分布式冷热电联供系统主动调控的能效提升机理与方法

发布时间：2020-10-28 15:03

　　 在分布式冷热电联供系统变工况运行过程中,利用系统运行调控手段改善供能侧与用能侧供需匹配情况,是解决系统变工况运行过程中系统热力特性、环保特性以及经济特性急剧变差问题的有效手段。本文依托国家重点基础发展研究计划(973计划)“系统能效提升机理以及系统（火用）经济成本形成规律研究”项目,围绕分布式冷热电联供系统主动调控方法开展研究,从关键部件能效提升机理、供需匹配以及实验验证等方面开展了研究。基于热力学第二定律的（火用）分析方法是热力学分析方法中的重要手段,揭示系统内部热力过程不可逆损失发生机理,为系统改进指明方向。在传统热力学分析方法的基础上,提出了基于品位差的热力学图像分析方法。品位差作为无量纲参数,表征系统内能量传递与转换过程驱动力的变化,也是产生不可逆损失的重要原因。该方法不仅有效全面认识系统内各部件不可逆损失发生机理,对系统高度集成理解能量利用具有重要的意义,同时有效表征系统变工况运行过程中关键部件不可逆损失变化情况,为系统选择合适的变工况运行调控手段奠定了理论指导。应用基于品位差的热力学图像分析方法,针对压缩过程、换热过程以及混合过程等常见的能量传递转化过程进行分析,进一步验证新方法的可行性。同时,针对典型分布式冷热电联供系统,分析系统中不可逆损失分布情况,为系统能效提升提供理论指导。与传统系统减小透平入口温度调控方法不同,系统在压气机入口压力调控方法以及带有尾气回注的混合调控方法下,随着系统负荷率的下降,有效保证高品质排烟余热输出,提升系统能源利用效率,改善余热利用设备变工况性能。利用基于品位差的热力学图像分析方法,与系统减小透平入口温度调控方法对比分析,阐释在两种调控方法下分布式冷热电联供系统变工况运行热力性能提升机理。分析结果表明,两种系统调控方法,能有效降低变工况运行条件下燃气轮机系统不可逆损失;然而在余热利用设备中,由于能量释放侧烟气与能量接收侧溶液品位差增加,不可逆损失增加。引入带有氨水朗肯循环的分布式冷热电联供系统,通过减小换热过程中品位差,降低余热利用过程不可逆损失提高系统能源利用效率。同时增加系统冷电比调节范围,增强热力系统应用的灵活性。分布式冷热电联供系统在变工况条件下运行过程中,利用系统主动调控技术,在满足用户用能需求的基础上提升系统能源利用效率。结合实际用户负荷需求的变化情况,将系统调控方法与运行策略相结合,分析变工况条件下系统能源产品输出与用户负荷需求的匹配情况,揭示调控手段下系统能效提升机理。研究结果表明相比于其他系统调控手段,基于电跟随运行策略下的压气机入口压力调控方法,系统获得最佳的变工况性能,在炎热的夏季或者寒冷的冬季优势最为明显。虽然混合调控策略下没有多余的能源产品输出,避免了能源的浪费,但是由于系统需要过多依靠电网以及辅助余热锅炉获取能源产品,因此与其他系统运行策略相比,并没有表现出运行的优势。同时为了保证系统不同调控方法的优势,提出了系统混合调控方法,根据用户不同时段的能源产品需求,选择不同的系统调控方法。为了更好的对不同调控方法下系统变工况性能进行评价,将系统热力性能与经济性能进行一体化考虑,引入基于品位的（火用）经济分析评价方法。研究结果表明,相比于透平入口温度调控方法,压气机入口压力调控方法能有效降低能源产品成本,提高系统运行利润。研制了分布式冷热电联供系统调控方法实验平台。该实验平台主要由微型燃气轮机以及压气机入口空气节流装置组成,微型燃气轮机额定发电功率为65 kW,额定发电效率为29%,压气机入口空气节流装置设计系统负荷率调控范围为1 00-50%。辅助实验系统包括冷却水循环系统、数据采集系统、燃气调压系统以及安全防护系统。通过分布式冷热电联供系统调控方法的实验研究,验证了系统压气机入口压力调控方法可行性的同时探索了各系统以及装置的运行特性。为后期开展基于供需匹配的主动调控方法推广应用以及其它系统调控方法的实验验证奠定了基础。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM621
【部分图文】：

?规划纲要（２００６－２０２０年）》前沿技术中先进能源技术之一并写入《能源发展“十??三五”规划》Ｋ，９】。典型分布式冷热电供能系统概念如图１．１所示，按照能量梯??级利用的原则，来自燃料燃烧的高温余热驱动动力设备（燃气轮机、内燃机等）??产生电能，中温余热驱动吸收式制冷机产生冷量，低温余热用来直接供热或产生??生活热水［１（）｜。??燃料备―卜电??Ｉ?”中温余热??温Ｉ?制冷设备——＾冷??度Ｉ?丨低■温‘热??＾?换热＾设备Ｉ——？热??—＇?—?ｑ排烟??图１．１分布式冷热电联供系统概念图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?１?Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＣＨＰ?ｓｙｓｔｅｍ??随着分布式供能技术的快速发展，分布式供能系统供能对象已经扩展为商场、??医院以及机场等多种建筑类型。美国是世界上较早发展分布式供能技术的国家之??一，尤其在“加州大停电”之后，分布式供能系统建设速度得到进一步提升。计划??到２０２０年，５０％的新建的办公楼以及商业建筑均采用分布式供能技术。早在１９７９??年，欧洲部分国家就己经开始颁布三联供系统相关政策。目前欧洲已经投运的分??布式供能项目超过整个欧洲电力供应的１８％，在丹麦以及芬兰等国家己经达到??３０％以上。受限于国土面积以及资源分布等条件

供热、通风以及制冷所带来的建筑能耗增加ｎ６，１７］。??从１９７８年美国开始发展分布式供能技术以来，分布式供能技术发展己经走??过４０余年，主要经历三个重要发展阶段，如图１．２所示。第一阶段，基于能的??梯级利用原则，构建以微小型动力为原动机的典型分布式供能系统。供能系统充??分体现系统节能、环保以及供能可靠性强的特点。第二阶段，构建多能互补分布??式供能系统。传统分布式供能技术成熟度高。与化石能源相反，可再生能源具有??不稳定、能量密度低以及受到较强地域限制的缺点，两者特点决定化石能源有很??强的互补特性。多能互补的分布式供能系统，通过供能系统内天然气与可再生能??源的互补利用，充分弥补单一能源时空分布不均匀的缺陷。第三阶段，构建分布??式能源网络系统。在一定区域内，将多个分布式供能系统构成区域供能网络，通??过整个区域大数据分析

圓??Ｃ分布式能源网络??ｃ?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｎｅｔｗｏｒｋ??图１．?２分布式供能系统发展历程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?２?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｃｏｕｒｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｙｓｔｅｍ??分布式供能系统作为一种多能输出、高效节能以及可靠稳定的能源供应方式??已经被世界各地广泛应用。理想状态下，系统按照额定设计条件，高效稳定的输??出多种能源以满足用户冷热电需求［１８＿２１］。然而受到环境气温等外界条件变化的??影响，用户的用能需求并不固定，例如在寒冷的冬季以及炎热的夏季用户热负荷??以及冷负荷比较高，然而在过渡季节，用户冷热负荷很低，为了满足用户不断变??化的负荷，分布式供能系统通常偏离设计工况运行，即所谓的变工况运行。这种??供能侧与用能侧不匹配将造成分布式供能系统热力特性、环保特性以及经济特性??急剧变差。随着分布式供能系统的快速发展和大规模应用，改善分布式供能系统??变工况特性变得越来越重要［２２，２３］。??针对前文中提到的分布式供能系统运行过程中供能侧与用能侧不匹配造成??的系统变工况运行热力性能较差等问题，本文研究的分布式供能系统主动调控方??法提供了一种高效可行的解决方案。分布式供能系统可根据用户的用能需求
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本文编号：2860248