基于内燃机余热梯级利用的冷热电联供系统特性及优化运行研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文基于内燃机余热梯级利用的冷热电联供系统特性及优化运行研究学校：上海交通大学专业：制冷及低温工程学号：0120209105博士生：王加龙导师：吴静怡教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年5月PhDDissertationSubmittedToShanghaiJiaoTongUniversityRESEARCHONTHECHARACTERISTICSANDOPTIMALOPERATIONOFACCHPSYSTEMBASEDONWASTEHEATCASCADEUTILIZATIONOFINTERNALCOMBUSTIONENGINEByPhDCandidate:

2、WangJialongAdvisedbyProf.Dr.WuJingyiInstituteofRefrigeration&CryogenicsSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityMay2015上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：

3、2015年5月29日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密√。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2015年5月29日日期：2015年5月29日摘要基于内燃机余热梯级利用的冷热电联供系统特性及优化运行研究摘要内燃机型冷热电联供系统以其良好的节能性、经济

4、性和部分负荷特性而在建筑供能领域受到广泛重视。但现有系统框架仍有不完善之处，制约了其性能的充分发挥和进一步提升。现有针对内燃机型冷热电联供系统的研究中，普遍侧重于设计优化和评价分析，对余热梯级利用的内在热力过程和匹配机制重视不够。在余热梯级利用方面，余热制冷性能仍然不高，烟气余热热利用的潜力未得到充分挖掘；在优化运行方面，缺少对系统能量输出特性的深入阐释，缺少对系统并网且上网优化运行策略和性能分布的研究。针对这些问题，本文基于内燃机余热梯级利用构建了一类冷热电联供系统框架，从能量输出特性、热力匹配机制、全工况性能仿真、实验性能验证和并网优化运行等五个层次逐步展开了深入研究，形成了一套针对内

5、燃机型冷热电联供系统余热梯级利用和并网优化运行的理论。具体如下。首先，构建了内燃机型冷热电联供系统框架并研究了其余热梯级利用和能量输出特性。对能量转换过程进行了对比分析，论证了其余热利用的潜力；基于能量转换建立了系统能量输出域模型，阐释了从一维到二维的能量输出域特性，分析了并网运行对系统能量输出域的拓展作用；就能量输出域在实际运行中的应用进行了分析。然后，针对系统内余热梯级利用的热力匹配问题进行了研究。研究了烟气余热深度回收降温特性和不同夹点下的出水温度范围；对n级和n效吸收式制冷循环原理进行了阐释，从热力学角度推导出了解吸温度下限表达式，为不同循环匹配不同品位的余热提供了理论依据；通过对

6、吸收式制冷循环进行综合分析，论证了单、双效循环对于内燃机两种余热第I页摘要梯级利用的合理性；进而对单、双效耦合的混效吸收式制冷循环原理进行了研究，揭示了其在内燃机余热匹配过程中的热力制约机制。继而，通过仿真研究了系统在制热模式和制冷模式下的全工况特性。建立了烟气余热深度回收和温差发电相结合的烟气余热梯级利用制热模式模型，仿真结果发现该模式最高可提升16%的热量输出和1.18kW的电力输出。建立了内燃机余热驱动的混效吸收式制冷仿真模型，给出了其设计算法和非设计工况下的仿真算法。研究表明，混效吸收式制冷可以适应内燃机的全工况余热特性，制冷COP处于0.77~0.96之间。对制热模式和制冷模式的

7、节能性和经济性进行了评价。制热模式下的ESR和CSR分别可达0.303和0.417，制冷模式下的ESR和CSR分别可达0.166和0.348，均较常规冷热电联供系统有大幅提升。进而，开展了200kW发电量的内燃机型冷热电联供系统实验验证研究。对混效吸收式制冷机的运行特性进行了测试，研究了系统从开机到稳定的动态运行过程及伴随的若干现象，并揭示了相关机理。对五组发电工况下的制冷性能进行了实验研究，并与仿真结果进行了对比。实验