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分布式冷热电联供系统全工况特性与主动调控机理及方法

陈强  
【摘要】:分布式燃气轮机冷热电联供系统是以能的综合梯级利用和冷热电联供为特色的分布式能源,具有良好的节能特性、可靠性、经济性以及环保特性,受到世界各国广泛关注。由于直接面向用户,它总是处于变工况状态,运行节能特性与设计情况相悖问题成为发展应用的瓶颈。本学位论文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金等重要项目,以典型分布式燃气轮机冷热电联供系统为研究对象,从用户负荷变化和系统全工况特性关联层面探讨系统内部能量转换与梯级利用机理,深入系统地研究联供系统的全工况特性和相应主动控制方法,旨在为破解发展难题提供一类思路、途径与方法。 本文主要研究内容和成果如下: (1)分布式联供系统全工况模拟。概述了分布式冷热电联供系统全工况特性模拟核心问题,阐述分布式联供系统全工况概念,提出相应的模拟方法和评价准则。构建了基于模块全工况特性的分布式联供系统模拟程序,包括率先构建高精度通用性的全径流微小型燃气轮机全工况模型,还包括建筑用户全年逐小时冷热电负荷模块、烟气型双效溴化锂吸收式制冷机、烟气热水换热器以及追踪冷热电负荷控制模块等全工况模型。全工况模拟软件不仅考虑用户负荷变化对系统性能的影响,也考虑单元模块变工况特性对系统性能的影响,为研究分布式冷热电联供系统全工况性能和主动调控方法奠定了基础。 (2)分布式联供系统全工况特性。研究了典型分布式燃气轮机冷热电联供系统的全工况特性与变工况运行性能下降机理。分析了用户日负荷变工况、全年制冷期逐小时运行特性和典型分布式燃气轮机冷热电联供系统配置及全工况特性规律。探索了冷热电联供系统性能的变化规律和与组成模块之间的关联关系,以及系统输出与用户负荷之间的匹配变化规律,凝练了冷热电联供系统高效变工况运行的调控要求。运用(?)与能量品位分析法剖析燃气轮机联供系统全工况能量平衡与能量品位的变化以及(?)损失特性规律,探讨造成冷热电系统变工况运行性能下降的本质原因和提升的潜力,从科学用能高度揭示分布式联供系统全工况能量转换与梯级利用机制。 (3)分布式联供系统主动调控方法与运行优化。全面论述燃气轮机联供系统主动调控概念、机制与方法。针对传统调控方式下变工况运行时燃气轮机透平入口温度下降而导致联供系统性能大幅度恶化的问题,提出组合式主动调控思路与方法。尝试两种改善系统变工况性能的主动调控新思路:一是压气机入口空气调控,另是燃气轮机排气回注调控。通过全工况模拟,探讨了主动调控方法对分布式联供系统能量转换过程的影响和对联供系统变工况特性强化机理。理论研究表明,与传统调控方法相比,主动调控方法能显著改善冷热电联供系统变工况运行的节能性能,其中压气机入口空气调控将平均系统相对节能率由9.63%提高到17.75%。 (4)典型分布式联供系统概念性设计研究。基于全工况特性概念和主动调控方法,研究提出两类新型燃气轮机冷热电联供系统,分析探讨了联供系统中动力循环与吸收式制冷循环之间的能量品位匹配问题,开展典型联供系统概念性设计。第一类新型系统为应用正逆耦合循环概念的分布式冷热电联供系统;第二类新型系统为太阳能化石能源互补的分布式冷热电联供系统。对两类新型系统进行联供系统流程设计和系统模拟以及联供系统节能机理分析等,研究表明,在分布式冷热电联供系统中应用正拟耦合循环概念,可以提升联供系统热力性能,相对节能率从23.1%提高到30.89%;应用太阳能化石能源品位互补机理,新型系统不仅提高了燃气轮机烟气余热的梯级利用程度,而且降低了太阳能系统的运行温度。


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