一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，具体包括以下步骤：(1)以热力学模型为基础，分别建立生物质冷热电联供系统模型和传统独立发电系统模型；(2)建立生物质冷热电联供系统运行原理图，并确定原动机和制冷机的设备参数；(3)利用生命周期分析法，对六种不同配置结构的系统进行仿真，根据三种仿真数据结果，确定冷热负荷比对环境可行性和一次能源节能率的影响，并与独立传统系统作对比，分析冷热负荷比的变化对环境的相对影响。本发明专利技术不仅将一次能源节能率(PESR)作为评估指标，还将CCHP系统和传统系统对环境影响的差异(即环境可行性)作为评估指标，并考虑了负荷变化对CCHP系统的环境可行性产生的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法
本专利技术涉及一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，属于新能源

技术介绍
随着经济高速发展，可再生能源的需求量逐渐增加，一个有代表性的案例就是欧盟(EU)的2020年目标，其包括了一项约束性承诺，即到2020年时实现能源使用的20％来自于可再生能源。与此同时，如何更有效地提高系统的能源利用率逐渐成为国内外学者关注的焦点。实现能源梯级利用的联供系统，如热电联供(CHP)，冷热电三联供(CCHP)，不仅能够提高一次能源利用率，还在节能减排方面表现出较大的优势，尤其在中小功率下(低于1～2MW)，联供系统更加受到人们的重视。与大型火电厂相比，可再生能源驱动的发电系统能够节约一次能源，减少排放，增加供电网络可靠性。而可再生能源不仅对环境污染小，还能对社会经济起到一定的促进作用，比如带动了农村地区的经济发展，也在一定程度上缓解了燃料短缺问题。以生物质为燃料的可再生能源联产系统(包括CHP和CCHP)能够在一定程度上缓解能源短缺和环境污染问题，故在欧盟的支持下，国外学者取得了很多相关的研发成果。然而联产系统实际带来的能源及环境效益与发电站的运行状态、负载类型(热负荷或冷负荷)及核心技术相关，其与传统发电站相比是否会有显著改善，是否能够代替传统发电站，还需要进一步评估。基于Angrisani等人前期的研究工作，Chicco和Maraver等人经研究得出，在一次能源利用率方面，CCHP系统完全取代独立发电系统的可行性受到各个子系统核心技术和冷热负荷比的制约。另一方面，在评估其环境效益时，许多学者使用了生命周期分析法(LCA)，例如Pehnt等人将以天然气作燃料的CHP系统和CCHP系统与传统发电站作比较，并由此评估其环境效益；Carvalho和Jing等人利用LCA算法对联供系统进行了有关优化。很多学者在可再生能源系统方面进行了多项研究，但这些研究并没有把联供系统和传统系统作对比，例如Pehnt等人仅对不同类型的可再生能源系统(供电、供热、热电联产)进行了分析；Staffell和Jing等人仅研究了基于化石燃料的CHP系统和基于太阳能的CCHP系统；Caserini、Kimming和Buonocore等人仅研究了基于不同类型生物质燃料的CHP系统。此外，Chevalier等人虽然将基于生物质燃料的CCHP系统与传统发电站进行了比较，但得出的结论仅针对于特定规模的沼气发电站。由前人的研究工作可知，基于生物质燃料的联产系统与其理论上所能实现的环境效益尚有一定距离。若考虑所有的可能因素(能源、有效能、经济和环境等)，并在适当的设计和运行模式下，联产系统所带来的理论效益有望在实际中体现。此外，在某些情况下，基于生物质燃料的联产系统所带来的环境效益是可以事先估计的。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，将一次能源节能率(PESR)作为评估指标，还将CCHP系统和传统系统对环境影响的差异(即环境可行性)作为评估指标，并考虑了负荷变化对CCHP系统的环境可行性产生的影响。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，具体包括以下步骤：(1)以热力学模型为基础，分别建立生物质冷热电联供系统和传统独立发电系统的理论框架；(2)建立生物质冷热电联供系统运行原理图(步骤(2)中，一个完整的生物质冷热电联供系统运行原理图包括能量流动方向和各个子系统，生物质燃料在生物质锅炉中产生的大部分供给原动机，小部分与原动机排出的热量混合，混合后的热量称之为原动机产生的热量；原动机产生的电能用于供给电力负荷，产生的热量分为三部分，第一部分作为热损耗被损失掉，第二部分用于供给热负荷，第三部分用于驱动制冷机使其产生冷能)，并确定原动机和制冷机的设备参数；(3)利用生命周期分析法，将三种原动机和两种制冷机互相搭配构成六种不同配置结构的系统(原动机有三种不同类型，分别为使用低沸点冷却介质的有机朗肯循环技术，使用高沸点冷却介质的有机朗肯循环技术，斯特林发动机技术，制冷机有两种不同类型，分别为吸附式制冷机和吸收式制冷机)，对六种不同配置结构的系统进行仿真，并与传统独立发电系统作对比，根据多种仿真数据结果(本专利技术采用三种编程方法，包括Eco-Indicator99、IMPACT2002+和ReCiPe)，确定冷热负荷比对环境可行性和一次能源节能率的影响；步骤(1)中，所述生物质冷热电联供系统的理论框架以生物质为燃料，设生物质能为F，并产生发电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；以生物质为燃料，产生生物质能，送入冷热电联供系统CCHP，冷热电联供系统将生物质能转化为冷、热、电产出；所述传统独立发电系统的理论框架同样获得发电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；传统独立发电系统通过参考发电站发电产生电能，其中的一部分电能通过参考制冷机转化为冷能供给冷负荷，其余的电能用于供给电力负荷；传统独立发电系统通过参考锅炉产生热能用于供给热负荷。步骤(2)中，所述生物质冷热电联供系统运行原理图包括能量流动方向和生物质锅炉、原动机、制冷机子系统，各个物理量的表达式如下：Qburner＝F·ηburnerQburner＝Qact,PM+QextraQact,PM＝W+Qrej,PMW＝Qact,PM·ηPMQrej,PM＝Qact,TAC+Qheating+QlossQcooling＝Qact,TAC·COPTAC式中，F为生物质能，单位为kW；Qburner为燃烧所产生的热量，单位为kW；ηburner为生物质燃烧的热效率；Qact,PM为用于供给原动机的热量，单位为kW；Qextra为额外供给冷却介质的热量，单位为kW；W为原动机的发电功率，单位为kW；Qrej,PM为原动机排出的热量，单位为kW；ηPM为原动机的发电效率；Qact,TAC为驱动制冷机的热量，单位为kW；Qheating为供给负荷的热量，单位为kW；Qloss为热损耗，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW；COPTAC为制冷系数；C为冷却因子；如果原动机排出热量Qrej,PM的温度高于制冷机工作所需的温度，那么生物质F燃烧所产生的热量Qburner完全用于驱动原动机，即Qextra＝0，Qburner＝Qact,PM；该情况下，PM的冷却介质用于驱动TAC单元制冷产生Qcooling；若TAC单元工作所需的温度高于原动机排出热量的温度，则生物质燃烧产生的热量需额外提供给PM的冷却介质，使之温度上升至足以驱动制冷机正常运行，即Qextra≠0，Qburner>Qact,PM。上述原动机采用有机朗肯循环方法或者斯特林发动机技术。上述制冷机采用吸附式制冷机或者吸收式制冷机。步骤(3)中，利用三种不同类型的LCA算法以排除单一LCA算法引起的主观性；分别使用Eco-Indicator99、IMPACT2002+和ReCiPe三种算法对系统的环境可行性进行分析。步骤(3)中，进行仿真时，以冷热负荷比为横轴，环境可行性和一次能源节能率为纵轴，即可确定；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)以热力学模型为基础，分别建立生物质冷热电联供系统和传统独立发电系统的理论框架；(2)建立生物质冷热电联供系统运行原理图，并确定原动机和制冷机的设备参数；(3)利用生命周期分析法，将三种原动机和两种制冷机互相搭配构成六种不同配置结构的系统，对六种不同配置结构的系统进行仿真，并与传统独立发电系统作对比，根据多种仿真数据结果，确定冷热负荷比对环境可行性和一次能源节能率的影响。

【技术特征摘要】
1.一种生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)以热力学模型为基础，分别建立生物质冷热电联供系统和传统独立发电系统的理论框架；(2)建立生物质冷热电联供系统运行原理图，并确定原动机和制冷机的设备参数；(3)利用生命周期分析法，将三种原动机和两种制冷机互相搭配构成六种不同配置结构的系统，对六种不同配置结构的系统进行仿真，并与传统独立发电系统作对比，根据多种仿真数据结果，确定冷热负荷比对环境可行性和一次能源节能率的影响。2.根据权利要求1所述的生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，其特征在于：步骤(1)中，所述生物质冷热电联供系统的理论框架以生物质为燃料，设生物质能为F，并产生发电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；以生物质为燃料，产生生物质能，送入冷热电联供系统CCHP，冷热电联供系统将生物质能转化为冷、热、电产出；所述传统独立发电系统的理论框架同样获得发电机发电W、压缩式电制冷机制冷Qcooling、燃气锅炉制热Qheating；传统独立发电系统通过参考发电站发电产生电能，其中的一部分电能通过参考制冷机转化为冷能供给冷负荷，其余的电能用于供给电力负荷；传统独立发电系统通过参考锅炉产生热能用于供给热负荷。3.根据权利要求1所述的生物质冷热电系统环境可行性的评估方法，其特征在于：步骤(2)中，所述生物质冷热电联供系统运行原理图包括能量流动方向和生物质锅炉、原动机、制冷机子系统，各个物理量的表达式如下：Qburner＝F·ηburnerQburner＝Qact,PM+QextraQact,PM＝W+Qrej,PMW＝Qact,PM·ηPMQrej,PM＝Qact,TAC+Qheating+QlossQcooling＝Qact,TAC·COPTAC式中，F为生物质能，单位为kW；Qburner为燃烧所产生的热量，单位为kW；ηburner为生物质燃烧的热效率；Qact,PM为用于供给原动机的热量，单位为kW；Qextra为额外供给冷却介质的热量，单位为kW；W为原动机的发电功率，单位为kW；Qrej,PM为原动机排出的热量，单位为kW；ηPM为原动机的发电效率；Qact,TAC为驱动制冷机的热量，单位为kW；Qheating为供给负荷的热量，单位为kW；Qloss为热损耗，单位为kW；Qcooling为制冷量，单位为kW；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭莉，杨斌，陈楚，杨世海，崔高颖，赵双双，沈宏伟，孙季泽，陈嘉栋，汤延祺，
申请(专利权)人：国电南瑞南京控制系统有限公司，国网江苏省电力有限公司，国家电网公司，南瑞集团有限公司，国电南瑞科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32