分布式冷热电联产系统的多目标热力学优化理论与应用研究

论文摘要

分布式冷热电联产系统是近些年在国内外蓬勃发展起来的一种能源供应方式,它实现了能源的梯级利用,可以有效利用低品位余热能,提升系统的总能效率,同时具有良好的环境友好性,可靠性和经济性。基于往复式内燃机和热驱动制冷技术的分布式冷热电联产系统是一个热点方向,两种设备都具有高效可靠的特性。然而,即使国外发展相对成熟的情况下,由于分布式冷热电联产系统的独特性,这类系统依然有很多研究热点甚至研究空白存在。研究热点主要集中于优化设计,优化评价,优化控制与优化运行等方面。在此背景下,本文以热力学理论为基础,辅以热经济学理论,热力过程综合分析法等,针对分布式冷热电联产系统的优化设计,优化评价,优化控制等多个目标,结合参与的多个实用项目或实验系统,多角度地探索如何更好地设计与利用系统,促进其在我国的发展,为节约能源和能源安全的目标服务。本文主要研究内容包括:（1）采用热力学,热经济学等理论（包括第一定律,第二定律,热经济评价指标）对分布式冷热电联产系统进行分析与评价,了解系统在不同工况运行下的能量分配,与常规系统比较得出的评价结果。在第一定律的分析中发现,设备部分负荷性能,用户热量（冷量）需求和电力需求之比,以及当地电价和天然气价都对分布式冷热电联产系统的重要影响。在很大范围内,系统无论冬夏工况,都能比常规系统节能大约20%。在对系统的火用效率分析中发现,热驱动制冷技术对于分布式冷热电联产系统的重要性,吸附式制冷机的效率要比电制冷机高出10%,用热经济性理论进一步分析表明,与吸附机整合的系统在冬季和夏季的热经济效率分别可以达到36%和25%。此外,对多种分布式冷热电联产系统的运行模式进行分析,得出在不同情况下,最优的运行模式与方法。最后,在试用过多种评价方法后,用改进后的熵值-层次分析法对所有指标进行汇总,得到具有普遍意义的综合评价方法。评价指标的优化分析,对于实际系统的优化设计将起到重要的指导作用。（2）改进在化工领域内使用的热力过程综合分析法,提出利用改进后的夹点分析法作为分布式冷热电联产系统的优化设计方法。在对两个实际案例中的分布式冷热电联产系统分别进行改造设计和全新设计研究后,说明这种优化设计方法,不仅能对已建系统改进换热网络,重新优化放置热机和热泵设备,也能对全新系统,从化工“洋葱模型”的外层出发向内层进行设计,辅助设计者确定系统结构。改进后的夹点分析法解决了当系统内流股不连续情况下,出现伪夹点和门槛问题时,如何最优化系统的问题;此外还得出热机和热泵与换热网络整合的准则。在原动机有较多余热可以利用的情况下,热驱动制冷机只要放置合适,较电制冷机节约大量一次能源,在实例中能量利用效率可提升13%。改进后的夹点分析法是对于热力过程综合法的一种补充,将理论推广到分布式冷热电联产系统领域中,同时也提供了一种重要的优化设计方法。（3）根据优化评价准则,以及优化设计方法,针对一幢宾馆办公综合楼,自主设计一套基于内燃机和吸收机的商业分布式冷热电联产系统,主要设备包括155kW的燃气内燃机,700kW吸收机和930kW的燃气锅炉。设计中对内燃机冷却水和烟气管路进行重新设计,使用两个换热器充分回收废热,同时大胆采用较新颖烟气补燃型吸收机。对系统进行一年的试运行实验后表明,系统完全符合用户要求,为用户节约大量能源和运行费用。（4）针对分布式冷热电联产系统中能量分配,优化控制的需求,设计出运用于实际系统中的集散型自动控制中心。集散型自动控制中心在上层采用集中式的组态软件进行高级管理,而在下层的各个设备中采用工业PLC对每个设备进行实时控制。在试运行中,通过多工况的实验研究,展现出高度的可靠性。实验研究表明,通过对系统的优化设计,并安装优化控制的集散型自动控制中心,新系统能满足实时变化3～4种负荷,系统一次能源利用率在冬季能达到85%,而夏季最大值超过1。与常规系统比较,节约一次能源依负荷需求不同约为10～20%,节约能源费用约为20%。（5）参与德国国会大厦及周边建筑群的大型分布式冷热电联产系统的实验分析和模块模拟项目。系统采用柴油内燃机与各种类型的吸收机,锅炉和电制冷机共同工作,当余热被充分回收时,总能效率达到80%以上。通过分析大量实验数据,得出系统关键运行参数,利用MATLAB和Simulink编制数据分析程序和模块模拟程序。通过实验验证,模拟程序为下一步将模型导入系统仿真软件平台打下了基础。模拟结果也可以作为重要参考,对分布式冷热电联产系统的优化评价,优化设计都能提供辅助作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景介绍
• 1.2 分布式冷热电联产系统的发展现状和未来趋势
• 1.2.1 分布式冷热电联产系统的主要设备简介
• 1.2.2 分布式冷热电联产系统的典型应用
• 1.2.3 分布式冷热电联产系统在一些国家的发展状况
• 1.3 分布式冷热电联产系统的研究方向与难点
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 分布式冷热电联产系统的热力学评价与分析
• 2.1 热力学与热经济学的各项评价指标
• 2.2 基于分布式冷热电联产系统特性的第一定律分析
• 2.2.1 第一定律评价指标的动态分析
• 2.2.2 动态分析结果和影响因素讨论
• 2.3 火用分析理论评估热驱动制冷机在系统中的作用
• 2.3.1 系统的能量分析
• 2.3.2 系统的火用分析
• 2.3.3 系统的热经济分析
• 2.4 不同运行策略系统方案的经济性评估
• 2.4.1 系统介绍与负荷预测
• 2.4.2 系统设计方案比较
• 2.4.3 影响系统经济性的主要因素
• 2.5 多指标综合评价分析法的应用
• 2.5.1 层次分析法
• 2.5.2 熵值法
• 2.5.3 用熵值法确定权重的层次分析法操作步骤
• 2.5.4 熵值－层次分析法的应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 热力过程综合法对分布式冷热电联产系统的优化
• 3.1 热力过程综合法的原理概述
• 3.1.1 温焓图曲线和热回收夹点
• 3.1.2 问题表法
• 3.1.3 换热网络的设计
• 3.1.4 门槛问题设计
• 3.1.5 换热网络中热机和热泵的位置
• 3.2 应用于分布式冷热电联产系统的夹点分析法
• 3.3 改进后的夹点分析法在系统优化翻新中的应用
• 3.3.1 微型分布式冷热电联产系统
• 3.3.2 夹点分析法优化系统的换热网络
• 3.3.3 夏季工况下的系统结构优化
• 3.3.4 优化分析后的新微型冷热电联产系统
• 3.4 改进后的夹点分析法在新系统优化设计中的应用
• 3.4.1 小型分布式冷热电联产系统的设计要求
• 3.4.2 冬季工况下的系统换热网络设计
• 3.4.3 制冷设备与新系统的设计整合
• 3.4.4 新系统的设计方案总结
• 3.5 本章小结
• 第四章 分布式冷热电联产系统的优化设计与控制应用研究
• 4.1 宾馆办公室综合楼分布式冷热电联产系统的优化设计应用研究
• 4.1.1 建筑物的空调，热水和电力负荷预测
• 4.1.2 系统运行策略与设备选型
• 4.1.3 系统的经济性评估
• 4.2 分布式冷热电联产系统的优化控制应用研究
• 4.2.1 控制系统的结构
• 4.2.2 下层可编程控制器的模块设计
• 4.2.3 上位机组态软件控制编程
• 4.3 系统运行实验分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 分布式冷热电联产系统的模拟与实验验证
• 5.1 内燃机的仿真数学模型
• 5.1.1 气缸内的热力过程
• 5.1.2 混合气体工质的参数
• 5.1.3 气缸的燃烧放热规律和周壁热传导
• 5.1.4 气缸的排气温度与流量
• 5.2 溴化锂－水吸收制冷机的仿真数学模型
• 5.3 分布式冷热电联产系统的仿真实例与实验验证
• 5.3.1 德国国会大厦分布式冷热电联产系统简介
• 5.3.2 系统热电模块的模拟结果与实验验证
• 5.3.3 吸收式制冷机的模拟结果与实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 创新性
• 6.3 展望
• 附表
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间第一作者论文，参编出版物及所获奖励