在分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)變工況運行過程中,利用系統(tǒng)運行調(diào)控手段改善供能側(cè)與用能側(cè)供需匹配情況,是解決系統(tǒng)變工況運行過程中系統(tǒng)熱力特性、環(huán)保特性以及經(jīng)濟特性急劇變差問題的有效手段。本文依托國家重點基礎(chǔ)發(fā)展研究計劃(973計劃)“系統(tǒng)能效提升機理以及系統(tǒng)（火用）經(jīng)濟成本形成規(guī)律研究”項目,圍繞分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)主動調(diào)控方法開展研究,從關(guān)鍵部件能效提升機理、供需匹配以及實驗驗證等方面開展了研究�；跓崃W(xué)第二定律的（火用）分析方法是熱力學(xué)分析方法中的重要手段,揭示系統(tǒng)內(nèi)部熱力過程不可逆損失發(fā)生機理,為系統(tǒng)改進指明方向。在傳統(tǒng)熱力學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上,提出了基于品位差的熱力學(xué)圖像分析方法。品位差作為無量綱參數(shù),表征系統(tǒng)內(nèi)能量傳遞與轉(zhuǎn)換過程驅(qū)動力的變化,也是產(chǎn)生不可逆損失的重要原因。該方法不僅有效全面認識系統(tǒng)內(nèi)各部件不可逆損失發(fā)生機理,對系統(tǒng)高度集成理解能量利用具有重要的意義,同時有效表征系統(tǒng)變工況運行過程中關(guān)鍵部件不可逆損失變化情況,為系統(tǒng)選擇合適的變工況運行調(diào)控手段奠定了理論指導(dǎo)。應(yīng)用基于品位差的熱力學(xué)圖像分析方法,針對壓縮過程、換熱過程以及混合過程等常見的能量傳遞轉(zhuǎn)化過程進行分析,進一步驗證新方法的可行性。同時,針對典型分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),分析系統(tǒng)中不可逆損失分布情況,為系統(tǒng)能效提升提供理論指導(dǎo)。與傳統(tǒng)系統(tǒng)減小透平入口溫度調(diào)控方法不同,系統(tǒng)在壓氣機入口壓力調(diào)控方法以及帶有尾氣回注的混合調(diào)控方法下,隨著系統(tǒng)負荷率的下降,有效保證高品質(zhì)排煙余熱輸出,提升系統(tǒng)能源利用效率,改善余熱利用設(shè)備變工況性能。利用基于品位差的熱力學(xué)圖像分析方法,與系統(tǒng)減小透平入口溫度調(diào)控方法對比分析,闡釋在兩種調(diào)控方法下分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)變工況運行熱力性能提升機理。分析結(jié)果表明,兩種系統(tǒng)調(diào)控方法,能有效降低變工況運行條件下燃氣輪機系統(tǒng)不可逆損失;然而在余熱利用設(shè)備中,由于能量釋放側(cè)煙氣與能量接收側(cè)溶液品位差增加,不可逆損失增加。引入帶有氨水朗肯循環(huán)的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),通過減小換熱過程中品位差,降低余熱利用過程不可逆損失提高系統(tǒng)能源利用效率。同時增加系統(tǒng)冷電比調(diào)節(jié)范圍,增強熱力系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在變工況條件下運行過程中,利用系統(tǒng)主動調(diào)控技術(shù),在滿足用戶用能需求的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)能源利用效率。結(jié)合實際用戶負荷需求的變化情況,將系統(tǒng)調(diào)控方法與運行策略相結(jié)合,分析變工況條件下系統(tǒng)能源產(chǎn)品輸出與用戶負荷需求的匹配情況,揭示調(diào)控手段下系統(tǒng)能效提升機理。研究結(jié)果表明相比于其他系統(tǒng)調(diào)控手段,基于電跟隨運行策略下的壓氣機入口壓力調(diào)控方法,系統(tǒng)獲得最佳的變工況性能,在炎熱的夏季或者寒冷的冬季優(yōu)勢最為明顯。雖然混合調(diào)控策略下沒有多余的能源產(chǎn)品輸出,避免了能源的浪費,但是由于系統(tǒng)需要過多依靠電網(wǎng)以及輔助余熱鍋爐獲取能源產(chǎn)品,因此與其他系統(tǒng)運行策略相比,并沒有表現(xiàn)出運行的優(yōu)勢。同時為了保證系統(tǒng)不同調(diào)控方法的優(yōu)勢,提出了系統(tǒng)混合調(diào)控方法,根據(jù)用戶不同時段的能源產(chǎn)品需求,選擇不同的系統(tǒng)調(diào)控方法。為了更好的對不同調(diào)控方法下系統(tǒng)變工況性能進行評價,將系統(tǒng)熱力性能與經(jīng)濟性能進行一體化考慮,引入基于品位的（火用）經(jīng)濟分析評價方法。研究結(jié)果表明,相比于透平入口溫度調(diào)控方法,壓氣機入口壓力調(diào)控方法能有效降低能源產(chǎn)品成本,提高系統(tǒng)運行利潤。研制了分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)控方法實驗平臺。該實驗平臺主要由微型燃氣輪機以及壓氣機入口空氣節(jié)流裝置組成,微型燃氣輪機額定發(fā)電功率為65 kW,額定發(fā)電效率為29%,壓氣機入口空氣節(jié)流裝置設(shè)計系統(tǒng)負荷率調(diào)控范圍為1 00-50%。輔助實驗系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、燃氣調(diào)壓系統(tǒng)以及安全防護系統(tǒng)。通過分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)調(diào)控方法的實驗研究,驗證了系統(tǒng)壓氣機入口壓力調(diào)控方法可行性的同時探索了各系統(tǒng)以及裝置的運行特性。為后期開展基于供需匹配的主動調(diào)控方法推廣應(yīng)用以及其它系統(tǒng)調(diào)控方法的實驗驗證奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM621
【部分圖文】：

?規(guī)劃綱要（２００６－２０２０年）》前沿技術(shù)中先進能源技術(shù)之一并寫入《能源發(fā)展“十??三五”規(guī)劃》Ｋ，９】。典型分布式冷熱電供能系統(tǒng)概念如圖１．１所示，按照能量梯??級利用的原則，來自燃料燃燒的高溫余熱驅(qū)動動力設(shè)備（燃氣輪機、內(nèi)燃機等）??產(chǎn)生電能，中溫余熱驅(qū)動吸收式制冷機產(chǎn)生冷量，低溫余熱用來直接供熱或產(chǎn)生??生活熱水［１（）｜。??燃料備―卜電??Ｉ?”中溫余熱??溫Ｉ?制冷設(shè)備——＾冷??度Ｉ?丨低■溫‘熱??＾?換熱＾設(shè)備Ｉ——？熱??—＇?—?ｑ排煙??圖１．１分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)概念圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?１?Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＣＨＰ?ｓｙｓｔｅｍ??隨著分布式供能技術(shù)的快速發(fā)展，分布式供能系統(tǒng)供能對象已經(jīng)擴展為商場、??醫(yī)院以及機場等多種建筑類型。美國是世界上較早發(fā)展分布式供能技術(shù)的國家之??一，尤其在“加州大停電”之后，分布式供能系統(tǒng)建設(shè)速度得到進一步提升。計劃??到２０２０年，５０％的新建的辦公樓以及商業(yè)建筑均采用分布式供能技術(shù)。早在１９７９??年，歐洲部分國家就己經(jīng)開始頒布三聯(lián)供系統(tǒng)相關(guān)政策。目前歐洲已經(jīng)投運的分??布式供能項目超過整個歐洲電力供應(yīng)的１８％，在丹麥以及芬蘭等國家己經(jīng)達到??３０％以上。受限于國土面積以及資源分布等條件

供熱、通風以及制冷所帶來的建筑能耗增加ｎ６，１７］。??從１９７８年美國開始發(fā)展分布式供能技術(shù)以來，分布式供能技術(shù)發(fā)展己經(jīng)走??過４０余年，主要經(jīng)歷三個重要發(fā)展階段，如圖１．２所示。第一階段，基于能的??梯級利用原則，構(gòu)建以微小型動力為原動機的典型分布式供能系統(tǒng)。供能系統(tǒng)充??分體現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、環(huán)保以及供能可靠性強的特點。第二階段，構(gòu)建多能互補分布??式供能系統(tǒng)。傳統(tǒng)分布式供能技術(shù)成熟度高。與化石能源相反，可再生能源具有??不穩(wěn)定、能量密度低以及受到較強地域限制的缺點，兩者特點決定化石能源有很??強的互補特性。多能互補的分布式供能系統(tǒng)，通過供能系統(tǒng)內(nèi)天然氣與可再生能??源的互補利用，充分彌補單一能源時空分布不均勻的缺陷。第三階段，構(gòu)建分布??式能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在一定區(qū)域內(nèi)，將多個分布式供能系統(tǒng)構(gòu)成區(qū)域供能網(wǎng)絡(luò)，通??過整個區(qū)域大數(shù)據(jù)分析

圓??Ｃ分布式能源網(wǎng)絡(luò)??ｃ?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｎｅｔｗｏｒｋ??圖１．?２分布式供能系統(tǒng)發(fā)展歷程??Ｆｉｇｕｒｅ?１．?２?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｃｏｕｒｓｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｙｓｔｅｍ??分布式供能系統(tǒng)作為一種多能輸出、高效節(jié)能以及可靠穩(wěn)定的能源供應(yīng)方式??已經(jīng)被世界各地廣泛應(yīng)用。理想狀態(tài)下，系統(tǒng)按照額定設(shè)計條件，高效穩(wěn)定的輸??出多種能源以滿足用戶冷熱電需求［１８＿２１］。然而受到環(huán)境氣溫等外界條件變化的??影響，用戶的用能需求并不固定，例如在寒冷的冬季以及炎熱的夏季用戶熱負荷??以及冷負荷比較高，然而在過渡季節(jié)，用戶冷熱負荷很低，為了滿足用戶不斷變??化的負荷，分布式供能系統(tǒng)通常偏離設(shè)計工況運行，即所謂的變工況運行。這種??供能側(cè)與用能側(cè)不匹配將造成分布式供能系統(tǒng)熱力特性、環(huán)保特性以及經(jīng)濟特性??急劇變差。隨著分布式供能系統(tǒng)的快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，改善分布式供能系統(tǒng)??變工況特性變得越來越重要［２２，２３］。??針對前文中提到的分布式供能系統(tǒng)運行過程中供能側(cè)與用能側(cè)不匹配造成??的系統(tǒng)變工況運行熱力性能較差等問題，本文研究的分布式供能系統(tǒng)主動調(diào)控方??法提供了一種高效可行的解決方案。分布式供能系統(tǒng)可根據(jù)用戶的用能需求
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本文編號：2860248