燃氣發(fā)動機驅(qū)動熱泵機組的運行特性及動態(tài)仿真.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，空調(diào)已經(jīng)作為一種必需品廣泛地進入了人們的工作和生活環(huán)境。然而，大量的空調(diào)負荷給電力供應(yīng)帶來了巨大的壓力。電力峰谷差逐年攀升,造成峰時供電量不足和谷時發(fā)電效率下降等多種不利因素。而天然氣作為一種高效、清潔的能源正成為繼煤和石油之后的第三大能源。這種電力緊張局面的日益加劇和能源結(jié)構(gòu)的變化，使得天然氣在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了普遍的關(guān)注。 燃氣發(fā)動機驅(qū)動熱泵機組(Gas Engine-driven Heat P

2、ump，GEHP，本文簡稱為“燃氣機熱泵”)是一種以燃氣發(fā)動機為動力的蒸汽壓縮式熱泵裝置。它一般以天然氣為能源，輔助以少量的電力，實現(xiàn)制冷和制熱的目的，因而在電力和燃氣消費中具有“削峰填谷”的作用。同電驅(qū)動熱泵相比，燃氣機熱泵具有一次能利用率高、部分負荷特性好等優(yōu)點。因此，燃氣機熱泵的開發(fā)和推廣應(yīng)用受到了制冷空調(diào)領(lǐng)域的重視。 本文以上海市科委重點攻關(guān)項目“燃氣發(fā)動機熱泵與建筑熱環(huán)境設(shè)備研制與應(yīng)用”為背景，對燃氣機熱泵進行了一系列

3、的研究和試驗工作，主要包括燃氣機熱泵的系統(tǒng)研制、運行特性研究、仿真研究，以及節(jié)能性和經(jīng)濟性研究。 在燃氣機熱泵的研制過程中，重點解決了燃氣機熱泵系統(tǒng)中發(fā)動機與壓縮機的匹配和發(fā)動機余熱回收這兩個關(guān)鍵性問題。通過試驗獲得了天然氣發(fā)動機全面的動力和余熱特性數(shù)據(jù)，并結(jié)合壓縮機特性數(shù)據(jù)，對上述兩個問題進行了分析和研究，確保了燃氣機熱泵的可靠和高效運行。 燃氣機熱泵運行特性的研究是本文研究的重點之一。本文主要通過試驗的方法進行燃氣機

4、熱泵的運行特性研究。運行特性的研究包括機組穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性兩個方面。在機組穩(wěn)態(tài)運行特性的研究中，主要針對燃氣機熱泵的變工況特性和熱回收特性進行了研究。分析了變工況條件下機組整體的運行特性和部件的運行特性，同時對發(fā)動機余熱對系統(tǒng)運行特性的影響進行了分析。通過不同工況下的試驗，獲得了變轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)制冷和制熱運行特性變化規(guī)律。而通過對發(fā)動機余熱回收和不回收兩種工況比較發(fā)現(xiàn)，余熱利用可以大幅提高系統(tǒng)的制熱量和一次能利用率。在機組的動態(tài)運行特性試

5、驗研究中，主要對機組的啟動和變工況過程中機組的動態(tài)特性進行了研究。通過啟動過程的試驗發(fā)現(xiàn)，燃氣機熱泵在啟動過程中轉(zhuǎn)速有較大的波動。這種轉(zhuǎn)速波動對系統(tǒng)的啟動特性產(chǎn)生一定的影響，而且會造成機組的不可靠運行，需要加以控制。此外，通過試驗，對不同啟動轉(zhuǎn)速下機組的啟動過程進行了比較分析。在變工況動態(tài)特性中，對轉(zhuǎn)速擾動和空調(diào)負荷擾動情況下機組的動態(tài)變化進行了研究，獲得了機組主要參數(shù)在干擾作用下的動態(tài)變化規(guī)律。啟動過程和變工況過程的動態(tài)特性試驗為燃

6、氣機熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了必要的數(shù)據(jù)。此外，通試驗發(fā)現(xiàn)，即使在穩(wěn)態(tài)運行過程中，由于發(fā)動機的不穩(wěn)定性、熱泵系統(tǒng)本身的特性以及轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)的作用，燃氣機熱泵的各個參數(shù)一直處于周期性的波動狀態(tài)。在試驗研究的基礎(chǔ)上，本文進一步對燃氣機熱泵進行了理論研究。在MATLAB/Simulink平臺上建立了燃氣機熱泵動態(tài)數(shù)學模型。建模過程中，重點分析了燃氣發(fā)動機、余熱回收-散熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)這三者之間在熱力和動力上的耦合關(guān)系，理清了部件之間的參數(shù)關(guān)系。

7、對發(fā)動機的仿真過程提出了一種準穩(wěn)態(tài)計算辦法，既滿足了熱泵計算時間的要求，又充分考慮了發(fā)動機熱力過程的特點，突出了燃氣機熱泵的熱回收特性。通過集中參數(shù)法對發(fā)動機工作過程及其熱回收及散熱系統(tǒng)進行了建模，通過分相集中參數(shù)法對熱泵系統(tǒng)換熱器進行建模，通過穩(wěn)態(tài)方法對熱泵系統(tǒng)壓縮機和膨脹閥進行計算。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比表明，燃氣機熱泵動態(tài)模型具有較高的準確性，可以用來進行機組運行特性的分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計。 燃氣機熱泵的節(jié)能性和經(jīng)濟性

8、是普遍關(guān)心的一個問題。本文最后對這一問題進行了研究分析。采用動態(tài)能耗計算方法，對上海和北京地區(qū)的兩幢辦公樓，在分別采用燃氣機熱泵和電驅(qū)動熱泵的情況下所消耗的天然氣和電力資源進行了計算。結(jié)果表明，燃氣機熱泵在供暖季節(jié)具有明顯的節(jié)能性和經(jīng)濟性，制冷季節(jié)燃氣機熱泵和電驅(qū)動熱泵的能耗和運行費用基本相當。在上海地區(qū)使用時，燃氣機熱泵比電驅(qū)動熱泵全年能節(jié)約20％的一次能源和28.1％的運行費用，而在北京地區(qū)使用時，全年能節(jié)約33.2％的一次能源和3