基于SOFC/氨吸收式制冷机的冷热电联供系统的特性仿真研究

摘要

传统集中式供能方式是通过供电厂燃烧化石燃料带动大容量、高参数机组反电，超高压、远距离输电，形成大电网供电的模式。它是将化石燃料中的化学能转化为电能，但存在着燃料能量利用率低、污染物排放高以及电能输送浪费等问题。近些年我国致力于清洁能源的开发使用，以及节能减排、污染治理等工作。冷热电联供系统(Combined Cooling Heating Power,CCHP)是相对于集中式供电方式而言的第二代能源系统，它能够分布在用户建筑物附近，以清洁能源为燃料，实现冷、热、电一体化的能量供应系统。冷热电联供系统以“温度对口、能量梯级利用”为原则，能够开发使用新型清洁能源，提高能量利用效率，减少有害物和污染气体的排放，对于缓解当今环境和能源问题具有指导意义。
　　本文提出的CCHP系统是以固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）为动力系统，利用重整装置将天然气重整分解为氢气，通入SOFC电池堆发生反应产生电流。由余热锅炉收集SOFC系统排出的高温尾气，利用余热产生高温饱和气体供热，或通入到吸收式制冷机制冷。在吸收式制冷研究方面，本文选择氨水吸收式制冷机，其制冷量的温度能够达到+10～-50℃，明显优于溴化锂吸收式制冷机。当用户冷、热或电负荷过大，系统供应不足时，可以依靠补燃天然气或从电网买电满足要求。本文的主要工作如下:
　　详细介绍了基于天然气重整的IIR-SOFC系统工作原理，借助Matlab/Simulink平台对其进行了分块建模及仿真分析，测试了其电堆电流、燃料输入量和空气输入量对于系统的影响;设计了单级氨水吸收式制冷系统，结合氨水溶液热物理性质和Gibbs自由能计算公式，编制了氨水热物理性质函数计算程序，并建立了系统各模块状态点的数学模型;选用余热锅炉连接IIR-SOFC系统和氨水制冷机，并进行参数设置和容量匹配，组成了CCHP系统，然后对系统进行了稳态和动态仿真分析;结合热力学第一定律和第二定律，对于氨水制冷机进行了(炯)损失和(炯)效率的计算，从“量”和“质”的结合上分析了氨水制冷循环特性;基于常用的CCHP系统评价指标，建立了多目标评价指标MEI，并将其与系统以热定电、以电定热两种运行方式相结合，建立了优化运行策略模型。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．1．1 能源现状分析

1．1．2 课题研究背景和意义

1．2 冷热电联供系统

1．2．1 冷热电联供系统简介

1．2．2 冷热电联供系统的发展现状

1．3 固体氧化物燃料电池

1．3．1 固体氧化物燃料电池简介

1．3．2 固体氧化物燃料电池的发展现状

1．4 氨水吸收式制冷概述

1．4．1 氨水吸收式制冷机简介

1．4．2 氨水吸收式制冷机的发展现状

1．5 本论文的主要研究内容及章节安排

第二章 固体氧化物燃料电池系统

2．1 IIR-SOFC系统简介

2．2 IIR-SOFC电池系统工作原理

2．3 IIR-SOFC电池系统的数学模型

2．3．1 重整器数学模型

2．3．2 阳极通道的数学模型

2．3．3 阴极通遁的数学模型

2．3．4 电化学特性模型

2．3．5 温度特性模型

2．4 IIR-SOFC系统仿真分析

2．5 本章小结

第三章 氨水吸收式制冷循环系统

3．1 氨水溶液的物理性质

3．2 氨水溶液热物理性质

3．2．1 氨水溶液液相热物理性质

3．2．2 氨水溶液气相热物理性质

3．2．3 氨水溶液状态参数计算程序编制

3．3 氨水溶液状态参数计算

3．4 氨水吸收式制冷循环系统原理及设计

3．4．1 氨水吸收式制冷循环流程介绍

3．4．2 氨水吸收式制冷循环数学模型概述

3．5 氨水吸收式制冷循环系统热力计算

3．5．1 热力计算基本原理

3．5．2 氨水制冷循环各状态参数

3．5．3 氨水制冷循环热平衡计算

3．6 氨水制冷系统数学模型

3．7 本章小结

第四章 CCHP系统仿真与分析

4．1 余热锅炉

4．2 IIR-SOFC参数变化对CCHP系统的影响

4．2．1 电堆电流对系统性能的影响

4．2．2 空气输入变化对系统性能的影响

4．2．3 甲烷输入变化对系统性钱的影响

4．3 氨水制冷机参数变化对CCHP系统的影响

4．3．1 热源温度对系统性能的影响

4．3．2 冷却水温度变化对系统性能的影响

4．3．3 冷媒水温度变化对系统性能的影响

4．4 本章小结

第五章 CCHP系统能量管理研究

5．1 氨水制冷系统热力学分析

5．1．1 炯的概念

5．1．2 氨水系统各设备娴分析数学模型

5．1．3 氨水制冷系统炯效率

5．1．5 氨水系统焖分析

5．2 CCHP系统的评价指标

5．2．1 一次能源利用率

5．2．2 一次能源节约率

5．2．3 二氧化碳减排率

5．3 CCHP运行方式讨论

5．3．1 以电定热

5．3．2 以热定电

5．4 CCHP系统运行策略优化

5．5 本章小结

6．1 总结

6．2 本系统设计的主要特点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况