（工程热物理专业论文）燃气机热泵仿真与优化匹配研究.pdf

摘要 燃气机热泵是一种高效节能、经济环保的新型供热空调装黄，国内对该装 置的研究刚刚起步。本文对燃气机热泵进行了较为全面的理论与实验研究，旨 在推动该技术在国内的研发及推广应用。主要研究内容如下： 改造与完善了燃气机水水热泵实验装置，对其进行了全面的性能测试。以 实验台为原型，建立了完整的燃气机水水热泵稳态仿真模型，开发了计算机仿 真软件，计算与实验结果的主要性能参数误差在1 0 以内。利用仿真软件，对 实验台的标准工况性能和变工况性能进行了模拟计算，结果表明燃气机热泵一 次能源利用率明显高于其它常用的供热空调装置，并且具有良好的变容量调节 能力和优越的部分负荷性能。对蒸发器、冷凝器和压缩机的匹配进行了研究， 分析了总传热面积以及传热面积分配比例对机组性能的影响，提出了它们的确 定原则。建立了燃气机与压缩机组优化匹配的理论与方法，提出经济性匹配与 动力性匹配的基本原则，同时阐述了利用发动机万有特性、燃气机热泵功率平 衡图、扭矩工况图、应用范围图分析研究燃气机热泵动力性和经济性的方法。 对烟水换热器烟气侧的流动与传热特性进行仿真研究，发现烟气侧的非定常流 动特征明显，提出应将动态方法用于发动机排烟换热器的匹配设计与模拟。利 用所编制的替代工质最优化选择软件，对适合于燃气机热泵的绿色环保工质迸 行了优化筛选与模拟计算分析，从理论上研究了几种h c s 和h f c s 工质及其混 合物应用于燃气机热泵的可行性。对由燃气发动机驱动的两种压缩吸收联合制 冷循环进行了理论优化研究，建立了以最大一次能源利用率为优化目标的数学 模型，利用该模型能够根据使用条件合理匹配各换热器的传热面积。 本文以实验和计算机仿真为主要研究工具，以优化匹配为主要研究目的，所 采用的方法和得出的结论可供燃气机热泵研究和设计时参考。 关键词：燃气机热泵，数学模型，仿真，优化匹配，替代工质，压缩吸收联合 制冷循环 a b s t r a c t t h e g a se n g i n e d r i v e nh e a t p u m p ( g e h p ) i s a h i 出p e r f o r m a n c e a n d e n v i r o n m e n t - f r i e n d l ye q u i p m e n tt h a tc a np r o v i d eh e a t i n go rc o o l i n g ，b u ta tp r e s e n t t h es t u d yo nt h eg e 肿i si n s u f f i c i e n ti nc h i n a t oa c c e l e r a t et h ep r o c e s so f r e s e a r c h a n d d e v e l o p i n c h i n a , t h i sp a p e rc o n d u c t e dat h e o r e t i c a la n d e x p e f i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o nt h eg e h p t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h eg e h pt e s t b e dw a sr e c o n s t r u c t e d ，a n di t sd e t a i l e dp e r f o r m a n c e sw e r et e s t e d a n i n t e g r a t e dm a t h e m a t i cm o d e lo fg a se n g i n ed r i v e nw a t e r - t o w a t e rh e a tp u m pw a s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h i st e s t - b e d ，a n das i m u l a t i o np r o g r a mw a sd e v e l o p e d a c c o r d i n g l yi nc o m p a r i s o n 诵血e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h es i m u l a t i o ne r r o r so fm a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw e r ep r o v e d t ob ew i t h i n1 0 u s i n gt h es i m u l a t i o n p r o g r a m ， t h ep e r f o r m a n c e so ft h eg e h pi ns t a n d a r dc o n d i t i o n sa n dv a r i a b l ec o n d i t i o n sw e r e c a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r i m a r ye n e r g yr a t i o ( p e r ) o ft h eg e h pi s o b v i o u s l yh i g h e rt h a no t h e rc o n v e n t i o n a lh e a t i n ga n dc o o l i n ge q m p m e n t s ，a n dt h e p a r tl o a dp e r f o r m a n c eo f t h eg e h p i se x c e l l e n t o p t i m u mm a t c h i n go f t h e e v a p o r a t o r , c o n d e n s e ra n dc o m p r e s s o rw a ss t u d i e d 1 1 1 ea f f e c to f t h et o t a lh e a tt r a n s f e ra r e , lo f t h e e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e ra n dt h ea r e ar a t i ob e t w e e nt h e m t ot h eu n i t sp e r f o r m a n c e w e r ea n a l y z e d t h em e t h o dt od e t e r m i n et h et o t a la r e aa n da r e ar a t i o 榔p u tf o r w a r d t h e o p t i m u mm a t c h i n gt h e o r y a n dm e t h o db e t w e e nt h e g a se n g i n ea n dt h e c o n d e n s i n gu n i tw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so f e c o n o m i cm a t c h a n dd y n a m i cm a t c hw e r ep u tf o r w a r d a tt h es a l t l et i m et h em e t h o dt oa n a l y z et h e e c o n o m i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h eg e h pw i t he n g i n eu n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i c c l i r v e ，g e h pp o w e rb a l a n c ef i g u r e ，t o r q u e c o n d i t i o n sf i g u r e ，a n da p p l i c a t i o nr a n g e f i g u r ew e r ei l l u s t r a t e d t h es i m u l a t i o nf o rt h ee x h a u s tg a sh e a te x c h a n g e r i n d i c a t e s t h a tt h ec h a r a c t e ro fu n s t e a d yg a sf l o wi so b v i o u s s oi ti sc o n c l u d e dt h a tt h ed y n a m i c m e t h o ds h o u l db eu s e di nd e s i g n i n ga n ds i m u l a t i n gt h ee x h a u s tg a sh e a te x c h a n g e r u s i n gt h es o f t w a r ep a c k a g ed e v e l o p e di nt h i sw o r k f o ro p t i m a lc h o i c eo fa l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t s ，s o m ep o s s i b l ee n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y a l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t s f o r g e h pw e r es e l e c t e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c e su s e di ng e h pw e r es i m u l a t e d t h e f e a s i b i l i t yo fs o m eh c s ，h f c s a n dt h e i ra z e o t r o p i cm i x t u r e su s e db yt h eg e h pa r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t w os o r t so fc o m b i n e da b s o r p t i o n c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o n c y c l e s d r i v e n b y ag a s e n g i n e w e r ed i s c u s s e di nt h el a s t c h a p t e r a no p t i m a l m a t h e m a t i c a lm o d e lw i ma no b j e c t i v ef u n c t i o no fp e rw a sp u tf o r w a r d u s i n gt h i s m o d e l ，t h eh e a te x c h a n g ea r e af o re a c hh e a te x c h a n g e rc a nb ea s s i g n e dp r o p e r l y a c c o r d i n g t ot h eg i v e ne x t e r n a ls i t u a t i o n o p t i m u mm a t c h i n go ft h eg e h pi s m a i ns t u d yo b j e c to ft h i s p a p e r 、i t ht h e e x p e r i m e n ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na s m a i nt o o l s t h em e t h o d sa n dc o n c l u s i o n s m a y b e h e l p f u lf o rt h ei n v e s t i g a t i o n a n dd e s i g no f t h eg e h r k e y w o r d s ：g a se n g i n ed r i v e nh e a tp u m p ( o e h r ) ，m a t h e m a t i cm o d e l ，s i m u l a t i o n , o p t i m u mm a t c h i n g ，a l t e r n a t i v e r e f r i g e r a n t ，c o m b i n e da b s o r p t i o n c o m p r e s s i o n r e f r i g e r a t i o nc y c l e i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑磊落翻目 签字日期：加尹年，月多曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纭弋睁匆司 签字日期：2 卯尹年月歹曰 导师躲物舱 签字日期：加铲年月厶日 第一张绪论 1 】研究背景 第一章绪论 在可持续发展战略目益得到全人类广泛关注的今天，节能和环保已成为世 界性的两大前沿课题。天然气是目前世界上最清洁的常规能源之一，并且储量 丰富，其合理开发与利用已经得到世界各国的普遍重视。2 0 0 1 年统计的世界能 源消费结构中，天然气已占2 2 4 。但我国在天然气领域的发展却相对比较落 后，目前仍以燃煤为主，据统计，1 9 9 8 年全国天然气产量2 2 3 亿立方米，天然 气消费量2 2 1 亿立方米，在能源消费结构中仅占2 1 ，2 0 0 1 年产量增加到3 0 3 亿立方米，消费量3 0 2 亿立方米，在能源消费结构中比例提高到2 9 6 ，仍然 远远低于世界平均水平。当前，为了适应能源与环保的发展需求，我国己确定 把开发利用天然气作为调整能源结构、改善大气环境的一项重要举措。 近年来的探测结果表明，我国拥有较丰富的天然气资源。根据第二轮全国 油气资源评价结果，中国天然气资源量为3 8 0 4 万亿立方米，其中陆上6 2 个盆 地和地区的天然气储量2 9 9 万亿立方米，海上盆地大多集中在南海和东海，总 计8 1 4 万亿立方米。2 1 世纪我国天然气发展将进入黄金期。据预测，天然气需 求量将增加到2 0 0 5 年6 4 0 亿立方米、2 0 1 0 年9 5 0 亿立方米和2 0 1 5 年1 8 5 0 亿立 方米。在能源消费中比例将分别提高到3 6 1 、6 0 2 和1 0 0 8 。总投资2 0 0 亿美元的“西气东输”工程是我国目前的重点工程之一，作为主供气源的塔里木盆 地，至2 0 0 1 年底，获国家储委批准的探明天然气地质储量5 2 6 7 亿立方米，可 采储量3 7 2 5 亿立方米，可保证西气东输工程年供气1 2 0 亿立方米，稳定供气2 0 年。作为启动气源的长庆气区，至2 0 0 1 年底，获国家储委批准的探明天然气地 质储量达7 5 0 4 亿立方米，成为全国储量规模最大的气区。目前确定管道全线天 然气加权平均价格为每立方米1 2 9 元，有着明显优势。另外，俄罗斯和中国签 署了天然气供应初步协议，可望于2 0 1 5 年输送到中国沈阳、北京、大连等地。 可见，天然气在我国是极有发展前景的洁净能源，其在总能耗中所占的份 额将越来越大，目前迫切需要解决的是如何提高其在能源消费结构中的比例以 天津大学博士论文 及如何实现对这种优质能源的高效合理利用。 随着我国经济的飞速发展及人民生活水平的不断提高，人们对生活和工作 环境的舒适度要求愈来愈高。近1 0 年是我国制冷空调行业蓬勃发展的时期，制 冷空调工业产值平均年增长率达2 0 ，个别年份和某些产品甚至达到3 0 。我 国每年用于采暖、空调的能源消耗很大，但目前所用的供热空调设备普遍存在 能源利用率低、污染严重等问题，给环境与能源供应造成很大压力。如何使采 暖空调系统既经济节能，又低污染排放，在我国已成为一个很重要的现实问题。 燃气枫热泵是利用燃气( 主要为城市管道天然气) 发动机驱动蒸汽压缩式 热泵，同时回收发动机废热，实现冬季供热、夏季供冷的供热空调装置。该装 置既可用于民用中央空调或户式空调，也可为生产工艺提供冷热水，是一种应 用面广、高效节能、经济环保的高新产品。 燃气机热泵同其它常用的制冷供暖设备相比主要具有如下优点： 1 ) 节约能源 燃气机热泵是一种高效节能的供热空调装置，能够高效利用天然气这高 质清洁能源。燃气机热泵是基于蒸汽压缩循环，它用高效率的燃气发动机代替 了普通热泵中的电动机，发动机将燃料的能量直接转换成了压缩机所需要的机 械功，避免了电力生产及输送过程的层层转换以及在电动机中的能量转换损失， 同时由于能够有效回收发动机气缸套冷却水、润滑油以及排烟的废热，因此在 一次能源利用率方面具有明显优势。前期研究表明【l 】：与燃煤锅炉、燃气锅炉或 直燃型吸收式机组、电动压缩式热泵相比，燃气机热泵供热的一次能源利用率 可分别提高1 1 0 、7 5 和3 3 以上。一次能源利用率的提高直接导致了运行费 用的降低，按我国目前的能源价格计算，燃气机热泵全年单位建筑面积的运行 费用只有电动热泵的7 5 一8 5 ( 不考虑分时电价，如果考虑分时电价，燃气机 热泵的优势无疑将更加明显) ，直燃机的6 0 - - 7 0 。虽然燃气机热泵的初投资 稍大，但其总费用( 包括初投资及运行费用) 仍然低于除燃煤锅炉外的其它所 有供热空调形式。 2 ) 有利于环境保护 当前人们的环境保护意识正在不断增强。人们普遍认识到经济的高速增长 不应以牺牲环境为代价，经济与环境应该协调发展。天然气是一种清洁低碳燃 料，几乎不含硫、粉尘和其它有害物质，在燃烧过程中不产生灰渣，燃烧后的 排放物较少，能够减少温室气体及大气污染物的排放总量。表1 1 为煤、石油、 第一张绪论 天然气三种常规燃料燃烧后的污染物排放比较圜。由表可以看出，天然气燃烧后 基本不产生s o 。，同对n o 。和c 0 2 的排放量与煤和石油相比也较低。燃气机热 泵以天然气为能源，因此，推广使用燃气机热泵有利于保护大气环境。 表1 - 1 煤、石油、天然气燃烧后的污染物排放比较 3 ) 有利于改善电力与燃气的峰谷平衡 随着我国人民生活水平的提高，各类供热空调装置正以空前的速度获得普 及。2 0 0 2 年全国平均每百户城镇家庭拥有空调器台数达到5 1 1 台，而1 9 9 6 年 仅有6 台。目前所用的空调装置绝大部分是由电力驱动的，空调耗电是夏季 城市总耗电量的主要部分，而且其所占比重必将越来越大。以上海市为例翻，1 9 9 9 年夏季用电高峰负荷达到9 0 1 3 万k w ，其中空调用电3 2 5 万k w ，占3 6 ；2 0 0 0 年夏季用电高峰负荷达到1 0 4 7 6 万k w ，其中空调用电量达3 9 0 万k w ，占3 8 5 ； 2 0 0 2 年夏季用电高峰负荷达到1 2 4 2 万k w ，其中空调用电5 3 6 万k w ，占4 3 1 2 。 而1 9 9 9 年冬季电力最高负荷为7 0 0 万k w ，仅为夏季用电量的7 8 。2 0 0 3 年夏 季，我国华东、华中、华南等地持续高温，用电负荷接连创历史新高，共有1 9 省市拉闸限电，全国各地区累计拉闸限电超过1 4 万次。为了满足夏季电力空调 的需要，需耗费大量的电力设备投资费用( 我国火力发电厂及输配电设施建设 总投资，目前每k w 电力需万元以上) ，另外还造成发电设备年负荷利用小时数 的下降。目前世界上许多国家，包括中国的许多城市已经或将要实行分时电价， 大幅度提高用电高峰时期的电价，目的就是要限制夏季高峰时期的空调用电量。 而燃气负荷与电力负荷正好相反，燃气负荷在夏季处于全年的低谷。还以上海 市为例【引，1 月份城市煤气乎均最高e 1 用气量为6 2 9 万立方米，而用气量最低的 8 月份，平均日用气量仅4 7 0 万立方米，夏季用气只有冬季的6 8 左右。而天然 气田、气井的采气量一般是均匀的，要求冬季和夏季的最大波动量不超过2 0 。 燃气机热泵具有冬季供热、夏季供冷的双重功能。推广使用燃气机热泵，既有 利于减少夏季用电量，填平电力设备的季节峰谷差，也增加了夏季燃气管网及 天津大学博士论文 设备的利用率，同时由于其比燃气锅炉、直燃机等供热设备高得多的一次能源 利用率，冬季供热时的燃气消耗量也比上述设备低的多，因而有利于解决燃气 冬夏季节的产供不平衡，起着削峰平谷的作用。 4 ) 一机多用，节省设备与机房初投资 由于我国特殊的地理环境，大部分地区冬季需要采暖，夏季需要空调。燃 气机热泵通过阀门切换，能够方便的实现冬季供热、夏季制冷，一机两用，减 少设备投资和机房面积。另外还可以根据需要同时供应生活热水、开水或蒸汽， 同时需要空调和热水的用户( 如宾馆、医院等) ，可以不必安装锅炉或者减小锅 炉的装机容量，降低初投资。 5 ) 容量调节容易，变负荷性能好 由于内燃机良好的调速性能，可以很容易地通过调节发动机转速来调节压 缩机输气量，同电动热泵机组相比，对它进行控制实现变速( 变容量) 调节比 较方便。另外供热( 冷) 温度稳定，调节精度高。同时也可以保持机组部分负 荷运行时的高效率，减少开停损失。由于空调供热设备9 0 以上的时间是在部 分负荷下工作，燃气机热泵优良的部分负荷运行性能，使其季节性能系数远远 高于其它的供热空调装置。 6 ) 供热量大，供热温度高 由于回收了发动机的废热，使热泵制热运行时的供热量增加，还可将回收 的余热用于驱动吸收式制冷机制冷，增加制冷运行时的输出量。另外，由于回 收余热，在冷凝温度相同的情况下，燃气机热泵的供热温度比电动热泵高。 7 ) 除霜容易 空气源机组冬季供热运行时，利用发动机废热除霜，可以减少或免除制冷 剂逆向流动融霜，提高了机组供热质量和运行可靠性，降低融霜损失，提高了 供热季节性能系数，并且能够在更低的环境温度下运行，空气源燃气机热泵在 环境温度3 5 c 时仍可使用，适合于我国绝大部分地区，扩大了热泵机组的应用 范围。 燃气机热泵同其它制冷供暖设备相比优势是比较明显的，但是它的应用取 得大的发展却是最近几年的事，其中一个主要原因是因为近期燃气机技术的发 展保证了燃气机的运行周期更长。现在燃气机的运行寿命可达2 0 0 0 0 6 0 0 0 0 小 时，以普通用户为例，每年平均运转约2 0 0 0 4 0 0 0 小时，燃气机热泵的服务寿命 可达1 0 2 0 年。 第一张绪论 综上所述，燃气机热泵是一种既经济节能，又满足环保要求的新型供热空 调装置，推广使用燃气机热泵对保护环境和合理使用能源具有重要意义，因此 可以预见，随着人民生活水平的提高和国家能源与环保政策的调整，该装置在 国内的大面积推广应用已指日可待。 1 2 燃气机热泵技术的研究及发展状况 1 2 1 国外 目前，燃气机热泵技术在日本，美国及欧洲等发达国家已比较成熟，应用 也非常普遍，最初以大型机组为主，至8 0 年代中后期已实现了中小型空气源机 组的商业化批量生产，并且得到燃气公司、电力公司以及政府的鼓励与资助， 发展迅速。 燃气机热泵技术的研究始于2 0 世纪四十年代。前苏联的b a 兹辛在1 9 4 7 年就提出了用煤气机来驱动热泵的设想。安装在英国泰晤士河畔皇家庆典礼堂 里的燃气机热泵可能是有记载的最早应用的燃气机热泵 3 1 ，该装置为冬天采暖、 夏天制冷，采暖负荷为2 7 m w ，热源为泰晤士河的河水，制冷时产生4 c 的冷 水，燃气机额定功率为5 2 2 k w ，装置实际一次能源利用率达1 5 。 7 0 年代末至9 0 年代初是国际上燃气机热泵研究的一个高潮期，这段时期各 国研究者制造了大量样机，对其应用于各种场合进行了详细测试，为燃气机热 泵的商业化生产奠定了基础。s a m vs h e l t o n l 4 介绍了一种家用燃气机热泵机组的 设计、安装和实验情况，机组的供热季节性能系数为1 - 4 7 ，整个系统的噪音为 6 3d b a 。英国的i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h & d e v e l o p m e n t 有限公司【5 】研制的高温燃 气机热泵以r 1 1 4 为工质，燃气机的功率为7 5 k w ，转速1 1 0 0r m i n ，热源为6 0 8 0 的水，可生产1 1 0 的水蒸汽，一次能源利用率达1 5 ，废热回收率为7 1 。 o g u r am a s a o 等【9 j 介绍了世界上第一台商业化的直接膨胀式燃气机热泵，机组共 有3 台室内机和一台室外机组成，制冷量和制热量分别为4 6 5 k w 和4 7 8 k w 。 p w e l s b y 等l l 0 】建造了一台家用大小的燃气机水水热泵，对其稳态性能进行了实 验研究。j r m o r g a n 等【1 1 对安装在华盛顿地区的一台燃气机热泵进行了相关实 验研究，实验结果表明：供热季节性能系数在1 2 5 1 5 4 。k t a i r a 1 4 详细介绍了 他们开发的2 5 r t 一拖四燃气机热泵的结构、设计要点以及控制系统，由于发动 天津大学博士论文 机废热的有效回收，提高了发动机的供热量，降低了运行成本，改善了寒冷气 候下的供热量和c o p ，并且无需融霜加热。t k a n e k o 1 5 1 等介绍了一种4 r t 的燃 气机热泵结构及其供热性能，该系统在环境温度为7 时供热量是电动热泵的 1 5 倍，1 0 。c 时是1 6 倍。g a n o w a k o w s k i 等1 1 6 介绍了一种商用燃气机热泵的 基本运行原理和设计要点，该机组在许多城市的实测数据表明：供热季节性能 系数在1 2 1 5 ，制冷季节性能系数在0 ，弘1 1 。g a r yn o w a k o w s k i 等【”j 介绍了一 种小型分体式燃气机热泵系统，在纽约、芝加哥等十个城市对该系统的现场测 试结果表明：供热季节性能系数在1 0 4 1 5 4 ，制冷季节性能系数在0 9 3 m 2 2 。 发动机是燃气机热泵的关键部件，有学者对其进行了专门研究。tk a n e k o 等【1 5 】介绍了他们将工业柴油机改造成燃气机所采取的一些主要措施，改造后的 燃气机寿命达到2 0 0 0 0 小时以上。i n a d 扎m 等【6 j 对适应于3 r t 2 0 r t 燃气机热 泵的发动机进行了专门研究，探讨了适用于燃气机热泵的各种发动机的性能， 对燃气机热泵发动机的选择、设计和改进具有重要参考价值。 在燃气机热泵的热力学分析及建模研究方面：d d c o l o s i m o 【7 】以热力学第 二定律为基础，探讨了燃气机热泵的概念、发展及经济性；r w r a s m u s s e n 等瞄】 建立了民用和商业应用的燃气机热泵的热力学模型。并用来评价其控制策略， 对启停和瞬态制冷剂流动进行了描述，并与实验相论证，给出了减少损失的建 议：r er u s k 掣1 2 1 开发了发动机模型，并与f i s c h e r 和r i c e 开发的空气- 空气热 泵模型组成燃气机熟泵模型，用该模型对两个不同气候环境下运行的内燃机热 泵在一个典型供热季节的季节性能系数进行了模拟计算。 在燃气机热泵的运行与维护方面：t , y o k o y a m a 【i 3 】对安装在日本东京地区的 约1 4 0 0 0 台燃气机热泵运行维护过程中所发现的故障原因进行了分类整理，发 现燃气机的故障率最高( 占3 9 5 ) ，其次是控制系统( 占2 3 0 ) 和制冷循环 系统( 占1 3 9 ) ，根据对所出现问题的分析研究，提出了相应的应对措施和设 计上的建议。 在燃气机热泵的性能测试标准方面，s h e r w o o d qt a l b e r t 等i l 剐对与家用燃气 机热泵相关的测试与评估方法进行了搜集整理与综述，k i r b ys c h a p m a n 等”叫 对几个可能在制定燃气机热泵排放标准时有用的排放测试标准进行了评述。 第一张绪论 1 2 , 2 国内 由于受国内过去的能源政策、技术经济环境、能源供应状况及价格等因素 的制约，燃气机热泵技术以前在国内没有得到应有的重视，发展落后，目前国 内市场上还没有该类国产产品。为了应对国外厂商的挑战，提高国内供热空调 产品的竞争能力，抢占燃气机热泵产品在国内的市场，尽快研制开发具有独立 知识产权的燃气机热泵产品已是迫在眉睫。 我国的燃气机热泵技术研究开始于上世纪8 0 年代，天津大学热能研究所在 国内率先开展了此方面的研究，目前已在国内外发表与燃气机热泵相关的研究 论文1 0 余篇 1 , 2 0 - 3 2 】。 随着国家能源结构和能源政策的调整、环境保护要求的目益严格以及人民 生活水平的不断提高，燃气机热泵在国内推广应用的时机已经成熟，在此背景 下，天津大学热能研究所在天滓市科学技术发展计划攻关计划项目和天律大学 “2 1 1 工程”项目资助下，于1 9 9 9 年开始对燃气机热泵项目展开了新一轮研究。 本所于2 0 0 1 年成功建造了一台汽油发动机驱动的水水热泵实验装置，并配备了 先进的测量仪表和计算机数据采集系统，得出系统热泵工况下的特性曲线，并 根据变速特性总结出内燃机驱动热泵系统特有的性能田】。实验台中的发动机在 2 0 0 2 年改为天然气汽油两用燃料发动机，其它部分亦作了相应完善，具体结 构将在本文第二章介绍。 文献 3 4 1 运用集总建模方法，建立了单元式空气一空气燃气机热泵的基本热 力学动态仿真模型，运用仿真模型对模糊控制策略应用于燃气机热泵进行了仿 真分析。文献1 3 5 1 采用集总分相建模法建立了燃气机水，水热泵枫组动态特性数 学模型，提出了负荷预测、模糊控制、p i d 控制、s m i t h 预估控制相结合的智能 变容量控制方案，根据实际情况进行了不同工况的仿真研究。文献【3 6 】采用分布 参数方法，建立了燃气机热泵稳态和动态仿真数学模型，从理论上对制冷和制 热两种运行工况进行了稳态模拟分析，对燃气机热泵系统开机、停机的瞬态特 性进行动态模拟。文献 3 7 1 对燃气机热泵进行了热力学第一定律分析、娴分析、 能级分析和热经济学分析。 哈尔滨工业大学从理论上分析了燃气热泵式冷热水机组冷热源温度对其制 热性能系数和一次能源利用系数的影响【3 9 】；对采用国产制冷机及部件设计制造 天津大学博士论文 的风冷燃气机热泵实验系统进行了调试、试运行及运行特性测试【4 0 l 。华中科技 大学以典型的燃气机驱动冷热电联供系统和燃气机驱动热泵为例，对冷热电联 供系统进行了技术经济分析【4 l 】。上海交通大学通过数值模拟，对燃气机热泵的 初级能量利用系数进行了计算分析 4 2 1 。上海7 0 4 研究所在分析国外文献的基础 上研究了燃气机热泵的运行性能，发现燃气机热泵具有良好的部分负荷特性 4 ”。 总之，国内虽已在燃气机热泵方面进行了一些卓有成效地研究工作，但从 机组开发的角度考虑，在系统优化匹配等关键技术方面的研究尚亟待加强。事 实上，由于种种原因，能够搜集到的国外专门论述这些关键技术的相关文献亦 极少。 1 3 本文的主要研究内容、意义及方法 1 - 3 1 主要研究内容和意义 1 ) 改造与完善现有燃气机热泵实验装置，对燃气机热泵的动态与稳态性能进行 实验研究，并探索与掌握其运行规律与操作规程： 2 ) 在实验研究的基础上，建立燃气机热泵数学模型，开发计算机仿真软件，并 将计算结果与实验结果进行比较，验证模型的可靠性，对模型中的相关参数进 行调整： 3 ) 利用计算机仿真软件全面分析燃气机热泵在标准工况和变工况下的性能： 4 ) 利用计算机仿真软件分析研究燃气机热泵主要子系统之间的优化匹配技术， 提出一套优化匹配的方法和原则，用于指导燃气机热泵的设计与运行： 5 ) 利用计算机仿真软件对适应于燃气机热泵装置的绿色环保工质进行优化筛选 和循环性能模拟计算研究。 6 ) 对燃气发动机驱动的压缩吸收联合制冷循环进行优化研究，探索进一步提高 燃气机热泵能源利用效率的途径。 1 3 2 研究方法 由上述研究内容可以看出，燃气机热泵数学模型的建立和计算机仿真软件 的开发与使用是本文的主线。也是本文的主要工具，即利用计算机仿真技术， 第一张绪论 研究燃气机热泵性能及其各子系统之间的优化匹配问题。仿真( s i m u l a t i o n ，亦 称为模拟) 是用一个能代表所研究对象的模型去完成的某种实验，通常分为物 理仿真和计算机仿真t 4 “。本文所说的仿真，指的是计算机仿真。 传统的供热空调产品设计过程主要依赖样机的反复制作与调试，产品开发 周期长，费用高，而且往往难以达到产品的最佳性能，不利于节材节能。通过 计算机仿真与优化技术的应用，用计算机仿真代替部分样机实验，并通过对相 关参数的反复调整与模拟计算。首先在计算机上面实现产品的优化设计，然后 将仿真结果反映到产品设计中，无疑是供热空调产品设计方法现代化的发展方 向【4 4 l 。本文尝试运用计算机仿真技术辅助燃气机热泵装置的研发，以加快该技 术在国内的开发速度，为其推广应用奠定基础。 虽然文献 3 4 3 6 均从不同角度出发建立了燃气机热泵仿真模型，但这些模 型有一个共同的缺点是发动机模型过于简化，难以满足实际需要，另外这些文 献中的燃气机热泵模型均未经过实验验证，其可靠性无法考证。本文从性能分 析和优化匹配的实际要求出发，建立了较为完善的天然气发动机模型。为了保 证计算速度和稳定性，对蒸发器、冷凝器等部件模型作了适当简化。本文的建 模宗旨是突出实用性，包括计算的稳定性和能够接受的计算速度与仿真结果的 准确性。与实验结果的比较证明，仿真的总体效果令人满意，主要性能指标误 差一般在1 0 以内。 根据不同的分类标准，燃气机热泵有多种型式，如按发动机类型分有：内 燃机式、斯特林发动机式、燃气透平式等，按压缩机类型分有：往复活赛式、 涡旋式、滚动转子式、螺杆式、离心式等，按换热器类型分有：翅片管式、壳 管式、套管式、钎焊板式等，按热源与供热介质的组合方式分有：空气空气热 泵、空气水热泵、水水热泵、水空气热泵、土壤空气热泵、土壤水热泵等， 按供热温度分有：低温热泵、中温热泵、高温热泵等，按功能分有：单纯制热 型、交替制冷与制热型、同时制冷与制热型等，按安装形式分有；单元式、分 体式、现场安装式等。不同形式的燃气机热泵所采用的部件不同，特性亦有所 差异，要建立一个通用的仿真模型或一套通用的分析理论是不可能的。本文是 以本研究所建造的燃气机热泵实验装置为原型展开研究的，希望能对同类型的 燃气机热泵优化设计和运行有一定指导意义，当然所采用的方法和得出的结论 对其它形式的燃气机热泵亦具有参考与借鉴价值。 天津大学 尊士论文 1 4 本章小结 本章首先分析了我国目前的天然气资源状况，供热空调领域的现状和发展 趋势，以及燃气机热泵在节能、环保、改善电力与燃气的季节峰谷平衡等方面 的优势，指出燃气机热泵是一种具有发展潜力的供热空调装置，应加快其在国 内的研发过程。对燃气机热泵技术在国内外的研究和发展现状的分析表明，燃 气机热泵技术在一些发达国家已比较成熟，已实现了商业化批量生产，而国内 发展相对落后，尚无批量生产，应加强优化匹配和自动控制等关键技术的研究。 最后介绍了本文的主要研究内容、意义和方法。 第二章燃气机热泵实验台简介 第二章燃气机热泵实验台简介 根据课题研究的需要，天滓大学热能研究所在天津市科委的资助下于2 0 0 1 年成功建造了一台汽油发动机驱动的水水热泵实验装置，该实验装置是按产品 样机标准设计建造的，并配备了先进的测量仪表和计算机数据采集系统，可对 相关性能进行较全面的测试。根据实际运行效果和经验，2 0 0 2 年对实验台进行 符号说明：睁流量计；9 温度传感器；甲压力传感器；* 阀门； 图2 1 燃气机热泵实验台系统示意图 1 发动机；2 - 压缩机：3 冷凝器；4 蒸发器；5 - 热力膨胀阀；6 - 储液器；7 - 烟一水换热器： 8 气缸套冷却水换热器：9 一天然气瓶；1 0 一冷凝器水箱；1 1 一蒸发器水箱；1 2 - 水泵 1 3 - 表面冷却器；1 4 电磁离合器；15 转速扭矩仪；1 6 一视液镜；1 7 一干燥过滤器；1 8 一汽油箱。 天津大学博士论文 了改造，重点改造了水路系统、传动装置和发动机( 由汽油机改为天然气汽 油两用燃料发动机) ，并根据课题需要增加了部分测点，重新校核了热电偶及压 力传感器等。作者参与了从建造到改造的全过程。 2 1 实验台组成 图2 。2 燃气机热泵实验台外形图 实验台的系统示意图如图2 1 所示，实验台本体的外形如图2 2 所示根据 作用不同，整个实验台可分为四个子系统：燃气机热泵系统、热源系统、燃料 供给系统和数据测量与采集系统。 燃气机热泵系统：这是本文的研究主体，主要包括自然吸气式四缸发动机、 开启式活塞压缩机、钎焊板式冷凝器、储液器、视液镜、干燥过滤器、热力膨 胀阀、钎焊板式蒸发器、混合式汽缸套冷却水换热器、管壳式烟- 水换热器等部 件。 热源系统：本系统的目的是为燃气机热泵创造一个所需要的外部运行环境。 主要包括冷凝器水箱、蒸发器水箱、表面冷却器、蒸发器水泵、冷凝器水泵以 第二章燃气机热泵实验台简介 及连接管道等。根据作用或温度的不同，在热源系统中循环流动的水可分为冷 水与热水两部分：冷水在蒸发器水泵的驱动下，在蒸发器水箱和蒸发器之间循 环流动，将热量由蒸发器水箱带到蒸发器；热水在冷凝器水泵的驱动下，在冷 凝器水箱、冷凝器、汽缸套冷却水换热器、烟水换热器之间循环流动，将冷凝 器热量和发动机回收的余热带到冷凝器水箱。 燃料供给系统：由于发动机为天然气汽油两用燃料发动机，因此燃料供 给系统又包括汽油供给系统和天然气供给系统。汽油供给系统主要由汽油箱、 燃油滤清器、化油器和输油管路等组成。天然气为压缩天然气( c n g ) ，供给系 统为机械式，主要由储气罐、电磁阀、减压调节系统、气体燃料混合器、输气 管路等组成。减压器把2 0 m p a 的高压天然气减为o 1 2 k p a ，并利用发动机缸 套冷却水对其加热，克服减压节流时产生的低温冷冻现象。混合器将天然气和 空气混合，能够满足在任何工况下始终向发动机提供最佳空燃比的空气和天然 气。 数据测量与采集系统：本系统的目的是全面测试燃气机热泵系统在各种工 况下的各种性能参数，主要包括压力、温度、流量、转速、扭矩等传感器以及 各种显示仪表和计算机数据自动采集系统，可以设置采样时间，自动扫描，数 据实时采集、处理、显示和报警。 实验台的具体结构及各部件参数在文献 3 3 1 和文献 3 7 1 中已经作过详细介 绍，本文不再赘述。 2 2 实验目的 1 ) 测试燃气机热泵在多种稳态工况下的性能，用于验证所建立的稳态仿真模型 的可靠性与精度，并为燃气机热泵各部件之间的优化匹配研究积累实践经验。 2 ) 测试燃气机热泵的变负荷性能，特别是发动机节气门开度与制冷制热量之间 的关系，节气门开度变化规律对转速和制冷制热量变化规律的影响，用于探索 燃气机热泵的实际运行规律。 3 ) 探索燃气机热泵的操作方式、程序，特别是开、停机规程和规律，为燃气机 热泵的运行、操作与维护积累实践经验。 天津大学博士论文 2 3 实验内容和方法 根据上述实验目的，此次实验的主要内容是测试燃气机水水热泵实验系统 在各种稳态工况下的性能，以及开机过程和节气门开度突变工况下的系统动态 性能。 判断系统是否达到稳态的标准是系统主要参数( 包括发动枧节气门开度、 转速、扭矩、冷水进出口温度、热水进出口温度、蒸发压力、冷凝压力、吸气 温度、发动机缸套冷却水温度等) 基本不随时问变化，在实验时实际采用的判 定标准是：节气门开度不变，压缩机转速波动不超过1 0r m i n ，冷水和热水出 口温度随时间的变化波动不超过o 2 c ，蒸发器出口工质压力和冷凝器进口工 质压力波动不超过1 。实验时发现，节气门开度与冷热水温度中的任一参数 的改变都将引起系统的不稳定，大约需要3 0 一6 0 分钟系统才能再次达到一个相对 稳定的状态。 实验步骤如下： 1 ) 开蒸发器水泵、冷凝器水泵和表面冷却器风机，调整水流量和空气流量到要 求值； 2 ) 启动数据采集系统，开始记录各测量点参数； 3 ) 调整互掺水流量，至两水箱水位基本稳定； 4 ) 发动机起动，怠速运转数分钟，将发动机冷却水温提高到6 0 。c 以上，观察低 压表指针应无异常波动： 5 ) 吸合电磁离合器，同时加大节气门开度，注意掌握时机与幅度，否则可能发 生发动机转速突降而导致发动机熄火； 6 ) 固定节气门开度，观察压缩机转速、冷热水温度、压缩机进出口压力等主要 参数，当这些参数的变化符合上述稳定工况判定标准时，再让数据采集系统 依次扫描所有的数据通道5 次并记录，取最后5 次记录的平均值用于计算系 统的