板式换热器及其热力系统的运行特性和高级分析

针对不同换热设备组合之间以及换热设备在系统中的分布情况进行了研究,建立了高级分析模型,将换热设备与系统的损进一步分割成不可避免性部分和可避免性部分,计算相应的损失和效率,确定换热设备与系统中能量损失的主要部位,并在有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统试验台中进行验证,为换热设备及其热力系统的运行优化提供科学依据。结果表明,不同的换热面积对换热设备的能效有着非常大的影响,同时常规分析和高级分析提出了不同的系统优化次序。高级分析表明,蒸发器可避免损占蒸发器损的41.2%～60.0%,冷凝器可避免损占冷凝器总损最高可达91%～97%,整个ORC系统有52.5%～66.3%的损可以避免,有很大的改造潜力,且发现不合理设计的管道也会影响ORC系统性能。     

基于SOFC/GT/TCO2复合动力循环和溴化锂制冷机的冷热电联供系统性能

提出了一种新型冷热电联供系统,通过TCO₂循环和溴化锂制冷机回收SOFC/GT循环的排烟余热,实现对外供冷、供热和供电。建立了联供系统热力性能的数学模型,对系统进行了能量分析和（火用）分析,并研究了空燃比、SOFC压力、CO₂工质流率、CO₂工质分流比和TCO₂泵出口压力对系统性能的影响。研究结果表明,在额定工况下,系统的净发电效率为70.79%,系统总（火用）效率为68.29%,综合能源利用率为108.5%。增大空燃比、CO₂工质分流比或降低SOFC工作压力、CO₂工质流率和TCO₂泵出口压力可提高联供系统的综合能源利用率;增大SOFC工作压力、TCO₂泵出口压力或降低空燃比可提高联供系统的净发电效率和总（火用）效率,随CO₂工质流率和CO₂工质分流比的增大,净发电效率和总（火用）效率先降低后增大。     

新型双压Linde-Hampson氢液化工艺设计与分析

为降低氢液化厂的生产能耗与投资成本,加快我国氢能商业化、民用化的发展,本文提出了一种采用液化天然气（LNG）预冷的新型双压Linde-Hampson（L-H）氢液化工艺系统。系统的设计液氢产量为5t/d,采用膨胀降温与换热冷却相结合的方法实现了对氢气的深冷。借助Aspen HYSYS软件对工艺流程展开了详细的模拟计算与分析,结果表明,该氢液化系统的比能耗为9.802,?效率为41.4%,系统的总?损失为1373.3kW,其中换热设备的?损失占主要部分;在对系统中关键参数进行的灵敏度分析中发现,氢气预压缩压力在2~4MPa范围内变化对液化系统的比能耗和氢气液化率影响较大,而LNG的加压压力对系统性能影响较小。新型氢液化工艺系统设备简单,投资成本较低,具备良好的液化性能,在未来中小型氢液化厂的建设中优势明显。     

非共沸工质换热匹配特性影响热泵性能的高级分析

针对非共沸工质非线性复杂相变传热过程,基于高级分析方法,推导出表征热泵系统性能的评估指标模型——温度匹配度（TMD）,探讨了非共沸工质与换热流体之间的换热匹配特性,实验验证了模型的准确性与适用性。选用了三组不同温度滑移程度的非共沸工质（M1、M2、M3）为对象,探究了TMD与换热夹点、系统COP、效率η以及换热器实际损占比ε之间的关系。结果表明：TMD越小,换热流体间的温度匹配越好,系统COP、效率越大,换热器实际损占比越小,反之亦然;且当TMD最小时换热器内夹点总是出现在饱和气态点处。     

纯电动车集成热管理系统性能的热力学分析

纯电动车集成热管理（ITM）系统能有效提高车辆的能量利用效率,然而兼顾电池、客舱热需求的集成热管理系统结构复杂,针对ITM系统的串联和并联两种构成形式,基于AMESim软件搭建系统仿真模型,从热力学的能量和角度比较分析两种系统的性能。结果表明：串联系统的性能系数和效率均明显高于并联系统,制冷模式下,分别平均高7.6%、23.6%;热泵模式下,分别平均高13%、7.6%。随着压缩机转速的增大,两种系统的部件总损失均明显增大,压缩机和室外换热器的损失成为主要损失,此外在并联系统中电子膨胀阀的损失占比较大。     

多能互补协同蓄能系统热力学分析与运行优化

提出了一种多能互补协同蓄能建筑供能系统,该系统将空气源热泵、水源热泵、太阳能热电联产组件以及蓄能技术（蓄冷、蓄热）有效结合,实现了可再生能源的高效利用与建筑的经济供能,利用热力学分析方法对该供能系统进行性能分析与运行优化研究。首先,通过能源监控平台收集该供能系统的实际运行数据建立了系统分析模型,并对冬季典型日工况进行了系统性能分析,结果表明系统运行稳定,其夜间蓄能平均COP和效率分别为2和32.24%,均高于常规系统。接着,通过分析系统冬季实际运行数据,总结出了各蓄能工况的运行规律,并制定了系统优化运行策略。最后,对该多能互补系统进行了热经济学评价,本系统单位面积供热费用仅为12.5 CNY/m²,年单位成本为2.16 CNY/kWh,且相较于常规空气源热泵直供系统和燃气热水锅炉供暖系统,本系统的动态回收期分别为3.66年和2.47年,经济效益优势明显,是值得推广的供能系统形式。     

液态生物质燃料重整及其在固体氧化物燃料电池中的应用

固体氧化物燃料电池（soild oxide fuel cell,SOFC）是一种清洁高效的发电装置,它可以利用氢气或碳氢燃料发电。液态生物质燃料是一种可再生碳氢燃料,它通过将生物质进行快速催化热解后,经过进一步催化加工制得,主要包括生物甲醇、生物乙醇、生物柴油及其副产物生物甘油等,将SOFC与液态生物质燃料结合,具有便携、清洁和高效等优点。本文分析了包括生物甲醇、生物乙醇、生物柴油以及生物甘油在内的液态生物质燃料的重整研究及其在SOFC中的应用进展,包括重整转化机理与效率、产物选择性、应用于发电存在的优势与难题等。通过对液态生物质燃料进行催化重整,可有效抑制SOFC直接使用液态生物质燃料发电存在的阳极积炭失活现象,从而提高发电效率,延长SOFC使用寿命。总结了目前液态生物质燃料直接用于SOFC发电的研究进展,提出了未来的研究方向,以期提高液态生物质燃料在SOFC中的利用效率和稳定性。     

我国生物质能应用有待进一步拓展

<正>11月17日,2015中国清洁燃料发展论坛在青岛召开。中节能(宿迁)生物质能发电有限公司副总工程师高伟表示,现代生物质能的发展方向是高效清洁利用,将生物质转换为优质能源,生物质发电是主流利用方式之一。据高伟介绍,现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦,该国BWE公司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术,并于1988年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。目前,生物质直燃发电技术也已成为欧洲     

3000kW生物质锥形流化床气化发电系统 工程设计及应用

本文主要论述了自主研发的3000 kW生物质锥形流化床气化发电机组工程,对气化发电系统的工艺过程、设备设计要点及系统运行情况分别进行了阐述。研究设计的气化发电系统工程运行结果表明锥形流化床气化炉操作弹性大,分布锥结构很好地改善了气体分布状况,最佳气化温度为710～740℃。系统运行数据表明:生物质耗量为1.77 kg/kWh,每公斤稻壳产气为1.62 Nm³,系统总效率为15%,发电机转化效率25%。     

基于SOFC/MGT/ORC的微型冷热电联供系统性能分析

提出一种基于SOFC/MGT/ORC的微型冷热电联供系统,首先建立并验证了联供系统数学模型,然后给出设计工况下联供系统的输入参数,重点分析在夏季工况下,燃料流率、燃料利用率、蒸汽碳比、压缩机压比等关键操作参数对系统性能的影响。结果表明,在夏季设计工况下,该联供系统发电效率及?效率分别为69.12%、64.4%,同时系统一次能源利用效率可达92.65%,比冬季设计工况高13.1%。     

火电机组余热梯级供热技术的综合分析

针对传统供热技术平均?效率低的问题,提出了乏汽余热梯级供热技术。该技术有效地利用了机组乏汽余热,并减少了汽轮机的冷源损失,避免了中排抽汽参数过高造成的能量损失,提高了机组供热经济性。以某电厂为例,本文基于热力学定律与单耗分析理论,建立了乏汽余热梯级供热系统的单耗分析模型,应用该模型对其进行了?分析和附加燃料单耗分析,为节能降耗提供了理论依据。分析结果表明,发电煤耗率由改造前的249.69g/(kW·h)降低到149.9g/(kW·h),降低了99.79g/(kW·h),机组供热负荷较由改造前的788.4MW增加到1673.9MW,增加了885.5MW;改造后传热温差在非严寒期只有7℃、严寒期为26.94℃,比改造前大幅降低;在非严寒期和严寒期,加热器蒸汽入口平均比?比改造前分别降低了524.73kJ/kg、418.2kJ/kg,供热系统的平均?效率比改造前分别提高了51.35%、32.58%,供热系统的平均附加燃料单耗分别为3.11g/(kW·h)、7.98g/(kW·h)。可见通过“乏汽余热梯级供热技术”改造后,节能效果显著,该技术具有广阔的推广应用前景。     

大型吸收式热电联产机组性能分析与对比

燃煤热电联产机组在电能与热能的协调和转换中起到至关重要的作用,并且在未来一段时间内仍是我国北方冬季采暖的主力热源。本文构建了包含电厂侧和热力站侧两部分在内的一种热电联产系统方案,并研究了机组背压、供给热电比、汽水系统?效率、热网换热器?效率、机组发电量、热网水泵功率在变工况下和单独改变供热功率、供水温情况下的变化规律,开创了电热价比的方法对电热两种捆绑式生产的热电联产机组来衡量其整体经济收益,最后通过热网水质量流量、热电比、背压、抽凝比和发电煤耗率这些指标将新方案与传统热电联产方案进行了对比。结果表明：对于热电联产机组,系统热力学参数随工况、供热负荷和供水温度变化呈现不同规律;本文新提出的电热价比方法能为热电联产机组提供运行决策和收益预测规划;新方案可通过提升热网供回水温差可以显著提高系统供热能力和能源利用效率：使得发电煤耗率减小3.22～7.00g/(kW·h),机组背压降低了65.07%,热网水流量减少了33.33%。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环（ORC）低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示：发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h^-1。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

基于膨胀机-热泵（st-hp）的大型吸收式热电联产机组集中供热方法

提出基于螺杆膨胀机-热泵（st-hp）的热电联产供热方法来挖掘汽水系统的余热余压利用潜力,实现了更好的节能效果和更高的供热功率,基于热力学第二定律和理论对主要新增元件在变工况下进行了?分析和分析。通过让中压缸排汽“余压发电、余热采暖”的手段提高集中供热能力;利用算法设计热力站处吸收式换热装置以提升一次热供回网水温差,并予以模型验证;以某600MW机组为算例,利用Ebsilon软件分析变工况下电厂侧新增主要供热元件效率和效率。结果表明：st-hp系统不仅能在不增加市政热网运输管径和机组出力的同时使供热量提高50%,而且满足部分厂用电需求;吸收式热泵和尖峰加热器的节能研究重点是提高热力循环的完善程度以减少?损;螺杆膨胀机和尖峰加热器应着重于提高传热过程中工质的速度场和温度场协同程度。运行工况对机组热经济性影响很大,热负荷不同时,发电煤耗率极差极小值和极大值分别为-5g/(kW·h)和22.97g/(kW·h)。     

Design and Optimization of an Innovative Solid Oxide Fuel Cell–Gas Turbine Hybrid Cycle for Small Scale Distributed Generation

Distributed power generation and cogeneration is an attractive way toward a more rational conversion of fuel and biofuel. The fuel cell‐gas turbine hybrid cycles are emerging as the most promising candidates to achieve distributed generation with comparable or higher efficiency than large‐scale power plants. The present contribution is devoted to the design and optimization of an innovative solid oxide fuel cell–gas turbine hybrid cycle for distributed generation at small power scale, typical of residential building applications. A 5 kW planar SOFC module, operating at atmospheric pressure, is integrated with a micro gas turbine unit, including two radial turbines and one radial compressor, based on an inverted Brayton cycle. A thermodynamic optimization approach, coupled with system energy integration, is applied to evaluate several design options. The optimization results indicate the existence of optimal designs achieving exergy efficiency higher than 65%. Sensitivity analyses on the more influential parameters are carried out. The heat exchanger network design is performed for an optimal configuration and a complete system layout is proposed. An example of hybrid system integration in a common residential building is discussed.     

低阶煤热解多联产与混合发电系统

中国煤资源中80%以上属于中高挥发分的低阶煤. 将煤炭进行热解分级,液体产物可转化为化学品和燃料油,气体产物可作为燃气或转化为天然气使用,固体半焦是洁净的固体燃料. 中国科学院过程工程研究所自1999年开始对煤热解分级高效利用技术的基础理论、工艺和设备放大等方面进行了系统研究,并在廊坊中试基地建立了煤处理量为10 t/d的煤热解燃烧中试平台. 采用该实验装置对多种低阶煤进行热解,结果表明,在燃用半焦的同时焦油产率为煤干重的6%?10%,热解煤气产率为煤干重的8%?12%. 介绍了过程所煤热解分级混合发电系统,并对该系统在燃煤发电厂的应用进行了技术经济分析.     

Status and Promise of Fuel Cell Technology

The niche or early entry market penetration by ONSI and its phosphoric acid fuel cell technology has proven that fuel cells are reliable and suitable for premium power and other opportunity fuel niche market applications. Now, new fuel cell technologies – solid oxide fuel cells, molten carbonate fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells – are being developed for near‐term distributed generation shortly after 2003. Some of the evolving fuel cell systems are incorporating gas turbines in hybrid configurations. The combination of the gas turbine with the fuel cell promises to lower system costs and increase efficiency to enhance market penetration. Market estimates indicate that significant early entry markets exist to sustain the initially high cost of some distributed generation technologies. However, distributed generation technologies must have low introductory first cost, low installation cost, and high system reliability to be viable options in competitive commercial and industrial markets. In the long‐term, solid state fuel cell technology with stack costs under $100/kilowatt (kW) promises deeper and wider market penetration in a range of applications including a residential, auxillary power, and the mature distributed generation markets. The Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) with its vision for fuel cells in 2010 was recently formed to commercialize solid state fuel cells and realize the full potential of the fuel cell technology. Ultimately, the SECA concept could lead to megawatt‐size fuel‐cell systems for commercial and industrial applications and Vision 21 fuel cell turbine hybrid energy plants in 2015.     

Electrical efficiencies of methane fired, high- and low- temperature fuel cell power plants

The important system difference between power plants based on low temperature and high temperature fuel cells is that gas reforming and shift conversion is thermally decoupled from the cell in low temperature cell power plants whereas the gas process steps are performed at close to the elevated fuel cell temperatures in high temperature fuel cell power plants. This article elucidates the consequences: assuming equal electrical efficiencies for the respective cells (50%) it is shown that thermal decoupling leads to energy and exergy losses and sizably lower electrical system efficiencies because heat for the generation of the process steam necessitates the combustion of methane. Also hydrogen losses in the step for preferential oxidation of carbon monoxide (Selox process) and several heat transfer steps add to the lower efficiency of low temperature systems. Low temperature fuel cell power plants need 15–17% more fuel than high temperature fuel cell power plants for the same amount of electric energy. The theoretical comparison of an adiabatic LT and HT fuel cell process reveals that, with postulated electrical cell efficiencies of 50%, the theoretical electrical efficiency of the LT process is 6–7% points lower than that for the HT-process (35 vs. 41%). For exergy efficiencies also taking into account rejected heats, the numbers read 43 and 58%.     

高背压供热汽轮机低压部分性能优化

汽轮机高背压供热方式可回收低压缸排汽余热,扩大机组的供热能力,减少高品位抽汽造成的可用能损失,能源转换效率高。供热季运行背压高,低压转子采用了双转子互换技术,低压转子结构的变化使低压部分热力特性发生变化。本文建立了300MW等级高背压供热机组热力系统模型,计算并分析抽汽参数变化对低压加热器附加单耗的影响,并通过参数优化降低供热季低压加热器附加单耗。获得五段和六段抽汽压力优化结果,降低了传热端差,使各级低压加热器温升分配合理,优化后机组发电功率增加507kW,?损减小575.5kW,整体附加单耗下降0.3121g/(kW·h)。以此为基础,进行高背压供热机低压通流部分热力计算,重新分配低压缸各压力级焓降,提高低压缸的通流效率。结果表明：通过对低压回热系统和通流部分优化,低压缸内效率提高至0.9250,机组发电功率增加3068.49kW。     

Simulation and Experiment of a Cogeneration System Based on Proton Exchange Membrane Fuel Cell

This project designs and simulates a cogeneration system of proton exchange membrane fuel cell using Matlab/Simulink software and Thermolib heat module components. The system not only satisfies the need for electric power, but also provides heat recovery for future uses, thus increasing energy transfer efficiency. PEM fuel cell‐based cogeneration system is introduced, including the hydrogen supply subsystem, air supply subsystem, load control subsystem, real‐time monitoring block, and heat recovery subsystem. The complete fuel cell‐based cogeneration system is constructed by assembling the fuel cell stack, fuel, coolant flow rate control system, and all the subsystems. In addition to the fuel cell experiment, influencing factors on the fuel cell‐based system, such as the fuel inhale rate, coolant flow rate, system temperature, fuel humidification, thermal efficiency, electrical efficiency, and combined heat and power (CHP) system efficiency, are analyzed and charted regarding different loads. In this system, with the power at 3 kW, the CHP efficiency reaches 64%. The CHP efficiency is 76.6% with the load power at 4 kW. When the power is at 5 kW, the thermal efficiency reaches 36.9% and the CHP efficiency reaches 82.9%.