摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1. 研究背景及意义 1

1.2.国内外发展现状 2

1.2.1.国外发展现状 2

1.2.2.国内发展现状 4

1.3.冷热电联供系统概述 5

1.3.1.冷热电联供系统特点 5

1.3.2.微燃机冷热电联供系统介绍 6

1.4.本文主要内容和工作 6

第2章 微燃机热力过程及建模 8

2.1.微燃机工作原理介绍 8

2.2.微燃机热力过程分析 9

2.3.微燃机热力过程数学建模 10

2.3.1.进气管模型 11

2.3.2.压气机模型 11

2.3.3回热器模型 12

2.3.4燃烧室模型 13

2.3.5透平模型 14

2.3.6.发电机模型 14

2.4.微燃机模型验证 15

2.5.本章小结 16

第3章 溴化锂制冷机工作过程及模型 17

3.1.溴化锂制冷机介绍 17

3.2.溴化锂制冷机建模 17

3.2.1.烟气制冷和补燃制冷分析 17

3.2.2.烟气制热和补燃制热分析 18

3.3.制冷机模型验证 19

3.4.本章小结 20

第4章 微型燃机CCHP系统性能分析 22

4.1. 微燃机输出功率对系统的影响 22

4.1.1.微燃机输出功率的变化对微燃机的影响 22

4.1.2. 微燃机输出功率的变化对制冷机的影响 24

4.2. 环境温度对系统的影响 27

4.2.1. 环境温度的变化对微燃机的影响 27

4.2.2. 环境温度的变化对制冷机的影响 29

4.3.本章小结 30

第5章 结论 32

5.1.结论 32

5.2.下一步工作展望 32

参考文献 34

致谢 36

摘要

研究和使用天然气等清洁能源技术是我国目前能源结构转型的迫切需要。微型燃机CCHP系统是以天然气为燃料的新型能源利用系统，其同时能满足用户冷、热、电的供能需求，一次能源利用率很高（有些场合一次能源利用率甚至超过80%）。鉴此，本文主要研究微型燃机CCHP系统的运行性能，概括来讲，本文主要工作如下：

（1）介绍微燃机工作原理，分析其热力学过程，对压气机、燃烧室、透平、回热器等部件进行热力学建模，对比相关文献或厂商数据，验证模型的可靠性，经验证本文模型误差在8%以内，具有较好的适用性可精确度。

（2）介绍溴化锂制冷机的工作原理，分析其热力过程，通过软件建立模型，对比相关文献或厂商数据，验证模型的精确度，经验证，本文建立的制冷机模型误差在8%以内，具有较好的适用性可精确度。

（3）当微燃机功率从75kW下降到25kW时，制冷量大约从102.5kW降到87.5kW,大约下降了14.6%，制冷机COP从0.75左右下降到0.747，系统PER从57.8%下降到46.3%，微燃机发电效率从27%下降到12%，下降十分明显，而COP的变化却很微小，可以看出PER的变化主要是由于发电效率的变化引起。

（4）当环境温度从10℃时上升到30℃时，微燃机效率从27.2%下降到24.2%，微燃机输出功率从83.5kW下降到65.8kW，制冷量从100.3kW上升到102.0kW，而COP从0.752降到0.736左右。总结原因：温度升高会削弱微燃机的工作效率，而此时又因为排烟流量和排烟温度呈相反的变化，这就使得制冷量变化幅度较小。

微燃机CCHP系统的一次能源利用率和微燃机的发电效率随着微燃机输出功率和环境温度的改变都会有对应变化，本文就是从此着手研究。

关键词：CCHP；微型燃机；制冷机；系统性能

Abstract

Research and use of natural gas and other clean energy technologies is an urgent need for China's current energy structure transformation. The micro-gas turbine CCHP system is a new energy utilization system fueled by natural gas. It can meet users' requirements of cold, hot and electric power supply at the same time. The primary energy utilization rate is very high (even more than 80% in some occasions). Therefore, this study mainly studies the operation performance of the micro-turbine CCHP system. In summary, the main work of this study is as follows:

（1）This study introduces the working principle of microgas turbine, analyzes its thermodynamic process, carries out thermodynamic modeling of compressor, combustion chamber, turbine, regenerator and other components, and verifies the reliability of the model by comparing relevant literature or manufacturer data. It is proved that the model error of this study is within 8% and has good applicability and accuracy.

（2）This study introduces the working principle of lithium bromide refrigerator, analyzes its thermodynamic process, establishes the model by software, compares the related literature or the manufacturer data, verifies the accuracy of the model, and proves that the model error of the refrigerator established in this study is within 8%, which has good applicability and accuracy.

（3）When the micro gas turbine power decreased from 75 kW to 25 kW, refrigerating capacity from 102.5 kW to 87.5 kW, about fell by about 14.6%, chiller COP decreased from 0.75 to 0.747, the system PER fell from 57.8% to 46.3%, micro gas turbine power generation efficiency decreased from 27% to 12%, decreased obviously, but the change of the COP was very small, you can see PER change is mainly caused by the change of the power generation efficiency.

（4）When the ambient temperature rises from 10℃ to 30℃, the gas turbine efficiency decreases from 27.2% to 24.2%, the gas turbine output power decreases from 83.5kw to 65.8kw, the cooling capacity increases from 100.3kw to 102.0kw, and the COP decreases from 0.752 to 0.736. Summary reason: temperature rise will weaken the working efficiency of micro gas turbine. At the same time, the exhaust gas flow and exhaust gas temperature have opposite changes, which makes the variation range of cooling capacity small.

The primary energy utilization rate and power generation efficiency of microturbine CCHP system will change correspondingly with the change of microturbine output power and environmental temperature. This study starts from this point.

Keywords: CCHP; Microturbine; Refrigerating machine; The system performance

第1章 绪论

1.1. 研究背景及意义

世界总人口正不断增长，多数国家人民的生活水平也随之持续提高，这就造成世界各地的能源问题日益加重，特别是我国的能源市场也面临着不小的压力^[1]。虽然我国的国民经济正稳步持续增长，但世界范围内的能源开发和利用也面临着严峻的挑战。作为全球能源的支柱,化石燃料的需求量和消耗量在这种经济日益增长的发展趋势下也持续增加，有相关能源机构做出预测，直至2030年，化石燃料占全球能源需求的比例依旧高达81%^[2-5]。

我国的能源十分丰富，贮藏总量可位列世界前三，但由于我国人口约占世界总人口的1/5，故而我国的人均资源占有量并未达到世界的平均水平。并且，我国目前的能源消耗仍旧以煤炭为主导，而世界能源结构的发展趋势是石油和天然气，特别是天然气的开发利用，这说明我国的能源结构在现在的形势下算不上合理，需要寻求转变。据统计^[6]，全球天然气的需求量年均增长2.6%，其中中国的需求量年均增长速度为7.6%，到2030年，我国天然气需求量将达到4.7×10¹¹立方米，而那个时候国内生产能力仅为2.7×10¹¹立方米，供求关系十分紧张。因此，为了应对这样能源匮乏，以及工业化生产带来的资源浪费、环境污染等问题，节能减排、开发和使用新能源以及清洁能源、促进能源可持续发展，实现能源的高效综合利用，是我国也是全世界要考虑的问题。

因此，在最近十来年，为应对世界范围内的能源短缺和环境污染资、浪费等问题，提高能源自给率水平，各个国家已掀起了绿色环保、低碳发展的能源转型浪潮，德、美、日等发达国家纷纷把清洁能源的开发和利用技术作为转型的方向^[7-8]。

分布式能源（Distributed energy resources）系统是靠近用户侧的能源阶级利用系统。一次能源主要是气体燃料，其次是可再生能源；二次能源以安置在居民用户端的冷热电多种形式供能为主，能直接满足用户多种能源形式的需求，中央能源供应系统还能提供支持和补充；对于环保问题，将污染分散化、资源化，以达到合理排放的目标 ；在能源的传输和利用方面，采用分区域布置，减少远距离供应的损失，很好地提高了能源利用时的安全性与便利性。

图1-1 典型微型燃机CCHP系统

冷热电联供系统（Combined Cooling, Heating and Power System—CCHP）是目前分布式能源系统中应用前景非常明朗的一种系统，同时也是一种十分具有实用性和发展潜力的形式。这种系统能够实现能量的阶级利用，也更加方便于可再生能源的有效利用，目前也是国内外学者研究的热点。这种系统的主要燃料是天然气，燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备是系统内的核心动力，系统运行产生的电供应满足用户的电力需求，排出烟气的余热通过余热回收利用设备(余热锅炉或者余热直燃机等)向用户供热、供冷，它的一次能源利用率最高可达80%以上。而微小型燃气轮机分布式供能系统（即微燃机CCHP系统）的能源利用率甚至高达90%，相比于其他的分布式系统，它对能源的利用效率更高，更有效地节约了能源。它的一种典型结构模式如图1-1所示。与此同时，微型燃机分布式冷热电联供系统大多采用清洁的一次能源，对环境的污染特性低，具有更佳的环保效果。考虑到如今能源的开发和利用现状，加大力度研究和发展能够同时提供冷、热、电负荷的微型燃机分布式供能系统对于建设和发展资源节约型和可持续型社会具有重大的能源战略意义，这也将是实现能源有效利用和节能减排的目标的重大举措之一^[9-10]。

1.2.国内外发展现状

1.2.1.国外发展现状

在国外，微型燃机分布式供能系统是一种比较成熟的能源供应技术[8]，许多国家都十分注重这项技术的开发，譬如美国、日本以及欧盟中的一些国家，都在积极开展相关技术的研究，并且都取得不错的成果，各有各的长处和特点，很值得我们参考借鉴。

美国基于能源开发和商业化发展的背景，做了许多冷热电联供（CCHP）系统的相关研究，由于这类系统的功能性使然，对它的研究极力促进了天然气、电力、供暖和制冷等行业的合作和发展。美国制定了一系列有关的战略实施规划，到2020年，实现半数的新建办公大楼和商务楼宇中都采用冷热电联供模式的目标，而且欲将现有的18%建筑中的供能系统改换成同样的联供模式。在楼宇分布式供能系统（Building Cooling Heating and Power system，BCHP）之中，本文所要研究的微型燃机分布式冷热电联供系统是最重要的组成部分。

在日本，政府部门十分支持节能项目工作，并且已经掌握了很先进的技术成果，项目成就也十分卓著。其中，以天然气为基础能源的微型燃机冷热电联供项目发展也非常为迅速，应用范围广泛。日本国内，已经建成超过千数的冷热电系统。

欧洲国家素来重视分布式能源系统的发展。英国大量采用天然气作为燃料进行发电，也大力发展楼宇式冷热电联产（BCHP）系统，这些已建成的分布式供能系统分布于英国各大场所，譬如大饭店、医院、综合性大学及学院、机场、商务大楼、大型商场等。另外，在技术的储备方面，Bowman公司作为世界上最先进的微型燃气轮机供应商之一，其公司内一种功率为80kW的GT80型号的微型燃气轮机随着回热器开启程度的不同的热电调节性能如表1-1所示，当多台GT80型联组，发电效率可以达到27%，热点综合效率亦能达到80%，并联机组也能对运行工况时的负荷波动具有比较好的适应性^[11]。

表1-1 Bowman GT80微燃机热电调节变换能力

丹麦、芬兰、荷兰都是在推进分布式能源系统工作上有着惊人成就领先国，其中丹麦是世界上该类系统推广力度最大的国家，素有“分布式能源王国”之称，在其国内的电力市场，分布式热电联产系统的发电量占比已经超过50%，然而丹麦的能源消耗并未有明显的增长，并且环境状况保持得不错，这与丹麦积极发展热电联产供能系统，科学地利用能源资源的一些列举措是密不可分的^[12]。

1.2.2.国内发展现状

我国目前的能源消耗，尤其是电力能源，主要是消耗煤炭资源来实现的，这也是由我国国内的能源开发利用的国情所决定的，我国的能源总的来说并不充足，利用效率也不高，因此当前需要发展高效的能源利用技术，来改善目前并不乐观的现状。这也是分布式系统逐渐为我国所关注的原因。

我国对于冷热电联供系统的开发和应用的起步较晚，也就是近来十几年的时间才逐渐发展起来的，相比于一些发达国家，我国的冷热电系统在规模与数量上都差之甚远。我国在此方面研究和应用所涉及的领域主要在工业和建筑高楼等，容量也以中小型容量为主。近年来我国一直鼓励发展这项技术，国家发展与改革委员会颁布了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》，明确了要以楼宇式分布和区域式分布这两类分布式能源系统为建设重点，旨在提高各相关方面的能源利用效率。在诸多鼓励下，历经十几年的探索和发展，我国的冷热电联供系统已初步成型。并且，伴随着我国天然气西气东输工程的大力发展，社会对能源品质的要求普遍提高了，各高校、企业和研究所对天然气冷热电联供技术以及与之相对应的机组、部件的开发和研究，也让更多以燃气轮机和内燃机为基础的冷热电联产技术不断涌现。近年来，我国的分布式能源项目陆续建成的有40多个，其中已经投放运行且具有较大影响力的项目主要有上海浦东机场、北京燃气集团指挥调度大楼、广州大学城、长沙黄花机场等^[13]。表1-2显示了上海地区微燃机联产系统示范项目调研情况。

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