采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析

【摘要】：能源的主要用途之一就是给用户提供电力、采暖(卫生热水)和制冷等。以往的能源单独供应方式使能源利用效率不高。而小型冷热电联产系统(CCHP)通过给用户综合提供这些能源,将一次能源“梯级利用”和“吃光用尽”,因此可以大幅度的节约能源,而且这些小型系统可以就近建设,省却了大规模线路建设和输配电损失。因此,小型三联供得到了各国政府的大力支持。另外,随着天然气或煤气等清洁燃料的推广利用,清洁能源的小型三联供系统则被广泛研究和重点推广。 小型三联供系统需要将一次能源转化成电能的装置,而斯特林发动机自从诞生那日起就引起了研究者的极大兴趣,因为它具有效率高、污染低、噪音低等优点,所以,斯特林的小型冷热电联供系统特别适合于人口密度大的城市。 在斯特林的三联供系统中,由于三联供的制冷系统的选择不同,使三联供系统输出的电能、热能和冷能所占的比例不同,而热能、电能、冷能的能量“品位”不同,无法将它们直接比较,因此本文提出将这些形式的能源转化为“一次能源利用率”这个统一指标,在此基础上分析了基于斯特林发动机组成的三联供系统的节能性。但一次能源利用率还只是对它们进行的静态分析,还不能得到完整的结论,因此本文还对这些方案进行了经济性分析及敏感性分析。最后确定了斯特林发动机的三联供组成方案。 显然,斯特林发动机是三联供系统中的关键设备,虽然国内斯特林发动机的技术已经成熟,但还没有以天然气为燃料的斯特林发动机,因此,需要为斯特林发动机开发天然气燃烧系统。斯特林发动机的燃烧室有其特殊性,其燃烧器要求结构紧凑,温度场分布均匀,而且燃烧效率高、排放低、燃烧稳定。燃烧系统的设计是项复杂的工作,本文结合数值模拟技术,对燃烧部件进行优化,完成燃烧器初步结构设计,然后对该结构进行了详细模拟,了解燃烧室内的燃烧过程和排放情况,最后开发了斯特林的天然气燃烧器。对燃烧器进行的装机试验表明,斯特林发动机达到了较高效率,在低工况时排放较低,高工况时NOx上升较快。为了进一步降低排放,根据排放抑制原理, 【关键词】：斯特林发动机 冷热电联供 一次能源利用率 经济性 天然气 低NO_x燃烧器 运行方式
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK019
【目录】：

• 第1章 绪论12-27
• 1．1 引言12-14
• 1．2 国内外冷热电联供系统发展现状14-22
• 1．2．1 用于联供的小型/微型燃气轮机15-17
• 1．2．2 用于联供的燃气内燃机17-18
• 1．2．3 用于联供的燃气外燃机18-19
• 1．2．4 用于联供的燃料电池19-21
• 1．2．5 三联供系统中制冷系统的选择21-22
• 1．3 天然气燃烧器研究的现状和进展22-24
• 1．3．1 国内外斯特林天然气燃烧器研究现状22
• 1．3．2 气体燃烧过程22-23
• 1．3．3 燃烧技术的研究方法23-24
• 1．3．4 湍流燃烧数值模拟进展24
• 1．4 本文所作的工作24-27
• 第2章 小型斯特林冷热电联产系统的分析27-58
• 2．1 斯特林原理及配套制冷系统原理27-34
• 2．1．1 斯特林循环原理27-30
• 2．1．2 溴化锂吸收式制冷机原理30-32
• 2．1．3 除湿空调原理32-33
• 2．1．4 压缩式热泵33-34
• 2．2 小型斯特林冷热电联产系统的节能性分析34-44
• 2．2．1 一次能源利用率的概念34-36
• 2．2．2 小型斯特林联供系统的一次能源利用率分析36-44
• 2．3 小型斯特林冷热电联产系统的经济性分析44-48
• 2．3．1 回收期法44-46
• 2．3．2 净现值比较46-48
• 2．4 小型斯特林冷热电联产系统的敏感性分析48-56
• 2．4．1 对天然气价格的敏感性48-51
• 2．4．2 对电价的敏感性51-53
• 2．4．3 年运行时间的敏感性53-54
• 2．4．4 对卫生热水负荷的敏感性54-55
• 2．4．5 对设备使用年限的敏感性55-56
• 2．5 各个方案的分析比较56-57
• 2．6 本章小结57-58
• 第3章 斯特林发动机天然气燃烧系统的设计58-115
• 3．1 燃烧器设计概述58-63
• 3．2 斯特林的天然气燃烧系统的设计和数值模拟63-94
• 3．2．1 斯特林燃烧器的设计要求63-67
• 3．2．2 湍流燃烧的数学模型67-79
• 3．2．2．1 数值模拟的意义67-68
• 3．2．2．2 燃烧过程满足物理和化学的基本定律68
• 3．2．2．3 湍流的模拟68-70
• 3．2．2．4 燃烧模型70-73
• 3．2．2．5 辐射模型73-76
• 3．2．2．6 多孔介质内的能量方程76
• 3．2．2．7 基本方程的离散及求解76-78
• 3．2．2．8 NO_x的生成与预测模型78-79
• 3．2．3 空气预热器的设计79-86
• 3．2．4 燃烧器的烧嘴部件设计和优化86-88
• 3．2．4．1 旋流器设计和优化86-87
• 3．2．4．2 燃烧器喷嘴设计和优化87-88
• 3．2．5 燃烧器的数值模拟和实验88-94
• 3．2．5．1 计算域、网格及边界条件88-91
• 3．2．5．2 数值模拟结果及分析91-94
• 3．3 扩散燃烧器的实验94-104
• 3．3．1 燃烧实验的测量手段94-100
• 3．3．2 燃烧实验的结果和分析100-104
• 3．4 污染物的生成机理和抑制污染物排放的方法104-109
• 3．4．1 燃烧过程中NO_x的生成途径104-105
• 3．4．2 降低NO_x排放的方法105-107
• 3．4．3 一氧化碳的生成和抑制107-109
• 3．5 低排放的燃烧器设计和数值模拟109-114
• 3．5．1 低排放的燃烧器结构设计109-111
• 3．5．2 低排放的燃烧器的数值模拟和分析111-114
• 3．6 本章小结114-115
• 第4章 小型斯特林三联供的系统实验115-122
• 4．1 小型斯特林三联供实验系统的组成115-117
• 4．2 小型三联供系统实验的测量117-119
• 4．3 实验结果和分析119-121
• 4．4 本章小结121-122
• 第5章 冷热电联供系统用户运行方式分析122-142
• 5．1 典型用户能源负荷比例分析122-123
• 5．2 不同季节、时间的负荷统计和分析123-130
• 5．2．1 宾馆负荷统计123-127
• 5．2．2 全年各季度用热、用电负荷运行分析127
• 5．2．3 日平均用热和用电负荷运行规律分析127
• 5．2．4 用户热负荷设备配置分析127-129
• 5．2．5 用电负荷分析129
• 5．2．6 系统方案配置129-130
• 5．3 系统的运行模式分析130-139
• 5．3．1 数学模型131-132
• 5．3．2 模式一运行方式分析132-135
• 5．3．3 模式二运行方式分析135-139
• 5．4 两种运行方式的比较139-141
• 5．5 本章小结141-142
• 第6章 系统运行控制策略和控制参数142-146
• 6．1 系统总体控制策略142-143
• 6．2 电负荷的控制143-144
• 6．3 热(生活热水)的控制144
• 6．4 冷负荷的控制144-145
• 6．5 本章小结145-146
• 结论146-148
• 参考文献148-156
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果156-157
• 致谢157

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