能量利用系统的构形热力学优化理论——研究进展与太阳能驱动热电冷氢联产系统优化应用初探

首先介绍了有限时间热力学、构形设计和构形热力学优化等热学优化新理论的起源和最新研究进展;其次介绍了这些新理论在热力循环和部件性能优化中的应用研究进展;然后基于能量的高效梯级利用,提出了基于太阳能和燃料补能的能源供给方式,集成燃气轮机循环、超临界二氧化碳布雷顿循环、有机朗肯循环、吸收式制冷循环和制氢过程,建立太阳能驱动热电冷氢联产系统新构型;最后对此联产系统新构型的构形热力学优化作了初步探讨。核心是围绕联产系统的“热-电-冷-氢”协同优化机理及调控机制、热力部件“流-结构-性能”的耦合演化规律与传热和热功转换强化机理、联产系统的能量高效梯级利用与多参数构形热力学优化三个关键科学问题,考虑子循环串/并/混联三种模式,综合运用理论解析、数值计算和实验验证的方法,开展联产系统的有限时间热力学优化、热力部件的构形设计、联产系统的构形热力学优化、三种联产系统优化结果的综合比较,实现联产系统热力部件与热力循环性能的一体化全局优化,促进形成一种多联产总能系统能量梯级利用优化理论的思路与框架,服务“双碳”战略。

基于多种可再生能源的多联产系统优化配置研究

为提升基于多种可再生能源的多联产系统整体性能,合理的容量配置至关重要.针对基于太阳能、生物质能和空气能的多联产系统,以一次能源节约率最大化、费用年值节约率最大化和二氧化碳减排率最大化作为优化目标,以光伏光热一体化组件、内燃机、空气源热泵的容量为决策变量,采用改进的多目标遗传算法,利用优劣解距离法求解系统最优容量配置.同时,通过算例验证优化模型的可行性,并研究系统经济性能对成本参数的敏感性.结果表明,优化方案在能源、经济、环境各方面都表现出很好的性能,系统的一次能源节约率为29.07%,费用年值节约率为58.15%,二氧化碳减排率为54.30%,且厌氧发酵环节的成本参数对系统经济性能影响较大.

多种可再生能源互补的多联产系统性能研究

为了在满足乡村多层次用能需求的同时实现乡村生态环境的可持续发展,以甘肃省兰州市50户新农村建筑为研究对象,构建了一个由生物质能、太阳能及空气能互补的冷热电气肥多联产系统。分析了系统的运行性能,并从能源、经济和环境3个方面与传统分供系统进行比较,最后分析了各经济参数对系统经济性能的影响。结果表明:相对于传统分供系统,该系统的一次能源节约率为34.25%,费用年值节约率为48.82%,CO_(2)减排率为76.79%;动态资本回收期为6.08 a,而沼液价格是影响最大的经济参数。研究结果说明了多联产系统在农村的可行性,对农村可再生能源的高效利用和环境保护有一定的参考价值。

基于超临界二氧化碳的动力系统及多联产系统研究进展

超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力系统因其结构紧凑和效率高的特点被认为是未来极具前景的动力循环之一,是解决能源高效转化和促进动力系统小型化的关键途径。该文综述了当前S-CO_(2)动力系统及多联产系统的研究进展,总结并分析了S-CO_(2)动力系统及S-CO_(2)冷热电联供系统的特点。分析结果可为S-CO_(2)动力系统及其多联产系统的构建和未来的研究提供参考。

煤基化工与动力多联产系统开拓研究

煤气化发电－甲醇联产系统是一种建立在能的梯级利用概念基础上，融合了ＩＧＣＣ动力系统与甲醇生产流程的新颖的多联产总能系统。本文对多联产系统进行了开拓性研究，基于能的品位原理揭示多联产系统能量转换的本质及基本规律，并通过联产系统与分产系统的比较，指出联产系统高效、灵活与清洁等特点．

丙烷化学链氧化脱氢丙烯-氢气联产系统研究

丙烯是重要的化工原料,丙烷化学链氧化脱氢技术是一种低成本、无污染的丙烯制备方式。本文针对丙烷脱氢制备丙烯的性能进行计算探究,利用热力学软件HSC Chemistry 6.0探究了丙烷化学链氧化脱氢阶段不同脱氢反应温度、反应压力对丙烷转化率、丙烯选择性、乙烯选择性、产物物相、产物浓度等的影响。研究结果表明,丙烷转化率随温度的升高而升高,丙烯选择性随温度的升高而降低,乙烯选择性随温度的升高而升高,最终选择脱氢温度580℃、反应压力1 bar。

化工动力多联产系统及其集成优化机理

系统集成优化理论是发展多联产系统的最重要核心科学问题,本集体依托国家重大科研项目开展相关研究,得出部分阶段成果:概述化工动力多联产系统的基本概念、本质特征与特点,阐述研究提出的多联产系统集成原则思路与体现这些原则的优化整合手段,以及从系统集成构成层面把多联产系统分为5类基本类型(简单并联型、综合并联型、简单串联型、综合串联型和串并联综合型等),列举实例及分析其主要特征等。

煤基多联产系统热力与经济性分析

化工动力多联产系统作为一种高效和清洁的能源系统而备受关注。该文对3种不同集成特征的煤基化工动力多联产系统的热力和经济性能进行分析,揭示了多联产系统节能效果对系统经济性的影响关系。采用成本节约率CR作为系统经济性能的评价准则,合成反应新气无调整和合成过程未反应气部分循环的多联产系统能够取得最高的成本节约率为11.8%,是系统设备投资节约与系统节能效果均衡的结果,其中化工岛与动力岛之间能量利用的耦合改善了系统热力性能,起到关键作用。研究成果为多联产系统从技术和经济角度进行综合评价提供了分析方法。

双气头多联产系统的Aspen Plus实现及工艺过程优化(Ⅰ) 模拟流程的建立及验证

通过流程模拟对煤基多联产系统进行过程优化是一种低成本、高效率的研究方法。通过稳态流程模拟软件Aspen Plus建立了二甲醚和电力为主要目标产品并副产甲醇的煤基多联产系统流程。采用气化煤气与焦炉煤气混合气作为气头,以达到利用焦炉煤气中高浓度甲烷、下一步工艺调整氢碳比并实现温室气体减排的目的。模拟流程中包括了空分、煤气化及净化、CH4/CO2重整、产品合成、燃气轮机联合循环发电等多联产系统中的5个主要工艺单元,涉及化学反应的CH4/CO2重整单元和二甲醚合成单元通过嵌入包含特定反应动力学参数的动力学子程序进行模拟。多联产系统综合考虑了化学反应的动力学和热力学,系统总体及各工艺单元物料、能量衡算一致,各个单元模拟数据与文献实验数据吻合。在建立流程的基础上,计算比较了热值加和效率与当量发电效率,发现考虑能量品质的当量发电效率更适合联产液体燃料和电能的多联产系统的评价。

甲醇/电联产系统能耗特性

以一次能源消耗为统一基准推导了联产系统相对分产系统的相对收益、相对节能率和节能判据关系式。得到以化电比和联产系统效率表达的节能分区图,可以清楚地展示和比较国内外文献中多联产系统的节能效果。根据联产系统中合成气的不同利用途径,定义了联产气和非联产气,并据此建立了联产系统化电分摊的理论模型。以并联液相富CO一次通过多联产系统为例,对联产系统的节能原因进行了分析。结果表明:全系统的热量耦合是联产系统节能的主要原因。

太阳能甲醇重整制氢-发电联产系统

基于不同用能系统整合和能的综合梯级利用思路,研究提出一种新颖的太阳能甲醇重整制氢-发电联产系统。将太阳能甲醇重整制氢与发电有机整合,不仅合理地利用中低温太阳能,同时实现甲醇重整制氢弛放气的综合利用。新的联产系统具有优良的热力性能,化石能源的相对节能率达到29%,制氢单位能耗降低为0．85 GJ/GJ-H_2。研究表明,减小能量转化传递过程的品位差和合理利用太阳能热是系统节能的关键所在。研究成果将为太阳能多功能能源系统发展提供新方案与新思路。

双气头多联产系统的火用经济优化与分析

为探究多联产系统工艺条件、单元操作参数对系统经济性能的影响规律,实现以经济性能为第一考虑因素的工艺过程参数的优化,文中构建了产品的火用经济成本模型,通过对系统经济性能与生产过程工艺条件、单元操作参数间内在关系的认识和分析,建立对应关系,并将其作为经济优化的目标函数。以目前正在进行中试建设的合成气与富甲烷焦炉煤气为气源的"双气头"多联产系统为例,说明该经济优化模型的应用与优势。优化后系统产品单位火用经济成本从73.84减小到69.17 RMB/GJ;碳元素转化率达到61.45%,火用效率达到62.48%,较优化前分别提高了3.40个百分点和5.82个百分点。火用经济分析结果表明:产品火用经济成本降低的根本原因是化工过程参数的优化提高了化工过程与动力过程的耦合程度,能量利用效率最低的发电模块的火用耗系数从优化前的2.478降低到1.785。

生物质气化-天然气重整-甲醇动力多联产系统特性分析

本文根据生物质能源具有的自身特点,提出一个适合生物质能源利用的新型多联产系统。在原有天然气基甲醇生产系统中增加生物质气化子系统,充分利用天然气-水蒸气重整与生物质气化制取合成气中碳氢有效成分互补的特点,通过合理配气满足最佳的甲醇合成要求,因此屏蔽掉了变换,补碳,脱碳等分产必需的工艺过程,同时借助动力系统实现未反应气的合理利用,在满足较高的甲醇产率前提下降低了化工产品能耗,动力系统借助化工过程克服燃料燃烧过程品位损失过大的难题,是组分对口分级转化能量梯级利用的本质体现。针对不同天然气生物质输入比情况下合成气一次性通过,以及最佳输入比情况下未反应气适度循环两种方案,本文分别进行了深入分析,具有8%～14%的节能潜力。为生物质能的高效应用以及缓解能源危机提供了一条有效的途径。

多联产系统的能值评估

为了扩展能值分析方法的应用范围,根据能值分析的基本思想,并以能量守恒和能值守恒为依据,提出了能反映多联产系统特点的能值评价指标,该能值评价指标将多联产系统的成本结构、排放影响和节约的资源置于同样重要位置考虑。以煤基燃料-电力多联产系统(甲醇-电力,氢-电力)为案例进行了能值分析。结果表明:该能值评价指标能全面度量多联产系统及其可持续性;多联产系统的连接模式、技术配置等因素均影响着多联产系统的可持续性;合适的燃料-电力比例的多联产系统的可持续性与单产系统相比有明显改善。

生物质基甲醇动力多联产系统分析

本文提出一个基于生物质气化的甲醇-动力多联产系统.该系统突出特色在于取消了变换过程,取消重整过程,并且适度循环未反应合成气,通过耦合化工与动力过程实现化学能的组分对口、分级转化以及物理能梯级利用原则.通过对系统分析炯结果表明,该系统与分产系统(独立甲醇生产系统,生物质气化联合循环)相比,节能高达10个百分点,该系统为生物质未来应用提供一个新的途径.

新型焦电联产系统集成与特性分析

本文针对传统焦炭生产工艺的不足、并应用联产系统整合思路,研究提出新型焦炭动力联产系统。新系统取消了传统炼焦工艺中直接燃用焦炉煤气为炭化室提供炼焦热量的方式,采用外置煤炭燃烧室提供热量,从而实现用低品质煤炭替代高品质焦炉煤气;节省下来的富氢、高热值的焦炉煤气作为燃料提供给联合循环,实现高效洁净发电;改进炼焦过程烟气废热回收方式,使得排烟损失大大降低。分析结果表明,新系统具有优良的热力性能,相对节能率高达15%左右.对系统关键过程的图像分析分析表明,燃烧过程和换热过程等变革与改进是系统性能提升的关键所在.本文研究将为冶金生产的可持续发展提供新思路与新系统方案。

基于焦化工艺的焦炭-甲醇-清洁燃料油联产系统初探

将多元料浆气化技术、煤焦油催化加氢技术应用于焦化生产过程,在生产焦炭的同时,生产甲醇和清洁燃料油。该系统对提高焦化企业煤炭资源利用率、降低环境污染和缓解我国油品紧张局势有明显作用。

串并联与并联形式的联产系统效率比较

分配比是影响串并联系统和并联系统的关键参数之一。该文在系统模拟的基础上，着重分析了分配比对串并联系统和并联系统特性影响，分析了由于采用不同的弛放气和副产蒸汽利用方式引起的燃气轮机和系统特性变化，最终对两类系统的供电效率进行了对比。

计及热电耦合的太阳能联产系统功率协调控制

为提高可再生能源利用率并适应电-热综合能源系统的发展,太阳能光热发电供热联产系统得到重视,并匹配传统发电设备作为辅助能源减轻由于太阳能间歇性带来的波动。但联产系统中不同发电设备响应速度差异导致供需功率不平衡,直至影响系统稳定运行。针对该问题,研究并提出针对太阳能热发电与燃气轮机组成的联产系统的惯性功率补偿优化控制新方法。首先建立了太阳能光热发电供热联产系统数学模型,针对电-热不同能源响应速度差异问题,提出惯性功率补偿方法。在此基础上,论文考虑系统模型参数的不确定性,采用H_2/H_∞控制器对系统进行控制,提升系统动态性能及鲁棒性,并针对影响系统控制精度的控制加权矩阵采用智能优化算法进行参数优化,显著提升控制器的控制精度。最后论文针对100MW太阳能光热发电供热联产系统进行了常规运行及负荷波动等多场景仿真,验证所提控制算法的有效性和系统稳定性。

多联产系统实施的障碍和政策措施

多联产系统及其进一步发展是解决中国能源问题的重要战略 .结合我国实际 ,论述了目前发展多联产战略遇到的主要障碍 ,指出需要在新思路指导下 ,通过国家行为对多联产发展进行详细规划 .在分析目前发展多联产战略之驱动力的基础上 ,阐述了增强驱动力的合力原则和互动原则 ,分析了社会各层次应发挥的作用和多联产发展的切入点 ,提出了具体的政策建议 .