沼气热电联产与内燃机-ORC联合循环系统性能研究

摘要

为了实现能源梯级利用，进一步提高沼气内燃机的热效率，以兰州花庄荷斯坦奶牛繁育示范中心沼气发电工程为研究对象，对沼气热电联产系统热效率等关键参数进行了计算，研究分析了系统的性能，并针对系统运行过程中出现的问题提出了建议；并且在该热电联产系统的基础上，为了更好地利用其烟气余热，设计了一套回收烟气余热的有机朗肯循环系统（ORC）。通过数值模拟的方法对内燃机排气进行余热回收，在不同软件环境下建立内燃机子模型和有机朗肯循环子模型，并对该系统的性能进行分析研究。主要取得以下研究结果：
　　（1）本文在当今能源利用现状的背景下，强调了分布式供能系统的优点和存在的问题，指出了可再生能源储量大但能源利用率低的现状，并阐述了基于传统能源和可再生能源的分布式供能系统的国内外研究现状，以及重要的中低温余热回收技术—ORC技术，对其进行总结，提出将可再生能源应用在分布式供能系统中，进一步指出如何将现有成熟的技术和用户迫切的用能需求联系在一起。
　　（2）以兰州市花庄镇荷斯坦奶牛繁育中心沼气热电联产工程为研究对象，通过监测记录的数据，对整个热电联产系统的能量进行计算和分析，结果表明：在系统在稳定运行的工况下，夏季日均产气1200m3，实现了设计指标，日均发电量为1681 kW·h；冬季日均产气700m3，实现了不用外锅炉加热而使沼气工程安全越冬并正常产气；发电效率30％左右，余热利用效率为46%，能量总利用率可达76%；其次对该沼气热电联产系统的运行效益进行分析，就2015年而言，累计产气210700m3，累计发电316050kW·h，节省标煤126.4t，减排二氧化碳315t，同时减少了硫化物的排放，能源效益、经济效益和环保效益十分显著。该养殖场热电联产系统的成功运行，对于我国高寒地区建设养殖场大中型沼气工程有十分重要的指导意义。
　　（3）用GT-power软件搭建了小功率沼气发电机组发动机的模型，通过与试验数据对比验证了该计算模型的正确性，并且在此基础上，利用Aspen Plus软件建立烟气余热回收系统，对小功率沼气内燃机-ORC联合循环的工作过程进行模拟计算，对影响联合循环系统性能的关键参数做了敏感度分析，得出以下结论：在发动机满负载运行的工况下，随着沼气中甲烷体积分数的增大，发动机的有效功率、热效率以及排烟温度和流量都明显增大；在不同甲烷体积分数的工况下，ORC净功率随着有机工质流量的增加先增大后减小，存在一个最佳值，这为实际应用中不同工况下工质流量的选取提供了重要参考；且随着燃气中甲烷体积分数的增大，ORC子系统的输出功率也相应增大，最高达到3.4kW，烟气余热利用率为64.8%，联合循环动力系统的效率较现有内燃机动力系统效率提高了约7.6%。
　　本文的创新点：
　　提出了以沼气为原料输入的小型发动机与有机朗肯联合循环系统，并对联合循环系统性能进行了研究。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 分布式能源系统

1.3 国内外研究现状

1.4 国内外研究现状总结及对本文的启示

1.5 本章小结

第2章 沼气热电联产系统性能分析

2.1 沼气热电联产系统简介

2.2 厌氧发酵产气系统

2.3 沼气发电系统

2.4 沼气热电联产系统能量计算

2.5 沼气热电联产系统数据分析

2.6 沼气热电联产系统运行效益分析

2.7 存在的问题和建议

2.8 本章小结

第3章 小功率沼气内燃机-ORC联合循环模拟研究

3.1 小功率沼气内燃机

3.2 有机朗肯循环

3.3 联合循环系统模型的建立

3.4 模型的验证

3.5 敏感度分析

3.6 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 本文的创新点

4.3 尚待解决的问题

4.4 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文与专利情况

附录B 攻读学位期间的获奖情况