基于太阳能热泵的LPG气化系统研究

【摘要】：随着常规能源的日渐枯竭和环境问题的日益严峻,作为清洁能源的液化石油气(LPG)和可再生能源的太阳能受到中国政府的日益重视和青睐。LPG管道集中供应作为天然气管网的补充在国内有着大量应用,而太阳能热泵技术作为太阳能利用的一种较成熟的应用方式,近几十年来得到了迅速发展。在LPG管道集中供应系统中,传统的LPG气化方式能耗高,而太阳能热泵技术能够高效地制取中高温热水,可作为液态LPG的气化热源。基于解决LPG气化高能耗问题和拓宽太阳能热泵技术应用领域的思想,我们提出了一种新型的基于太阳能热泵的LPG气化(Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump Vaporization, DX-SAHPV)系统,该系统主要由直膨式太阳能热泵(DX-SAHP)、蓄热水箱、辅助热源及气化器组成,将太阳能热泵技术应用到城市燃气领域,提高了太阳能热泵的全年利用率。本文利用热量守恒定律、质量守恒定律、气液相平衡原理和SRK状态方程建立了钢瓶内LPG自然气化模型。将钢瓶内的气相LPG和液相LPG分别视为实际气体和实际溶液,在模型中考虑了由于非共沸混合物的特性导致的LPG成分变化及其对LPG温度、压力、气化潜热、密度等物性参数的影响。以此为基础,在给定初始液相LPG成分和外界参数的条件下,对充装LPG的ysp-50型钢瓶内的LPG自然气化特性进行了数值模拟,并通过已有的实验结果进行验证。研究发现,自然气化过程中,气、液两相LPG的成分瞬时变化,LPG温度急剧下降后基本维持在一定值,气相中低沸点成分的减少和温度的降低导致了LPG压力的下降。对比模拟结果和实验结果及实际现象,建立的LPG自然气化模型具备较高的数值计算精度。在自然气化模拟的基础上确定了定用气量和变用气量时单个钢瓶的自然气化能力。同时,进行了居民燃气用户用气量和用气负荷波动性的分析和计算。该部分工作可以为DX-SAHPV系统的合理设计与性能研究提供客观依据。为了使DX-SAHP具有良好的热经济性,利用有限时间热力学理论建立了DX-SAHP的热力学模型。以单位成本热负荷最大为目标函数,推导出了最佳设计参数(如蒸发温度、冷凝温度、换热器面积比等)的理论表达式。同时,考察了环境参数、换热器性能参数、经济性参数等对DX-SAHP优化特性和最优设计参数的影响。研究结果表明,DX-SAHP运行时,比供热率应小于单位成本热负荷最大时对应的比供热率值,以避免DX-SAHP的供热性能系数和热经济性出现恶化；内不可逆性、单位面积换热器投资成本、压缩机投资和运行成本、集热面太阳辐射强度、集热／蒸发器吸收率和透过率的乘积、负载水温对DX-SAHP的优化特性影响较大,当其它参数不变,这些参数分别变化10%时,最佳热经济性的变化超过2%。根据LPG自然气化特性、用户用气负荷和气象条件波动特性,研究了DX-SAHPV系统的六种运行模式和运行原理。以DX-SAHP热经济性优化为基础,采用年费用最小、一次能源节省率最大和全球变暖影响指数最小作为优化目标,针对DX-SAHPV系统的供气要求,建立了系统的多目标优化设计模型。利用该模型分析了系统中DX-SAHP和辅助热源的最优气化负荷分配、各部分最优设计参数和最优辅助热源形式,制定了DX-SAHPV系统的优化设计方法。建立了DX-SAHPV系统的动态仿真数学模型,制定了系统中DX-SAHP、辅助热源和气化器的启／停条件,得出各运行模式的控制策略,进而得出不同运行工况下蓄热水箱数学模型的具体表达形式。在所建立的LPG自然气化模型、多目标优化设计、系统仿真模型及控制策略基础上,以规模为1000户居民的住宅小区为供气对象,深入研究了DX-SAHPV系统在北京地区的全年动态运行性能。此外,改变应用地区的地理参数和气象条件,模拟预测分析了系统在全国几个不同太阳能资源等级典型地区的运行性能。 【关键词】：太阳能热泵 液化石油气 直膨式 气化 优化设计 运行特性
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU83
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-33
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义16-20
• 1.2 国内外研究现状分析20-31
• 1.2.1 LPG气化的研究现状20-22
• 1.2.2 DX-SAHP技术研究现状22-30
• 1.2.3 国内外研究LPG气化和DX-SAHP技术的现状总结30-31
• 1.3 本文的主要工作31-33
• 第2章 LPG自然气化及供气量计算33-55
• 2.1 引言33
• 2.2 LPG自然气化的理论研究33-45
• 2.2.1 LPG自然气化现象33
• 2.2.2 LPG自然气化模型33-42
• 2.2.3 LPG自然气化模型求解及验证42-45
• 2.3 LPG自然气化能力的确定45-48
• 2.3.1 定用气量时钢瓶的自然气化能力46-47
• 2.3.2 变用气量时钢瓶的自然气化能力47-48
• 2.4 供气量计算48-54
• 2.4.1 LPG年用气量48-49
• 2.4.2 燃气全年需用工况49-51
• 2.4.3 小时计算流量及逐时用气量51-54
• 2.4.4 钢瓶数量的确定54
• 2.5 本章小结54-55
• 第3章 直膨式太阳能热泵的热力学优化55-69
• 3.1 引言55
• 3.2 DX-SAHP热力学模型的建立55-60
• 3.3 DX-SAHP优化设计参数的确定60-61
• 3.4 DX-SAHP优化特性及最优设计参数的影响因素分析61-67
• 3.4.1 气象条件的影响61-63
• 3.4.2 负载水温的影响63-64
• 3.4.3 集热/蒸发器性能参数的影响64-65
• 3.4.4 冷凝器传热系数的影响65-66
• 3.4.5 内不可逆性的影响66
• 3.4.6 经济性参数的影响66-67
• 3.5 本章小结67-69
• 第4章 DX-SAHPV系统运行模式及多目标优化设计69-89
• 4.1 引言69
• 4.2 系统运行模式69-71
• 4.3 系统多目标优化设计模型的建立71-79
• 4.3.1 决策变量71-72
• 4.3.2 目标函数72-78
• 4.3.3 约束条件78-79
• 4.3.4 模型形式79
• 4.4 基于NSGA-Ⅱ和多属性决策的DX-SAHPV系统优化设计79-86
• 4.4.1 多目标优化问题求解算法概述79-80
• 4.4.2 NSGA-Ⅱ算法的优化原理80-83
• 4.4.3 多属性决策83-86
• 4.5 系统多目标优化设计86-88
• 4.6 本章小结88-89
• 第5章 DX-SAHPV系统数学模型和运行控制策略研究89-104
• 5.1 引言89
• 5.2 系统部件的结构设计89
• 5.3 系统数学模型的建立89-98
• 5.3.1 DX-SAHP模型90-97
• 5.3.2 蓄热水箱模型97-98
• 5.3.3 气化器模型98
• 5.3.4 辅助热源模型98
• 5.4 DX-SAHP模型的计算方法98-101
• 5.4.1 离散和迭代求解方法98-99
• 5.4.2 DX-SAHP模型的计算流程99-101
• 5.5 系统运行模式间的转换控制101-102
• 5.5.1 DX-SAHP的启/停控制方案101
• 5.5.2 气化器的启/停控制方案101
• 5.5.3 辅助热源的启/停控制方案101-102
• 5.5.4 系统运行控制策略102
• 5.6 本章小结102-104
• 第6章 DX-SAHPV系统的数值仿真和运行性能分析104-124
• 6.1 引言104
• 6.2 系统运行工况104-106
• 6.2.1 单纯自然气化104-105
• 6.2.2 自然气化同时强制气化105-106
• 6.3 系统模拟框图106-108
• 6.4 系统数值仿真所用参数108-110
• 6.5 系统数值仿真运行特性分析110-118
• 6.6 系统在其它地区运行性能预测118-122
• 6.7 本章小结122-124
• 第7章 结论与展望124-127
• 7.1 本文研究工作的总结124-125
• 7.2 本文的创新点125-126
• 7.3 后续工作展望126-127
• 参考文献127-137
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果137-139
• 攻读博士学位期间参加的科研工作139-140
• 致谢140-141
• 作者简介141

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