【《生物质能综合能源系统模型分析》4600字】

I生物质能综合能源系统模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u3662生物质能综合能源系统模型分析 156111.1生物质能综合能源系统建模 1159211.2生物质能综合能源系统子模块建模 293401.2.1生物质能ORC热电联产机组 2161221.2.2天然气热电联产机组 518731.2.3光伏模块 699891.2.4燃气锅炉 6238551.2.5制冷设备 7155051.2.6储能设备 8综合能源系统可集成利用各种能源（包括生物质能、太阳能等可再生能源），通过不同能源的耦合实现能源的梯级利用并减少污染物的排放。区域型IES系统中存在很多不同经济技术参数及性能变量的能源转换设备。其中的变量会对整个系统的规划及运行有着直接或间接的影响。因此，在进行系统规划和运行设计时，首先需要对系统中的各种设备分别进行数学建模及分析，再在此基础上进行整个系统的建模优化。本章重点对生物质CHP-ORC系统中的各个设备进行数学建模，为后文的系统规划配置及运行研究做好理论基础。1.1生物质能综合能源系统建模IES系统可以像用户端提供天然气、电能、热能、冷能等多种能源，因此系统中的设备多样且运行特性多变[55]。系统中的设备分为联供设备、可再生能源发电设备、储能装置、制冷设备、制热设备及辅助设备。本文提出的生物质能综合能源系统遵循“组分对口、分级转化、梯级利用”利用原则，系统流程图如图2-1所示。图2-1基于能源集线器的生物质CHP-ORC系统物理模型本文研究的生物质能综合能源系统是基于ORC的综合能源系统与生物质能利用的耦合。该系统基于用户端需求测响应，是将发电、供热、制冷合为一体的区域型综合能源系统。系统的发电设备主要包括外部电网、基于ORC的生物质能热电联产系统、天然气热电联产系统以及光伏发电系统。制热模块用来满足用户端的热负荷需求与吸收式制冷机的热耗需求；制冷模块由电制冷机（ElectricChiller,EC）和吸收式制冷机(AbsorptionChiller,AC)为用户提供冷能；储能设备包括蓄电池和储热罐。1.2生物质能综合能源系统子模块建模1.2.1生物质能ORC热电联产机组生物质热电联产能源转化技术体系主要分为一次能源转化技术和二次能源转化技术，主要技术见表2-1。系统的类型和配置将取决于生物质燃料的类型和最终用户的需求。由表2-1可知，中大型生物质热电联产系统主要采用直燃技术和汽轮机技术，ORC直燃技术广泛用于中小型热电联产。此外，斯特林发动机直燃技术和内燃机气化技术比较接近，但前者仅占上述的40%。表2-1列出了发达国家刚刚出现的热解、生物/化学、化学/机械工艺和其他转化技术在热电联产技术中使用生物质能的一般情况[43]。由于东北地区生物质资源丰富，包括生物质在内的混合能源系统供应稳定，经济效益高，适合东北地区的发展需求；生物质资源远离市区，采集和利用方便。且生物质能的小型热电联产系统得到了政府大力支持和企业投资，有关的研究和技术发展迅速。因此在城乡或乡镇区域最适合发展分布式小型生物质热电联产系统，尤其是在供热量需求量大的东北偏远村庄和农村社区。表2-1主要生物质能热电联产能源转化技术[43]第一级能源转化技术产物第一级能源转化技术产物直接燃烧技术高温蒸汽和热水ORC，蒸气轮机，斯特林发动机等电气化技术合成气燃料内燃机，燃气轮机，微型透平等能热解技术合成气和液体燃料内燃机能生物/化学过程甲醇，合成气内燃机热化学/机械过程生物柴油内燃机能与使用ORC的主要竞争技术是生物质气化：在该技术中，生物质转化为主要由H2，CO，CO2和CH4组成的合成气。该合成气经过处理和过滤以消除固体颗粒，最后在内燃机或燃气轮机中燃烧。当比较使用ORC和气化的生物质CHP的技术和成本时，可以证明气化涉及较高的投资成本（约75%）和较高的运行和维护成本（约200%）。另一方面，气化会产生更高的功率/热能比，这使得其利用更加有利可图[56]。还应注意的是，ORC是一种成熟的技术，而实际运行中的气化厂大多是用于演示目的的原型。综上，中小规模直燃技术与ORC的热电联产技术相结合，在中国需要冬季取暖的农区、县等地区适用性更强。生物质的成本大大低于化石燃料，但是，实现清洁的生物质燃烧所必需的投资比传统锅炉更为重要。对于小型分散式机组，电力的发电成本没有竞争力，因此需要将热电联产以确保投资的利润。因此，为了达到较高的能量转换效率，生物质热电厂的运行策略主要取决于用户端的热量需求[57]。利用热量作为副产品的可能性是生物质ORC的重要资产，这突出了这一点。可以满足例如当地供热需求的重要性通过工业过程（例如木材干燥）或空间供暖（通常为区域供热）[58]。由于热量相对难以长距离传输，因此生物质热电联产电厂大部分时间都限于6-10MW火力，相当于1-2MW电力。生物质直燃CHP-ORC系统如图2-2所示，来自燃烧的热量从烟道气在两个热交换器中以150至320℃之间的温度传递至传热流体（导热油）。然后将传热流回体引入ORC回路，以在略低于300℃的温度下蒸发工作流体。接下来，蒸发的流体膨胀，通过同流换热器对液体进行预热，最后在约90℃的温度下冷凝。冷凝器用于产生热水。为了减少烟气中的热损失，必须将这些气体冷却到可能的最低温度，只要不达到酸露点即可。为此，使用了两个传热回路：一个高温回路和一个低温回路。将低温回路安装在烟气的高温回路之后，以降低其出口温度（图2-2）。CHPORC系统中能量流与转化温度的关系如图2-3所示，尽管CHP系统的电效率受到限制仅为18%，但是系统的整体效率为88%，这比集中式电厂的效率高得多，在集中式电厂中，大多数残留的热量损失。生物质直接燃烧发电的能源利用率只有40%，而利用ORC的可以转化利用其90%的能量。加热的有机介质通过蒸发、分离、冷凝过程，将18%的能量用于发电，70%的能量用于供热，期间损失1.8%的能量，生物质的利用效率达到88%。图2-2基于ORC的生物质能热电联产模块系统图图2-3基于ORC的生物质能热电联产能量流向图生物质CHP出力模型可表示为：P（2-1）式中，PtεeηbmtfNCV同理，生物质CHP系统的热出力为：Q（2-2）式中，Qtεh1.2.2天然气热电联产机组燃气轮机(GasTurbine,GT)在CHP、CCHP系统中被广泛应用，其综合能量效率高且占地面积小。在应用中，燃气轮机除了可以满足用户端的负荷需求，还能参与到系统的调峰。由于燃气轮机的烟气余热温度较高，便于对余热烟气进行回收再利用。当气体进入燃烧室后与氧气进行反应，会产生大量高温流动气体，使燃气轮机的叶轮高速旋转，从而产生电力。产生的余热气体仍含有大量热量，约为200-300℃，通过余热回收装置回收后，它可以为需求端提供热量。作为关键设备之一的燃气轮机，其能量利用率通常可达75%～90%，而且尺寸小、重量轻、占空间少、节省空间。在安装过程中，可以在同一区域下配备的功率更大。在本文中增加了天然气热电联产系统，以方便与生物质热电联产系统进行比较分析。该数学模型考虑到可回收余热等参数，燃气轮机的一次能耗即机组出力受发电效率和装置回收热效率负荷水平的影响。装机功率由二进制参数优化决定。这更接近实际效果，而不是特定类型。在此不讨论动态特性，而是关注功率和油耗的静态特性。下面是一个考虑了燃气轮机输出功率特性与燃料消耗和设备功耗之间关系的燃气轮机数学模型：Ps,hQs,hα（2-5）式中，PGTQGTpoηelecηlossVGT——GT每小时的天然气消耗量（m3HNGs——季节；h——小时；α——GT的负载率（%）。1.2.3光伏模块由于其广泛的可用性和丰富的资源，太阳能正成为使用最广泛的可再生能源之一。如今，光伏发电技术(PV)和光热发电技术(CSP)得到广泛应用。太阳能发电系统，尤其是屋顶太阳能，因其易于与建筑物结合而被广泛应用于城市各个地区。其原理是太阳能通过半导体材料时，将太阳能转为电能。光伏发电特点如下：（1）PV电池板的结构较简单，安装周期短，广泛适用于各个区域；（2）光伏电池因无机械动力装置故工作时没有噪声，可安装于用户侧；（3）光伏电站以光伏电池为模块，容量可根据需求灵活调节；（4）光伏电池板安装方便，安装位置范围广，对农村或城市均适用；（5）光伏具有不稳定性和不确定性，发电量受安装地区的光照强度影响，使用时需配置发电补偿装置；本文使用的模型主要由与大型电网连接运行的太阳能电池防尘、蓄电池、充放电控制、逆变器、交流配电器及太阳能跟控系统等构成[59]。在设定好太阳能电池板最佳倾斜角后，依据冬季、夏季、过渡季典型日的太阳辐射强度进行探究实际问题。屋顶太阳光发电系统的输出功率受到可以安装太阳能电池板的面积的限制，屋顶太阳光的输出功率和太阳辐射强度成正比，数学模型如下：OE（2-6）0≤（2-7）式中，OEPVηPVNp——光伏板的数量（个）；θPV——光伏板的面积（m2SPV——光伏板可安装面积（m2δ——当地太阳能辐射量强度（kWh/m2）。1.2.4燃气锅炉燃气锅炉(Gasboiler,GB)是以气热耦合转换为主的一种供能设备，其消耗天然气以此满足热负荷需求，进一步加强了气热之间的耦合关系，其模型如下：q（2-8）式中：qGB,tVGB,t——GB在时段t的天然气消耗量（m3LNGηGB——燃气供热锅炉的热效率（%）；∆t——时间步长。1.2.5制冷设备（1）吸收式制冷机模块吸收式制冷机是实现余热制冷的重要技术，余热可通过CHP-ORC生物质系统在余热回收系统中将回收的余热转化为冷能。吸收式制冷机的数学模型如下：COs,hCOs,hα（2-11）COPs,h式中，COAC——AC的制冷功率（kW）；IEelec——耗电量（kW）；COPACCRACαACω1、ω2、ω3——AC的性能拟合系数。（2）电制冷机模块电制冷机作为一种较为先进的制冷技术，广泛应用于住宅楼、写字楼、商场、酒店、医院等建筑。本文假设电制冷机组功率系数为常数，电能消耗与制冷量呈线性关系，且制冷量不超过设计额定值。数学模型表示如下：COs,hCOs,h式中，COEC——EC的制冷功率（kW）；IEelecCOPECCREC1.2.6储能设备（1）储热槽模块在IES系统中，储热槽(ThermalStorageTank,TST)与蓄电池功能相似。储热槽对多余的热能进行存储，蓄电池对多余的电能进行存储。热电联