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三级恒温沼气冷热电联供系统的构建与优化研究

冯永强  
【摘要】:能源是人类活动的基础。随着世界经济的飞速发展,能源的需求日益增长,而以煤和石油为主的矿物资源正日益枯竭。化石燃料使用造成的环境恶化和生态破坏日益严重。为了推动能源、环境和人类经济社会的共同可持续发展,可再生能源的规模开发利用和传统化石能源的梯级高效利用成为了目前能源领域研究的热点。 作为一个世界第二代能源技术发展重要方向,冷热电联供技术是一种能源梯级高效利用技术,受到了世界各国的广泛重视。冷热电联供系统是一种建立在能源梯级利用概念上,集制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程为一体的多级总能系统,可以有效提高能源利用效率,减少碳化合物以及其它有害气体的排放。冷热电联供系统主要分为基于传统化石能源的冷热电联供系统和基于可再生能源的冷热电联供系统。本课题根据恒温厌氧发酵特点,构建了三级恒温沼气冷热电联供系统,运用热力学第一定律、热力学第二定律和热经济学结构理论分析了系统热力学性能和热经济性能,在电负荷一定的基础上,以年运行费用最小为目标函数对系统进行了优化研究。 本课题的主要研究内容和成果如下: 1.基于“温度对口,梯级利用”的热能利用原则,结合恒温沼气生产随温度变化存在两个产沼气峰值的特点,本文构建了三级恒温沼气冷热电联供系统的物理模型和数学模型。系统主要由小型燃气内燃机发电机组、单效溴化锂吸收式热泵、烟气-水换热器、缸套水换热器、润滑油换热器、水-水换热器和三级恒温沼气生产系统组成。运用热力学第一定律和热力学第二定律建立了系统的热力学模型,对系统进行热力学性能分析。在热力学第一定律的能分析中发现,联供系统一次能源利用率,夏季工况下为77.36%,冬季工况下为83.34%,一次能源节约率分别为32.96%和34.28%;与传统分供系统相比较,无论冬夏工况,夏季工况下一次能源利用率增量为49.17%;动态模拟分析发现,系统的电热比对一次能源利用率的影响超过了发电功率对一次能源利用率的影响。在热力学第二定律的火用分析中发现,系统的火用效率为28.9%;通过对系统主要设备的火用损系数计算分析发现,系统的火用损主要发生在三级恒温生物质发酵子系统和燃气内燃机发电子系统;可以采用对沼渣进行回热回质,减小三级恒温生物质发酵子系统的火用损;燃气内燃机由于内部不可逆传热传质造成火用损较大,可以通过改进技术工艺,减小其火用损。 2.基于三级恒温沼气冷热电联供系统的能分析和火用分析,运用将热力学和经济学相结合的热经济学结构理论构建系统的火用成本模型和热经济学成本模型,对系统进行热经济学性能分析评价。通过求解系统火用成本模型和热经济学成本模型的特征方程,得到各个子系统的火用成本和热经济学成本,为进一步研究系统产品定价、系统优化设计以及故障诊断提供了参考。综合分析系统单位火用成本和单位热经济学成本发现,系统各股流的单位火用成本和单位热经济学成本变化一致,皆沿着热力循环进行的方向逐级递增。 3.在电负荷一定的基础上,以年运行费用最小为目标建立了系统的最优目标函数,综合考虑了系统设备性能特性和系统运行策略等约束条件,对系统进行优化运行分析。综合分析系统优化结果发现,当系统部分负荷率为93.6%时,系统的年运行费用最小,系统投资回收期为2.6年,系统净现值为142.4万元,系统的一次能源利用率为84.35%。 本课题的创新点和意义: 1.三级恒温沼气冷热电联供系统的构建。 2.在电负荷一定的基础上,揭示了三级恒温沼气冷热电联供系统年运行费用最小的运行策略。 随着人类需求能源的日益增加,煤、石油等矿物资源的日益减少,以及化石燃烧造成的环境恶化和生态破坏的日益严重,作为世界第二代能源技术重要发展方向之一的冷热电联供系统为世界各国所广泛重视。鉴于此,本课题提出将生物质发酵系统和常规冷热电联供系统高效有机结合的三级恒温沼气冷热电联供系统,以生物质沼气作为燃料,取代了传统的以煤、石油等不可再生的化石燃料,有效提高了能源利用效率,减少了碳化合物以及其他有害气体的排放,具有良好的节能减排能力和巨大的社会经济效益,对进一步研究冷热电联供系统有重要的学术价值,对促进以可再生能源为动力源的冷热电联供系统集成有重要的参考价值,对推动能源、环境和人类经济社会的可持续发展有重要的意义。


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