燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組的運(yùn)行特性及動(dòng)態(tài)仿真.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，空調(diào)已經(jīng)作為一種必需品廣泛地進(jìn)入了人們的工作和生活環(huán)境。然而，大量的空調(diào)負(fù)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(shí)供電量不足和谷時(shí)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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組(Gas Engine-driven Heat P

2、ump，GEHP，本文簡稱為“燃?xì)鈾C(jī)熱泵”)是一種以燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)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(shí)現(xiàn)制冷和制熱的目的，因而在電力和燃?xì)庀M(fèi)中具有“削峰填谷”的作用。同電驅(qū)動(dòng)熱泵相比，燃?xì)鈾C(jī)熱泵具有一次能利用率高、部分負(fù)荷特性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，燃?xì)鈾C(jī)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(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱泵與建筑熱環(huán)境設(shè)備研制與應(yīng)用”為背景，對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵進(jìn)行了一系列

3、的研究和試驗(yàn)工作，主要包括燃?xì)鈾C(jī)熱泵的系統(tǒng)研制、運(yùn)行特性研究、仿真研究，以及節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性研究。 在燃?xì)鈾C(jī)熱泵的研制過程中，重點(diǎn)解決了燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)的匹配和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收這兩個(gè)關(guān)鍵性問題。通過試驗(yàn)獲得了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)全面的動(dòng)力和余熱特性數(shù)據(jù)，并結(jié)合壓縮機(jī)特性數(shù)據(jù)，對(duì)上述兩個(gè)問題進(jìn)行了分析和研究，確保了燃?xì)鈾C(jī)熱泵的可靠和高效運(yùn)行。 燃?xì)鈾C(jī)熱泵運(yùn)行特性的研究是本文研究的重點(diǎn)之一。本文主要通過試驗(yàn)的方法進(jìn)行燃?xì)鈾C(jī)

4、熱泵的運(yùn)行特性研究。運(yùn)行特性的研究包括機(jī)組穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)方面。在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的研究中，主要針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵的變工況特性和熱回收特性進(jìn)行了研究。分析了變工況條件下機(jī)組整體的運(yùn)行特性和部件的運(yùn)行特性，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行了分析。通過不同工況下的試驗(yàn)，獲得了變轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)制冷和制熱運(yùn)行特性變化規(guī)律。而通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)組的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性試

5、驗(yàn)研究中，主要對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)和變工況過程中機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。通過啟動(dòng)過程的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵在啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速有較大的波動(dòng)。這種轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響，而且會(huì)造成機(jī)組的不可靠運(yùn)行，需要加以控制。此外，通過試驗(yàn)，對(duì)不同啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下機(jī)組的啟動(dòng)過程進(jìn)行了比較分析。在變工況動(dòng)態(tài)特性中，對(duì)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)和空調(diào)負(fù)荷擾動(dòng)情況下機(jī)組的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，獲得了機(jī)組主要參數(shù)在干擾作用下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。啟動(dòng)過程和變工況過程的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)為燃

6、氣機(jī)熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了必要的數(shù)據(jù)。此外，通試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)鈾C(jī)熱泵的各個(gè)參數(shù)一直處于周期性的波動(dòng)狀態(tài)。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對(duì)燃?xì)鈾C(jī)熱泵進(jìn)行了理論研究。在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立了燃?xì)鈾C(jī)熱泵動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。建模過程中，重點(diǎn)分析了燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、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(dòng)力上的耦合關(guān)系，理清了部件之間的參數(shù)關(guān)系。

7、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真過程提出了一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算辦法，既滿足了熱泵計(jì)算時(shí)間的要求，又充分考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)熱力過程的特點(diǎn)，突出了燃?xì)鈾C(jī)熱泵的熱回收特性。通過集中參數(shù)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程及其熱回收及散熱系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過分相集中參數(shù)法對(duì)熱泵系統(tǒng)換熱器進(jìn)行建模，通過穩(wěn)態(tài)方法對(duì)熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)和膨脹閥進(jìn)行計(jì)算。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，燃?xì)鈾C(jī)熱泵動(dòng)態(tài)模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以用來進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行特性的分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 燃?xì)鈾C(jī)熱泵的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性

8、是普遍關(guān)心的一個(gè)問題。本文最后對(duì)這一問題進(jìn)行了研究分析。采用動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算方法，對(duì)上海和北京地區(qū)的兩幢辦公樓，在分別采用燃?xì)鈾C(jī)熱泵和電驅(qū)動(dòng)熱泵的情況下所消耗的天然氣和電力資源進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，燃?xì)鈾C(jī)熱泵在供暖季節(jié)具有明顯的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，制冷季節(jié)燃?xì)鈾C(jī)熱泵和電驅(qū)動(dòng)熱泵的能耗和運(yùn)行費(fèi)用基本相當(dāng)。在上海地區(qū)使用時(shí)，燃?xì)鈾C(jī)熱泵比電驅(qū)動(dòng)熱泵全年能節(jié)約20％的一次能源和28.1％的運(yùn)行費(fèi)用，而在北京地區(qū)使用時(shí)，全年能節(jié)約33.2％的一次能源和3