多种可再生能源互补的冷热电联产系统构建与性能研究

【摘要】在能源供应日益紧缺的今天,合理利用能源,提高能源利用率已成为世界各国普遍关注的问题。目前在能源系统研究方面的热点是冷热电联产系统,但对利用可再生能源的冷热电联产系统的研究甚少,本课题提出了将太阳能经济集热技术、恒温厌氧发酵技术、微型燃气轮机发电技术、氨水吸收式制冷技术和微藻技术高度集成方案,构建了多种可再生能源互补的冷热电联产系统,研究了多种可再生能源互补的冷热电联产系统的性能,分析了关键参数对系统性能的影响。主要研究内容和结果如下：1.构建了多种可再生能源互补的冷热电联产系统,对系统性能进行了分析。系统中沼气池的容积为210m3,以牛粪为主要发酵原料,采用52℃高温发酵,日产气量420m3；加热沼气池的太阳能集热器热负荷为148.8kW；初产沼气再经过脱硫脱碳脱水后进入储气柜,此时的沼气中甲烷含量超过98%,以0.0024kg/s的质量流量进入微型燃气轮机,在燃烧室燃烧后推动透平做功,带动发电机输出30kW电力,尾气再经过回热器回收热量后以275℃排出；这部分尾气除了39.86kW用作供暖用途外,还可以驱动单级氨水吸收式制冷系统,选定发生器热负荷为15kW,可产生冷量5.85kW;以沼液为培养基,以微型燃气轮机尾气中C02为碳源可培养微藻,采用10m3跑道池培养,每天还可产生微藻14.93kg。整个系统的能源利用率为73.3%,相对于分供系统的能源节约率为36.5%。2.分析了部分关键参数对系统性能的影响。为保证多种可再生能源互补的冷热电联产系统的稳定运行,本课题使用ASPENPLUS化工流程模拟软件,分别对微型燃气轮机发电环节和氨水吸收式制冷环节进行模拟,得出了这两个环节的模拟数值,并与理论计算数值进行了比对。本文分析了太阳辐射、环境温度和沼气甲烷含量等关键参数对系统性能的影响。通过FLUENT软件,模拟了不同甲烷含量的沼气在燃烧室内的燃烧过程,得出了甲烷含量的改变对微型燃气轮机和整个系统的性能影响。3.对系统经济性能和全生命周期进行了评价。多种可再生能源互补的冷热电联产系统在解决农村能源问题上有显著作用,具有良好经济效益与环境效益。该系统静态投资回收期为10.1年,每年可处理鲜牛粪811.4吨,每年可以减少沼液污水的排放1825吨、减少C02排放128.18吨、减少H2S气体排放698.2kg、可获得单质硫657kg。本课题的创新点在于：首次提出了将太阳能经济性集热技术、恒温厌氧发酵技术、微型燃气轮机发电技术、氨水吸收式制冷技术和微藻技术高度集成方案,构建了多种可再生能源互补的冷热电联产系统,对系统的热力性能、经济性能和全生命周期进行了评价。多种可再生能源互补的冷热电联产系统,通过复杂的微生物过程将生物质能和不稳定的太阳能转换为稳定、高品位、高能量密度的沼气,并通过微型燃气轮机燃烧沼气发电,排出的尾气还可以驱动氨水吸收式制冷机或者向用户供暖,通过能量的梯级利用,实现能源的高效率转化和不同品位能量的输出。该系统能源利用效率高、污染低、成本少、灵活性强,可充分利用当地多种可再生资源等优点,尤其适合我国一些偏远地区的供能需求。总体来讲,多种可再生能源互补的冷热电联产系统可有效的实现能源与环境的可持续发展,是有前途的发展方向。本课题研究得到了国家863计划课题(2014AA052801)、甘肃省杰出青年科学基金项目(2012GS05601)、甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)、甘肃省教育厅项目(0803-06)、兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)的资助。
【作者】刘晔；
【导师】王春龙；李金平；
【作者基本信息】兰州理工大学，工程热物理，2014，硕士
【关键词】可再生能源利用；冷热电联产系统；系统构建；性能研究；

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