混合动力燃气热泵的系统优化与经济性分析

发布时间：2020-09-17 20:21

　　新时代背景下能源结构的调整和国家城市管网的敷设为天然气发展提供了便利。混合动力燃气热泵以较好的部分负荷特性、高效率低排放、有效平衡燃气电力需求等优点具有广泛的应用前景。然而,目前的研究大多局限于系统基本构建与性能基础分析,关于系统定量优化设计与综合评价分析的研究尚未充分展开。针对上述问题,本文以共轴并联式的LiFePO_4电池组和燃气发动机为双动力源的混合动力燃气热泵为研究对象,采用基于燃气发动机最优扭矩曲线的瞬时优化控制策略和(火用)分析方法,对系统进行定量优化设计并对其综合性能展开研究。主要工作内容如下:介绍了系统构成与运行原理,采用试验建模与理论建模结合的方法,构建系统主要部件模型。基于燃气发动机最优扭矩曲线,考虑制热和制冷工况下的负载差异,选取燃气发动机热效率为优化目标,对驱动系传送比进行了优化设计。系统采用基于燃气发动机最优扭矩曲线的瞬时优化控制策略,结合蓄电池荷电状态参数,确定了模式切换的边界条件,并借助Matlab/Simulink平台,实时记录了制热工况下燃气消耗和电池老化(SOH)等系统性能参数。结果显示,仿真周期结束时,SOC值由55.00%增加到59.85%,SOH值由100.00%降低到99.942%。在较低负荷、中等负荷、较高负荷三种模式下,燃气发动机热效率呈现相似的变化趋势。随着压缩机转速增加,燃气发动机热效率先上升到极大值而后下降。发动机基本运行在规定的最优扭矩曲线范围内,热效率基本保持在0.27左右。与Wang等人~([1])的结果相比,平均热效率分别提高了1.16%,4.87%和3.05%。针对余热回收系统的烟气换热器,采用(火用)分析方法,以单位烟气余热回收量的年净收益为目标函数,对烟气换热器进行了换热面积优化设计。研究表明,随着NTU的增加,年净收益将先增加到最大值而后减小。当NTU值约为0.7时,单位烟气余热回收量的年净收益达到最高值约1.77元/GJ。此时,最佳换热面积约为2.0 m~2。最后,构建了包含燃气消耗和电池老化在内的系统运行成本的计算方法,对HPGHP系统和GHP系统进行了经济性对比分析,并选取一次能源利用率PER作为衡量参数对系统综合性能进行评价。在现行条件下,与传统GHP系统相比,HPGHP系统在运行成本方面仍然具有显著的经济优势。HPGHP系统的平均PER值比GHP高14.06%左右。本文采用建模仿真与实验验证的研究方法,对共轴并联式燃气热泵进行了系统优化设计和综合性能分析,结果表明,系统小负荷及大负荷工况的运行性能得到了显著改善,有效解决了GHP系统存在的部分负荷特性差的问题,同时为该系统的进一步研究和优化提供了理论基础和技术支持。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

特性曲线,燃气发动机,热效率

第三章 HPGHP 系统模型构建0.279。根据多元线性回归理论[62]，公式（3-1）和图 3-2 给出了燃气发动机的热效率特性曲线模型[63]。2 2 1f 1 1 f 1 f 1 1 1 f 1 f1 1 1e1 002 2 1e2 f 2 2 f 2 f 2 2 2 f 2 f2 2 2112 2 1eN 1f f f f f111l l lf f f f fl l lf f f f fl l lkN f N N N f N f N N N f N fNN T N N T T N N T Ta eN T N N T T N N T Ta eaN T N N T T N N T T Ne 4 8 6 3A 2.244 1.838 10 0.1524 4.169 10 2.362 10 2.709 10m （3-1）2 2e f f f1Tf f f m N T N N T T A 其中，ai是模型系数，ei是随机误差，N 是测试点的数量，Am是回归方程的系数。

电机仿真模型

电压输入范围（V） 50 ~ 75额定电流（A） 50最大电流（A） 105额定转速（rpm） 3000额定扭矩（N·m） 20额定功率（kW） 6过载系数 2.0最大功率（kW） 12峰值转矩（N·m） 72最高转速（rpm） 5300电机峰值效率 "g91%机的模型建立而言，与燃气发动机采用同样的建模方法。根据实验数B 平台，电机的转速 Nd、扭矩 Td和效率 kmo 之间的关系由电机效率图4 所示，构建两用电机的仿真模型用于研究和验证。

电气模型,锂电池,电池组

电池型号 AJ-60V100Ah额定容量（C，Ah） 100电池额定电压（V） 3.2电池组额定电流（A） 100电池组额定电压（V） 601. 电气模型电池的性能与 SOC（荷电状态），OCV（开路电压），充放电电流和内阻等一系列因素有关。充放电电流大小和方向对内阻的影响很小，为简化模型，在建模过程中忽略此项影响[65][66]。此外，开路电压、内阻和充放电效率都与电池组的 SOC 密切相关。而充放电电流和电池组 SOC 对整个驱动系统的燃油经济性有明显的影响，且 SOC 是判断系统运行模式的重要参数。因此本文着重讨论充放电电流大小 c 和电池组荷电状态 SOC这两个关键因素对蓄电池性能的影响效果。根据以往研究[67]，为确保电池组具有更高的充放电效率和更好的充放电特性，充放电电流设定为 0.5C，SOC 保持在 0.3~0.8 之间。

【参考文献】