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采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析

汪海贵  
【摘要】:能源的主要用途之一就是给用户提供电力、采暖(卫生热水)和制冷等。以往的能源单独供应方式使能源利用效率不高。而小型冷热电联产系统(CCHP)通过给用户综合提供这些能源,将一次能源“梯级利用”和“吃光用尽”,因此可以大幅度的节约能源,而且这些小型系统可以就近建设,省却了大规模线路建设和输配电损失。因此,小型三联供得到了各国政府的大力支持。另外,随着天然气或煤气等清洁燃料的推广利用,清洁能源的小型三联供系统则被广泛研究和重点推广。 小型三联供系统需要将一次能源转化成电能的装置,而斯特林发动机自从诞生那日起就引起了研究者的极大兴趣,因为它具有效率高、污染低、噪音低等优点,所以,斯特林的小型冷热电联供系统特别适合于人口密度大的城市。 在斯特林的三联供系统中,由于三联供的制冷系统的选择不同,使三联供系统输出的电能、热能和冷能所占的比例不同,而热能、电能、冷能的能量“品位”不同,无法将它们直接比较,因此本文提出将这些形式的能源转化为“一次能源利用率”这个统一指标,在此基础上分析了基于斯特林发动机组成的三联供系统的节能性。但一次能源利用率还只是对它们进行的静态分析,还不能得到完整的结论,因此本文还对这些方案进行了经济性分析及敏感性分析。最后确定了斯特林发动机的三联供组成方案。 显然,斯特林发动机是三联供系统中的关键设备,虽然国内斯特林发动机的技术已经成熟,但还没有以天然气为燃料的斯特林发动机,因此,需要为斯特林发动机开发天然气燃烧系统。斯特林发动机的燃烧室有其特殊性,其燃烧器要求结构紧凑,温度场分布均匀,而且燃烧效率高、排放低、燃烧稳定。燃烧系统的设计是项复杂的工作,本文结合数值模拟技术,对燃烧部件进行优化,完成燃烧器初步结构设计,然后对该结构进行了详细模拟,了解燃烧室内的燃烧过程和排放情况,最后开发了斯特林的天然气燃烧器。对燃烧器进行的装机试验表明,斯特林发动机达到了较高效率,在低工况时排放较低,高工况时NOx上升较快。为了进一步降低排放,根据排放抑制原理,


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