基于内燃机余热梯级利用的冷热电联供系统特性及优化运行研究

摘要

内燃机型冷热电联供系统以其良好的节能性、经济性和部分负荷特性而在建筑供能领域受到广泛重视。但现有系统框架仍有不完善之处，制约了其性能的充分发挥和进一步提升。现有针对内燃机型冷热电联供系统的研究中，普遍侧重于设计优化和评价分析，对余热梯级利用的内在热力过程和匹配机制重视不够。在余热梯级利用方面，余热制冷性能仍然不高，烟气余热热利用的潜力未得到充分挖掘；在优化运行方面，缺少对系统能量输出特性的深入阐释，缺少对系统并网且上网优化运行策略和性能分布的研究。针对这些问题，本文基于内燃机余热梯级利用构建了一类冷热电联供系统框架，从能量输出特性、热力匹配机制、全工况性能仿真、实验性能验证和并网优化运行等五个层次逐步展开了深入研究，形成了一套针对内燃机型冷热电联供系统余热梯级利用和并网优化运行的理论。具体如下。
　　首先，构建了内燃机型冷热电联供系统框架并研究了其余热梯级利用和能量输出特性。对能量转换过程进行了对比分析，论证了其余热利用的潜力；基于能量转换建立了系统能量输出域模型，阐释了从一维到二维的能量输出域特性，分析了并网运行对系统能量输出域的拓展作用；就能量输出域在实际运行中的应用进行了分析。
　　然后，针对系统内余热梯级利用的热力匹配问题进行了研究。研究了烟气余热深度回收降温特性和不同夹点下的出水温度范围；对 n级和n效吸收式制冷循环原理进行了阐释，从热力学角度推导出了解吸温度下限表达式，为不同循环匹配不同品位的余热提供了理论依据；通过对吸收式制冷循环进行综合分析，论证了单、双效循环对于内燃机两种余热梯级利用的合理性；进而对单、双效耦合的混效吸收式制冷循环原理进行了研究，揭示了其在内燃机余热匹配过程中的热力制约机制。
　　继而，通过仿真研究了系统在制热模式和制冷模式下的全工况特性。建立了烟气余热深度回收和温差发电相结合的烟气余热梯级利用制热模式模型，仿真结果发现该模式最高可提升16％的热量输出和1.18kW的电力输出。建立了内燃机余热驱动的混效吸收式制冷仿真模型，给出了其设计算法和非设计工况下的仿真算法。研究表明，混效吸收式制冷可以适应内燃机的全工况余热特性，制冷COP处于0.77~0.96之间。对制热模式和制冷模式的节能性和经济性进行了评价。制热模式下的ESR和CSR分别可达0.303和0.417，制冷模式下的ESR和CSR分别可达0.166和0.348，均较常规冷热电联供系统有大幅提升。
　　进而，开展了200kW发电量的内燃机型冷热电联供系统实验验证研究。对混效吸收式制冷机的运行特性进行了测试，研究了系统从开机到稳定的动态运行过程及伴随的若干现象，并揭示了相关机理。对五组发电工况下的制冷性能进行了实验研究，并与仿真结果进行了对比。实验结果显示，最高余热回收效率为0.77、最高发电效率为0.31。在157.5kW发电工况下，混效吸收式制冷量达188.76kW、制冷COP达0.911，证明双源驱动混效吸收式制冷能够高效地利用内燃机两种不同余热制冷。对比实验和仿真结果，发现仿真模型能较好地预测多个性能参数，能准确预测性能变化趋势；但因热量损失和耗散，制冷量和COP的实验数据同仿真结果仍存在一定的差异。
　　最后，基于以上成果对内燃机型冷热电联供系统的并网优化运行进行了研究。建立了并网运行的非线性优化模型，给出了基于遗传算法的单目标求解算法。基于不同的负荷结构，研究了各设备的最优节能运行策略和最优经济运行策略，发现并网且上网优化运行策略并不绝对遵从以热定电，也并非总处于最大发电量工况。对比分析了“并网且上网”与“并网不上网”的最优性能分布，发现前者不仅增大了系统对低负荷工况的适应能力，也能显著提升系统的最优性能指标值。分析了能源价格比和并网价格比对系统“并网且上网”优化运行的影响，为系统运行及有关部门政策制定提供了理论参考。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 目前存在的问题

1.4 本文的主要工作

第二章 内燃机型冷热电联供系统的余热梯级利用和输出特性

2.1 内燃机型冷热电联供系统的余热梯级利用模型分析

2.2 内燃机型冷热电联供系统能量输出域研究

2.3 能量输出域在实际运行中的应用

2.4 本章小结

第三章 内燃机型冷热电联供系统余热梯级利用热力匹配特性

3.1 烟气余热深度回收的热力过程分析

3.2 吸收式制冷的热力循环原理分析

3.3 吸收式制冷解吸温度的热力学下限分析

3.4 吸收式制冷在冷热电联供系统中的热力匹配

3.5 本章小结

第四章 内燃机型冷热电联供系统的全工况性能仿真研究

4.1 内燃机型冷热电联供系统制热模式下的仿真模型

4.2 内燃机型冷热电联供系统制冷模式下的仿真模型

4.3 内燃机型冷热电联供系统制热模式下的仿真结果分析

4.4 内燃机型冷热电联供系统制冷模式下的仿真结果分析

4.5 内燃机型冷热电联供系统仿真性能对比分析

4.6 本章小结

第五章 内燃机型冷热电联供系统制冷模式下的实验研究

5.1 内燃机型冷热电联供制冷模式下的实验系统

5.2 实验方法介绍

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

第六章 内燃机型冷热电联供系统的并网优化运行

6.1 内燃机型冷热电联供系统并网优化运行模型

6.2 制热模式下的并网优化运行策略

6.3 制冷模式下的并网优化运行策略

6.4 电力上网与不上网时的最优性能分布对比

6.5 价格因素对并网优化运行的影响

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要工作总结

7.2 研究的创新性

7.3 存在的问题及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文、申请专利及所获奖励

致谢

答辩决议书