分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的多目標(biāo)熱力學(xué)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究.pdf

1、分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是近些年在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展起來的一種能源供應(yīng)方式，它實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，可以有效利用低品位余熱能，提升系統(tǒng)的總能效率，同時(shí)具有良好的環(huán)境友好性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性?；谕鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)和熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)熱點(diǎn)方向，兩種設(shè)備都具有高效可靠的特性。然而，即使國外發(fā)展相對(duì)成熟的情況下，由于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的獨(dú)特性，這類系統(tǒng)依然有很多研究熱點(diǎn)甚至研究空白存在。研究熱點(diǎn)主要集中于優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化評(píng)價(jià)，優(yōu)化控制

2、與優(yōu)化運(yùn)行等方面。在此背景下，本文以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，輔以熱經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，熱力過程綜合分析法等，針對(duì)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化評(píng)價(jià)，優(yōu)化控制等多個(gè)目標(biāo)，結(jié)合參與的多個(gè)實(shí)用項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，多角度地探索如何更好地設(shè)計(jì)與利用系統(tǒng)，促進(jìn)其在我國的發(fā)展，為節(jié)約能源和能源安全的目標(biāo)服務(wù)。本文主要研究內(nèi)容包括： (1)采用熱力學(xué)，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)等理論(包括第一定律，第二定律，熱經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo))對(duì)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，了解系統(tǒng)在不

3、同工況運(yùn)行下的能量分配，與常規(guī)系統(tǒng)比較得出的評(píng)價(jià)結(jié)果。在第一定律的分析中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備部分負(fù)荷性能，用戶熱量(冷量)需求和電力需求之比，以及當(dāng)?shù)仉妰r(jià)和天然氣價(jià)都對(duì)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的重要影響。在很大范圍內(nèi)，系統(tǒng)無論冬夏工況，都能比常規(guī)系統(tǒng)節(jié)能大約20％。在對(duì)系統(tǒng)的火用效率分析中發(fā)現(xiàn)，熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)對(duì)于分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的重要性，吸附式制冷機(jī)的效率要比電制冷機(jī)高出10％，用熱經(jīng)濟(jì)性理論進(jìn)一步分析表明，與吸附機(jī)整合的系統(tǒng)在冬季和夏季的熱經(jīng)濟(jì)

4、效率分別可以達(dá)到36％和25％。此外，對(duì)多種分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行分析，得出在不同情況下，最優(yōu)的運(yùn)行模式與方法。最后，在試用過多種評(píng)價(jià)方法后，用改進(jìn)后的熵值一層次分析法對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行匯總，得到具有普遍意義的綜合評(píng)價(jià)方法。評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化分析，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將起到重要的指導(dǎo)作用。 (2)改進(jìn)在化工領(lǐng)域內(nèi)使用的熱力過程綜合分析法，提出利用改進(jìn)后的夾點(diǎn)分析法作為分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在對(duì)兩個(gè)實(shí)際案例中的

5、分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分別進(jìn)行改造設(shè)計(jì)和全新設(shè)計(jì)研究后，說明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，不僅能對(duì)已建系統(tǒng)改進(jìn)換熱網(wǎng)絡(luò)，重新優(yōu)化放置熱機(jī)和熱泵設(shè)備，也能對(duì)全新系統(tǒng)，從化工“洋蔥模型”的外層出發(fā)向內(nèi)層進(jìn)行設(shè)計(jì)，輔助設(shè)計(jì)者確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的夾點(diǎn)分析法解決了當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)流股不連續(xù)情況下，出現(xiàn)偽夾點(diǎn)和門檻問題時(shí)，如何最優(yōu)化系統(tǒng)的問題；此外還得出熱機(jī)和熱泵與換熱網(wǎng)絡(luò)整合的準(zhǔn)則。在原動(dòng)機(jī)有較多余熱可以利用的情況下，熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)只要放置合適，較電制冷機(jī)節(jié)約大量一次

6、能源，在實(shí)例中能量利用效率可提升13％。改進(jìn)后的夾點(diǎn)分析法是對(duì)于熱力過程綜合法的一種補(bǔ)充，將理論推廣到分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域中，同時(shí)也提供了一種重要的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 (3)根據(jù)優(yōu)化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)一幢賓館辦公綜合樓，自主設(shè)計(jì)一套基于內(nèi)燃機(jī)和吸收機(jī)的商業(yè)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，主要設(shè)備包括155kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，700kW吸收機(jī)和930kW的燃?xì)忮仩t。設(shè)計(jì)中對(duì)內(nèi)燃機(jī)冷卻水和煙氣管路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使用兩個(gè)換熱器充分回

7、收廢熱，同時(shí)大膽采用較新穎煙氣補(bǔ)燃型吸收機(jī)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一年的試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)后表明，系統(tǒng)完全符合用戶要求，為用戶節(jié)約大量能源和運(yùn)行費(fèi)用。 (4)針對(duì)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中能量分配，優(yōu)化控制的需求，設(shè)計(jì)出運(yùn)用于實(shí)際系統(tǒng)中的集散型自動(dòng)控制中心。集散型自動(dòng)控制中心在上層采用集中式的組態(tài)軟件進(jìn)行高級(jí)管理，而在下層的各個(gè)設(shè)備中采用工業(yè)PLC對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在試運(yùn)行中，通過多工況的實(shí)驗(yàn)研究，展現(xiàn)出高度的可靠性。實(shí)驗(yàn)研究表明，通過對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)

8、化設(shè)計(jì)，并安裝優(yōu)化控制的集散型自動(dòng)控制中心，新系統(tǒng)能滿足實(shí)時(shí)變化3～4種負(fù)荷，系統(tǒng)一次能源利用率在冬季能達(dá)到85％，而夏季最大值超過1。與常規(guī)系統(tǒng)比較，節(jié)約一次能源依負(fù)荷需求不同約為10～20％，節(jié)約能源費(fèi)用約為20％。 (5)參與德國國會(huì)大廈及周邊建筑群的大型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析和模塊模擬項(xiàng)目。系統(tǒng)采用柴油內(nèi)燃機(jī)與各種類型的吸收機(jī)，鍋爐和電制冷機(jī)共同工作，當(dāng)余熱被充分回收時(shí)，總能效率達(dá)到80％以上。通過分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)