文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
燃气发动机驱动热泵机组的运行特性及动态仿真
姓名:张荣荣
申请学位级别:博士
专业:制冷与低温工程
指导教师:顾安忠;鲁雪生
20050620
燃气发动机驱动热泵机组的运行特性及动态仿真摘要随着我国经济的不断发展,空调已经作为一种必需品广泛地进入了人们的工作和生活环境。然而,大量的空调负荷给电力供应带来了巨大的压力。电力峰谷差逐年攀升,造成峰时供电量不足和谷时发电效率下降等多种不利因素。而天然气作为一种高效、清洁的能源正成为继煤和石油之后的第三大能源。这种电力紧张局面的日益加剧和能源结构的变化,使得天然气在制冷空调领域的应用受到了普遍的关注。燃气发动机驱动热泵机组,,本文简称为“燃气机热泵”且恢忠匀计⒍6Φ恼羝顾跏饺缺米爸谩Kò以天然气为能源,辅助以少量的电力,实现制冷和制熟的目的,因而在电力和燃气消费中具有“削峰填谷”的作用。同电驱动热泵相比,燃气机热泵具有一次能利用率高、部分负荷特性好等优点。因此,燃气机热泵的开发和推广应用受到了制冷空调领域的重视。本文以上海市科委重点攻关项目“燃气发动机热泵与建筑热环境设备研制与应用”为背景,对燃气机热泵进行了一系列的研究和试验工作,主要包括燃气机热泵的系统研制、运行特性研究、仿真研究,以及节能性和经济性研究。在燃气机热泵的研制过程中,重点解决了燃气机热泵系统中发动机与压缩机的匹配和发动机余热回收这两个关键性问题。通过试验获得了天然气发动机全面的动力和余热特性数据,并结合压缩机特性数据,对上述两个问题进行了分析和研究,确保了燃气机热泵的可靠和高效运行。燃气机热泵运行特性的研究是本文研究的重点之一。本文主要通过试验的方法进行燃气机热泵的运行特性研究。运行特性的研究包括机组稳态特性和动态特性两个方面。在机组稳态运行特性的研究中,主要针对燃气机热泵的变工况特性和热回收特性进行了研究。分析了变工况条件下机组整体的运行特性和部件的运行特性,同时对发动机余热对系统运行特性的影响进行了分析。通过不同工况下的试验,获得了变转速下系统制冷和制热运行特性变化规律。而通过对发动机余热回收和不回收两种工况比较发现,余热利用可以大幅提高系统的制热量和一次能利用率。在机组的动态运行特性试验研究中,主要对机组的启动和变工况过程中机组的动态特性进行了研究。通过启动过程的试验发现,燃气机热泵在启动过程中转速有较大的波动。这种转速波动对系统的启动特性产生一定的影响,而且会造成机组的不可靠运行,需要加以控制。此外,通过试验,对不同启动转速下申请上海交通大学博士学位论文—
扰动情况下机组的动态变化进行了研究,获得了机组主要参数在干扰作用下的动态变化规律。启动过程和变工况过程的动态特性试验为燃气机热泵控制系统的设的耦合关系,理清了部件之间的参数关系。对发动机的仿真过程提出了一种准稳计算。结果表明,燃气机热泵在供暖季节具有明显的节能性和经济性,制冷季节到能源价格的变化,本文还分析了电力和天然气价格变化对燃气机热泵经济性的机组的启动过程进行了比较分析。在变工况动态特性中,对转速扰动和空调负荷汁提供了必要的数据。此外,通试验发现,即使在稳态运行过程中,由于发动机的不稳定性、热泵系统本身的特性以及转速控制环节的作用,燃气机热泵的各个参数一直处于周期性的波动状态。在试验研究的基础上,本文进一步对燃气机热泵进行了理论研究。在/平台上建立了燃气机热泵动态数学模型。建模过程中,重点分析了燃气发动机、余热回收一散热系统和热泵系统这三者之间在热力和动力上态汁算办法,既满足了热泵计算时间的要求,又充分考虑了发动机热力过程的特点,突出了燃气机热泵的热回收特性。通过集中参数法对发动机工作过程及其热咽收及散热系统进行了建模,通过分相集中参数法对热泵系统换热器进行建模,通过稳念方法对热泵系统压缩机和膨胀阀进行计算。仿真结果与实验结果的对比农叫,燃气机热泵动念模型具有较高的准确性,可以用来进行机组运行特性的分析和控制系统的设计。燃气机热泵的节能性和经济性是普遍关心的一个问题。本文最后对这一问题进:了研究分析。采用动态能耗计算方法,对上海和北京地区的两幢办公楼,在分别采用燃气机热泵和电驱动热泵的情况下所消耗的天然气和电力资源进行了燃气机热泵和电驱动热泵的能耗和运行费用基本相当。在上海地区使用时,燃气机热泵比电驱动热泵全年能节约%,%的运行费用。此外,考虑影响,得到了上海和北京地区燃气机热泵和电驱动热泵运行费用的电力一天然气价格半衡线,为燃气机热泉的推广应用提供一定的价格参考依据。关键词:燃气机热泵,运行特性,动态仿真,节能性和经济性摘要
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