西北农村社区热电沼气多联供系统的性能研究

作     者：周建建 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王春龙;田斌守

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：烟气余热 热电气联供 性能分析 综合评价 

摘      要：随着国家双碳目标的提出,在西北地区生物质锅炉清洁供暖逐渐替代传统燃煤锅炉供暖,但生物质锅炉普遍存在排烟温度高的问题,为了充分利用生物质锅炉的烟气余热以及满足当地用户热电气多层次的用能需求,本文以武威市凉州区某农村社区为工程背景,构建了一种以太阳能和生物质能为能量输入且耦合生物质锅炉烟气余热回收的热电气多联供系统,首先对社区建筑热电气负荷进行了预测,并计算选型系统的关键设备;其次通过TRNSYS软件模拟并分析系统全年的动态性能及热电平衡,最后将原供能系统与传统分供系统作为对比对象,综合评价三种供能模式下在能源性、环保性和经济性的差异,得到以下结论:(1)采暖季热负荷受环境温度变化波动较大,平均热负荷为47.5 W/m,每户的电负荷和沼气负荷分别为6.80 k W·h/d和1m/d。生物质锅炉的排烟温度降低到40℃时,1 kg燃料完全燃烧产生的烟气可回收的总热量为1342.35 k J,其中回收的显热量占55.08%,潜热量占44.92%,冷凝水量为0.339 kg。凉州区主要农作物小麦、玉米、大麦和豆类四种农作物秸秆年干物质可收集的总量为720927.4吨,其中玉米占比82.5%,小麦占比15%,豆类占比1.3%,大麦占比0.8%;主要禽畜牛、猪、羊、鸡四种粪污可收集的干物质总量为1393.2吨/d,分别占比46.9%、13.7%、31.8%和7.6%,生物质资源可收集量可满足社区全年的用能需求。系统的主要设备选型结果为:沼气发电机组的装机容量为180 k W、光伏发电系统的安装容量504.21 k Wp、冷凝式换热器的总面积为115 m和蓄热水箱的体积为34.28 m。(2)沼气发电机组全年日均耗气量为1988.26 m,平均电效率为34.55%,平均负荷率为89.99%,采暖季的平均热回收效率为44.82%,非采暖季的平均热回收效率为23.47%。发酵罐日平均总负荷为2930.12 k W·h,进料负荷占比95.36%,保温负荷占比为4.64%,发酵罐日平均温度在35℃左右,可满足中温厌氧发酵的温度需求。PV发电系统的日发电量受太阳辐射的影响波动较大,平均日发电量为2858.41 k W·h,采暖季的平均发电效率为16.23%。采暖季冷凝式换热器日平均回收显热量为1621.61 k W·h、潜热量为753.6 5 k W·h、冷凝水量为1114.4 kg,平均供水温度为44.35℃。变频泵在供暖初期和末期变频泵以低功耗低频率运行,日均耗电量为415.67 k W·h,日平均频率运行范围为35～45.3 Hz。(3)整个采暖季沼气发电机组、冷凝式换热器、生物质锅炉的供热量分别为235692.4 k W·h、358664.09 k W·h和4403274.66 k W·h,沼气发电机组供热占比为4.7%,冷凝式换热器供热占比为7.2%,生物质锅炉占比为88.1%;采暖季日均总电负荷为6206.09 k W·h,非采暖季日均总电负荷为4438.90 k W·h,系统全年总发电量为2410095.87 k W·h,其中沼气发电机组的发电量占比58.87%;PV发电子系统的发电量占比41.13%。(4)在采暖季和非采暖季多联供系统平均一次能源利用率分别为58.60%和25.98%,相较于传统分供系统的平均一次能源节约率分别为41.52%和-19.07%。多联供系统全年平均日CO排放量为6664.07 kg,相较于原供能系统和传统分供系统全年CO减排总量分别为1742.26 t和4409.44 t;多联供系统相较于传统分供系统全年平均日CO减排率为66.86%,相较于原供能系统采暖季平均日CO减排率为32.89%,非采暖季平均日CO减排率为58.92%。(5)多联供系统初投资为681.20万元,年运维费用为61.92万元,费用年值为116.58万元,三种供能模式下多联供系统初投资最高,年运维费用和费用年值最低,多联供系统相较于原供能系统和传统分供系统费用年值节省率为50.35%和64.19%;在多联供系统使用寿命年限内,净现值为2307.61万元,动态投资回收期为3.14年,在经济上是可行的。