三级恒温沼气冷热电联供系统的构建与优化研究

【摘要】：能源是人类活动的基础。随着世界经济的飞速发展,能源的需求日益增长,而以煤和石油为主的矿物资源正日益枯竭。化石燃料使用造成的环境恶化和生态破坏日益严重。为了推动能源、环境和人类经济社会的共同可持续发展,可再生能源的规模开发利用和传统化石能源的梯级高效利用成为了目前能源领域研究的热点。 作为一个世界第二代能源技术发展重要方向,冷热电联供技术是一种能源梯级高效利用技术,受到了世界各国的广泛重视。冷热电联供系统是一种建立在能源梯级利用概念上,集制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程为一体的多级总能系统,可以有效提高能源利用效率,减少碳化合物以及其它有害气体的排放。冷热电联供系统主要分为基于传统化石能源的冷热电联供系统和基于可再生能源的冷热电联供系统。本课题根据恒温厌氧发酵特点,构建了三级恒温沼气冷热电联供系统,运用热力学第一定律、热力学第二定律和热经济学结构理论分析了系统热力学性能和热经济性能,在电负荷一定的基础上,以年运行费用最小为目标函数对系统进行了优化研究。 本课题的主要研究内容和成果如下: 1.基于“温度对口,梯级利用”的热能利用原则,结合恒温沼气生产随温度变化存在两个产沼气峰值的特点,本文构建了三级恒温沼气冷热电联供系统的物理模型和数学模型。系统主要由小型燃气内燃机发电机组、单效溴化锂吸收式热泵、烟气-水换热器、缸套水换热器、润滑油换热器、水-水换热器和三级恒温沼气生产系统组成。运用热力学第一定律和热力学第二定律建立了系统的热力学模型,对系统进行热力学性能分析。在热力学第一定律的能分析中发现,联供系统一次能源利用率,夏季工况下为77.36%,冬季工况下为83.34%,一次能源节约率分别为32.96%和34.28%;与传统分供系统相比较,无论冬夏工况,夏季工况下一次能源利用率增量为49.17%;动态模拟分析发现,系统的电热比对一次能源利用率的影响超过了发电功率对一次能源利用率的影响。在热力学第二定律的火用分析中发现,系统的火用效率为28.9%;通过对系统主要设备的火用损系数计算分析发现,系统的火用损主要发生在三级恒温生物质发酵子系统和燃气内燃机发电子系统;可以采用对沼渣进行回热回质,减小三级恒温生物质发酵子系统的火用损;燃气内燃机由于内部不可逆传热传质造成火用损较大,可以通过改进技术工艺,减小其火用损。 2.基于三级恒温沼气冷热电联供系统的能分析和火用分析,运用将热力学和经济学相结合的热经济学结构理论构建系统的火用成本模型和热经济学成本模型,对系统进行热经济学性能分析评价。通过求解系统火用成本模型和热经济学成本模型的特征方程,得到各个子系统的火用成本和热经济学成本,为进一步研究系统产品定价、系统优化设计以及故障诊断提供了参考。综合分析系统单位火用成本和单位热经济学成本发现,系统各股流的单位火用成本和单位热经济学成本变化一致,皆沿着热力循环进行的方向逐级递增。 3.在电负荷一定的基础上,以年运行费用最小为目标建立了系统的最优目标函数,综合考虑了系统设备性能特性和系统运行策略等约束条件,对系统进行优化运行分析。综合分析系统优化结果发现,当系统部分负荷率为93.6%时,系统的年运行费用最小,系统投资回收期为2.6年,系统净现值为142.4万元,系统的一次能源利用率为84.35%。 本课题的创新点和意义: 1.三级恒温沼气冷热电联供系统的构建。 2.在电负荷一定的基础上,揭示了三级恒温沼气冷热电联供系统年运行费用最小的运行策略。 随着人类需求能源的日益增加,煤、石油等矿物资源的日益减少,以及化石燃烧造成的环境恶化和生态破坏的日益严重,作为世界第二代能源技术重要发展方向之一的冷热电联供系统为世界各国所广泛重视。鉴于此,本课题提出将生物质发酵系统和常规冷热电联供系统高效有机结合的三级恒温沼气冷热电联供系统,以生物质沼气作为燃料,取代了传统的以煤、石油等不可再生的化石燃料,有效提高了能源利用效率,减少了碳化合物以及其他有害气体的排放,具有良好的节能减排能力和巨大的社会经济效益,对进一步研究冷热电联供系统有重要的学术价值,对促进以可再生能源为动力源的冷热电联供系统集成有重要的参考价值,对推动能源、环境和人类经济社会的可持续发展有重要的意义。 【关键词】：三级恒温沼气冷热电联供系统 热力学分析 热经济性分析 年运行费用最小 最优化运行策略
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK019
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第1章 绪论13-32
• 1.1 本课题的研究背景13-15
• 1.2 冷热电联供系统的组成和工作原理15-24
• 1.2.1 内燃机为原动机的冷热电联供系统15-18
• 1.2.2 燃气轮机为原动机的冷热电联供系统18-19
• 1.2.3 燃料电池为原动机的冷热电联供系统19-21
• 1.2.4 斯特林机为原动机的冷热电联供系统21-22
• 1.2.5 其他形式的冷热电联供系统22-24
• 1.3 国内外研究现状24-30
• 1.4 课题选题的意义、主攻方向及难点30-31
• 1.5 本文的主要工作31-32
• 第2章 三级恒温沼气冷热电联供系统的设计及数学模型的建立32-49
• 2.1 联产系统基本设计原则32
• 2.2 系统工作原理32-34
• 2.3 系统设计目标34
• 2.4 燃气内燃机发电机组的选型和数学模型34-39
• 2.4.1 燃气内燃机发电机组的选型34-36
• 2.4.2 燃气内燃机发电机组的数学模型36-39
• 2.5 三级恒温沼气子系统的设计39-40
• 2.6 系统供冷机组的设计和数学模型40-45
• 2.6.1 吸收式制冷机工作原理40-42
• 2.6.2 系统供冷机组选择及参数计算42
• 2.6.3 单效溴化锂热泵的数学模型42-45
• 2.7 余热利用子系统的参数计算和数学模型45-48
• 2.7.1 烟气-水换热器的数学模型47
• 2.7.2 缸套水换热器的数学模型47-48
• 2.8 本章小结48-49
• 第3章 三级恒温沼气冷热电联供系统的热力学评价与分析49-66
• 3.1 引言49-51
• 3.2 冷热电联供系统的评价方法51-55
• 3.2.1 基于热力学第一定律的评价指标51-52
• 3.2.2 基于热力学第二定律的评价指标52-55
• 3.3 三级恒温沼气冷热电联供系统的热力学分析55-64
• 3.3.1 基于热力学第一定律的能分析56-60
• 3.3.2 基于热力学第二定律的火用分析60-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 三级恒温沼气冷热电联供系统的热经济学评价与分析66-91
• 4.1 引言66-68
• 4.2 热经济学结构理论68-72
• 4.2.1 物理环境69
• 4.2.2 经济环境69
• 4.2.3 火用成本和现金成本69-70
• 4.2.4 平均成本和边际成本70-71
• 4.2.5 火用耗系数、火用效率71-72
• 4.3 系统物理结构图和物理模型72-73
• 4.4 系统生产结构图和生产模型73-75
• 4.5 系统组元燃料、产品定义75-76
• 4.6 系统组元的特征方程76-79
• 4.7 系统的热力学模型79-80
• 4.8 系统火用成本建模80-84
• 4.9 系统热经济学成本建模84-89
• 4.9.1 投资和成本84
• 4.9.2 资金的时间价值84-86
• 4.9.3 系统热经济学成本建模86-89
• 4.10 本章小结89-91
• 第5章 三级恒温沼气冷热电联供系统的优化运行分析91-107
• 5.1 引言91-92
• 5.2 优化方法简述92-96
• 5.2.1 最优化方法和数学规划93-95
• 5.2.2 主要因素和优化设计方法95-96
• 5.3 系统优化数学模型96-101
• 5.3.1 目标函数96-99
• 5.3.2 能流平衡及约束条件99-101
• 5.4 最优化数学模型的求解101-105
• 5.4.1 最优化命令101-102
• 5.4.2 算法介绍102-104
• 5.4.3 优化数学模型的求解框图104-105
• 5.5 结果分析与讨论105-106
• 5.6 本章小结106-107
• 结论与展望107-110
• 1 结论107-109
• 2 创新性109
• 3 展望109-110
• 参考文献110-127
• 致谢127-128
• 附录 A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况128-129
• 附录 B 攻读学位期间申请的科创基金项目129-130
• 附录 C 攻读学位期间获奖情况及个人简介130-131
• 附录 D 程序编程131-138

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