pdf

1、分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是近些年在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展起來的一種能源供應(yīng)方式，它實現(xiàn)了能源的梯級利用，可以有效利用低品位余熱能，提升系統(tǒng)的總能效率，同時具有良好的環(huán)境友好性，可靠性和經(jīng)濟性。基于往復(fù)式內(nèi)燃機和熱驅(qū)動制冷技術(shù)的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個熱點方向，兩種設(shè)備都具有高效可靠的特性。然而，即使國外發(fā)展相對成熟的情況下，由于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的獨特性，這類系統(tǒng)依然有很多研究熱點甚至研究空白存在。研究熱點主要集中于優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化評價，優(yōu)化控制

2、與優(yōu)化運行等方面。在此背景下，本文以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，輔以熱經(jīng)濟學(xué)理論，熱力過程綜合分析法等，針對分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化評價，優(yōu)化控制等多個目標，結(jié)合參與的多個實用項目或?qū)嶒炏到y(tǒng)，多角度地探索如何更好地設(shè)計與利用系統(tǒng)，促進其在我國的發(fā)展，為節(jié)約能源和能源安全的目標服務(wù)。本文主要研究內(nèi)容包括： (1)采用熱力學(xué)，熱經(jīng)濟學(xué)等理論(包括第一定律，第二定律，熱經(jīng)濟評價指標)對分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行分析與評價，了解系統(tǒng)在不

3、同工況運行下的能量分配，與常規(guī)系統(tǒng)比較得出的評價結(jié)果。在第一定律的分析中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備部分負荷性能，用戶熱量(冷量)需求和電力需求之比，以及當(dāng)?shù)仉妰r和天然氣價都對分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的重要影響。在很大范圍內(nèi)，系統(tǒng)無論冬夏工況，都能比常規(guī)系統(tǒng)節(jié)能大約20％。在對系統(tǒng)的火用效率分析中發(fā)現(xiàn)，熱驅(qū)動制冷技術(shù)對于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的重要性，吸附式制冷機的效率要比電制冷機高出10％，用熱經(jīng)濟性理論進一步分析表明，與吸附機整合的系統(tǒng)在冬季和夏季的熱經(jīng)濟

4、效率分別可以達到36％和25％。此外，對多種分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行模式進行分析，得出在不同情況下，最優(yōu)的運行模式與方法。最后，在試用過多種評價方法后，用改進后的熵值一層次分析法對所有指標進行匯總，得到具有普遍意義的綜合評價方法。評價指標的優(yōu)化分析，對于實際系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計將起到重要的指導(dǎo)作用。 (2)改進在化工領(lǐng)域內(nèi)使用的熱力過程綜合分析法，提出利用改進后的夾點分析法作為分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。在對兩個實際案例中的

5、分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分別進行改造設(shè)計和全新設(shè)計研究后，說明這種優(yōu)化設(shè)計方法，不僅能對已建系統(tǒng)改進換熱網(wǎng)絡(luò)，重新優(yōu)化放置熱機和熱泵設(shè)備，也能對全新系統(tǒng)，從化工“洋蔥模型”的外層出發(fā)向內(nèi)層進行設(shè)計，輔助設(shè)計者確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。改進后的夾點分析法解決了當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)流股不連續(xù)情況下，出現(xiàn)偽夾點和門檻問題時，如何最優(yōu)化系統(tǒng)的問題；此外還得出熱機和熱泵與換熱網(wǎng)絡(luò)整合的準則。在原動機有較多余熱可以利用的情況下，熱驅(qū)動制冷機只要放置合適，較電制冷機節(jié)約大量一次

6、能源，在實例中能量利用效率可提升13％。改進后的夾點分析法是對于熱力過程綜合法的一種補充，將理論推廣到分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域中，同時也提供了一種重要的優(yōu)化設(shè)計方法。 (3)根據(jù)優(yōu)化評價準則，以及優(yōu)化設(shè)計方法，針對一幢賓館辦公綜合樓，自主設(shè)計一套基于內(nèi)燃機和吸收機的商業(yè)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，主要設(shè)備包括155kW的燃氣內(nèi)燃機，700kW吸收機和930kW的燃氣鍋爐。設(shè)計中對內(nèi)燃機冷卻水和煙氣管路進行重新設(shè)計，使用兩個換熱器充分回

7、收廢熱，同時大膽采用較新穎煙氣補燃型吸收機。對系統(tǒng)進行一年的試運行實驗后表明，系統(tǒng)完全符合用戶要求，為用戶節(jié)約大量能源和運行費用。 (4)針對分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中能量分配，優(yōu)化控制的需求，設(shè)計出運用于實際系統(tǒng)中的集散型自動控制中心。集散型自動控制中心在上層采用集中式的組態(tài)軟件進行高級管理，而在下層的各個設(shè)備中采用工業(yè)PLC對每個設(shè)備進行實時控制。在試運行中，通過多工況的實驗研究，展現(xiàn)出高度的可靠性。實驗研究表明，通過對系統(tǒng)的優(yōu)

8、化設(shè)計，并安裝優(yōu)化控制的集散型自動控制中心，新系統(tǒng)能滿足實時變化3～4種負荷，系統(tǒng)一次能源利用率在冬季能達到85％，而夏季最大值超過1。與常規(guī)系統(tǒng)比較，節(jié)約一次能源依負荷需求不同約為10～20％，節(jié)約能源費用約為20％。 (5)參與德國國會大廈及周邊建筑群的大型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的實驗分析和模塊模擬項目。系統(tǒng)采用柴油內(nèi)燃機與各種類型的吸收機，鍋爐和電制冷機共同工作，當(dāng)余熱被充分回收時，總能效率達到80％以上。通過分析大量實驗數(shù)