三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化研究.pdf

1、能源是人類活動的基礎(chǔ)。隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源的需求日益增長，而以煤和石油為主的礦物資源正日益枯竭。化石燃料使用造成的環(huán)境惡化和生態(tài)破壞日益嚴重。為了推動能源、環(huán)境和人類經(jīng)濟社會的共同可持續(xù)發(fā)展，可再生能源的規(guī)模開發(fā)利用和傳統(tǒng)化石能源的梯級高效利用成為了目前能源領(lǐng)域研究的熱點。
　　 作為一個世界第二代能源技術(shù)發(fā)展重要方向，冷熱電聯(lián)供技術(shù)是一種能源梯級高效利用技術(shù)，受到了世界各國的廣泛重視。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種建立在能源梯級

2、利用概念上，集制冷、供熱（采暖和供熱水）及發(fā)電過程為一體的多級總能系統(tǒng)，可以有效提高能源利用效率，減少碳化合物以及其它有害氣體的排放。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主要分為基于傳統(tǒng)化石能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和基于可再生能源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。本課題根據(jù)恒溫厭氧發(fā)酵特點，構(gòu)建了三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，運用熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱經(jīng)濟學(xué)結(jié)構(gòu)理論分析了系統(tǒng)熱力學(xué)性能和熱經(jīng)濟性能，在電負荷一定的基礎(chǔ)上，以年運行費用最小為目標(biāo)函數(shù)對系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。

3、
　　 本課題的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 1．基于“溫度對口，梯級利用”的熱能利用原則，結(jié)合恒溫沼氣生產(chǎn)隨溫度變化存在兩個產(chǎn)沼氣峰值的特點，本文構(gòu)建了三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)主要由小型燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組、單效溴化鋰吸收式熱泵、煙氣-水換熱器、缸套水換熱器、潤滑油換熱器、水-水換熱器和三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)組成。運用熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律建立了系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，對系統(tǒng)進行熱力學(xué)性能分

4、析。在熱力學(xué)第一定律的能分析中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)供系統(tǒng)一次能源利用率，夏季工況下為77.36％，冬季工況下為83.34％，一次能源節(jié)約率分別為32.96％和34.28％;與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)相比較，無論冬夏工況，夏季工況下一次能源利用率增量為49.17％;動態(tài)模擬分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的電熱比對一次能源利用率的影響超過了發(fā)電功率對一次能源利用率的影響。在熱力學(xué)第二定律的火用分析中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的火用效率為28.9％；通過對系統(tǒng)主要設(shè)備的火用損系數(shù)計算分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)

5、的火用損主要發(fā)生在三級恒溫生物質(zhì)發(fā)酵子系統(tǒng)和燃氣內(nèi)燃機發(fā)電子系統(tǒng)；可以采用對沼渣進行回?zé)峄刭|(zhì)，減小三級恒溫生物質(zhì)發(fā)酵子系統(tǒng)的火用損；燃氣內(nèi)燃機由于內(nèi)部不可逆?zhèn)鳠醾髻|(zhì)造成火用損較大，可以通過改進技術(shù)工藝，減小其火用損。
　　 2．基于三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能分析和火用分析，運用將熱力學(xué)和經(jīng)濟學(xué)相結(jié)合的熱經(jīng)濟學(xué)結(jié)構(gòu)理論構(gòu)建系統(tǒng)的火用成本模型和熱經(jīng)濟學(xué)成本模型，對系統(tǒng)進行熱經(jīng)濟學(xué)性能分析評價。通過求解系統(tǒng)火用成本模型和熱經(jīng)濟學(xué)成

6、本模型的特征方程，得到各個子系統(tǒng)的火用成本和熱經(jīng)濟學(xué)成本，為進一步研究系統(tǒng)產(chǎn)品定價、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以及故障診斷提供了參考。綜合分析系統(tǒng)單位火用成本和單位熱經(jīng)濟學(xué)成本發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各股流的單位火用成本和單位熱經(jīng)濟學(xué)成本變化一致，皆沿著熱力循環(huán)進行的方向逐級遞增。
　　 3．在電負荷一定的基礎(chǔ)上，以年運行費用最小為目標(biāo)建立了系統(tǒng)的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮了系統(tǒng)設(shè)備性能特性和系統(tǒng)運行策略等約束條件，對系統(tǒng)進行優(yōu)化運行分析。綜合分析系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

7、發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)部分負荷率為93.6％時，系統(tǒng)的年運行費用最小，系統(tǒng)投資回收期為2.6年，系統(tǒng)凈現(xiàn)值為142.4萬元，系統(tǒng)的一次能源利用率為84.35％。
　　 本課題的創(chuàng)新點和意義：
　　 1．三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的構(gòu)建。
　　 2．在電負荷一定的基礎(chǔ)上，揭示了三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)年運行費用最小的運行策略。
　　 隨著人類需求能源的日益增加，煤、石油等礦物資源的日益減少，以及化石燃燒造成的環(huán)境惡

8、化和生態(tài)破壞的日益嚴重，作為世界第二代能源技術(shù)重要發(fā)展方向之一的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為世界各國所廣泛重視。鑒于此，本課題提出將生物質(zhì)發(fā)酵系統(tǒng)和常規(guī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)高效有機結(jié)合的三級恒溫沼氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以生物質(zhì)沼氣作為燃料，取代了傳統(tǒng)的以煤、石油等不可再生的化石燃料，有效提高了能源利用效率，減少了碳化合物以及其他有害氣體的排放，具有良好的節(jié)能減排能力和巨大的社會經(jīng)濟效益，對進一步研究冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)有重要的學(xué)術(shù)價值，對促進以可再生能源為動力源的