基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析_王丽丽

第27卷增刊1农业工程学报Vol.27Supp.1262011年5月TransactionsoftheCSAEMay.2011基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析王丽丽1，王忠江1※，卢化伟2（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.哈尔滨良大实业有限公司，哈尔滨150090）摘要：该文应用系统动力学和有限元热平衡分析方法，针对黑龙江省某大型沼气发电工程，研究其能量供需平衡情况，并确定工程实际运行过程中的一些关键参数。研究结果表明：罐体散热损失、水分蒸发热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失占发酵系统总热损失的比例分别为85.59%～90.22%、2.05%～8.42%、3.93%～4.78%、2.06%～2.96%；通过对加热料液所需热量的分析确定了配料热水的加热温度，6、7、8月份为53℃，其它月份为65℃，其占沼气工程总需热量的73.13%～87.91%；通过对管路热损失的分析确定了不同外界气温条件下维持发酵罐35℃恒温发酵的日均加热时间；通过整个系统能量供需平衡的分析得出该工程发电回收的余热能够维持系统全年连续运转，为北方高寒地区大型沼气工程的应用及推广奠定了理论基础。关键词：沼气，动力学，发电厂，热损失，热平衡doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.006中图分类号：TK123文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-Supp.1-0026-06王丽丽，王忠江，卢化伟.基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析[J].农业工程学报，2011，27(增刊1)：26－31.WangLili,WangZhongjiang,LuHuawei.Thermalbalanceanalysisofnorthernlarge-scalebiogasgeneratingsystembasedonsystemdynamics[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(Supp.1):26－31.(inChinesewithEnglishabstract)0引言中国北方冬季气温低，为保证大中型沼气工程实现全年连续运转，除增加保温材料外必须考虑适当加热。但增加保温加热系统的同时也大大增加了工程施工及运行成本，进而阻碍了北方高寒地区大中型沼气工程的应用及推广。由于沼气发电系统运行过程中仅有30%左右的能量转化为电能，除内燃机散热、空气冷却器、润滑油冷却器等30%的能量损失外，还有40%的能量随冷却水和尾气排出而损失[1]。将这部分热量回收后用于维持发酵系统正常运转，不仅使沼气的能量能够得到充分利用，而且还可以降低工程运行成本，有利于北方高寒地区大中型沼气工程的推广。目前，国内外专家和学者在沼气发酵系统热平衡方面进行了一些研究，如古大田通过分析厌氧消化器的各种热量损失确定了反应器的最佳尺寸[2]；王飞利用传热学基本理论分析了太阳能双效增温沼气系统内各部分的热利用效率[3]；B.Wu等采用Fluent软件对塞流式厌氧反应器的散热损失进行了分析[4]；K.G.Gebremedhin等比较分收稿日期：2010-12-31修订日期：2011-02-17基金项目：国家863项目（2007AA100705）；国家十一五科技支撑项目（2006BAD07A10）；黑龙江省科技攻关项目（ZD200817）；黑龙江省留学归国人员科学技术专项资金（LC06C03）；东北农业大学科学研究基金作者简介：王丽丽（1979－），女，黑龙江人，从事农业生物环境与能源工程的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:wanglili22663@163.com※通信作者：王忠江（1978－），男，黑龙江人，博士，硕士生导师，主要从事生物质能转化与利用的研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email:neauwzj@126.com析了塞流式厌氧反应器各月份的能量需求情况[5]。但目前针对中国北方高寒地区大型沼气发酵系统热平衡的系统性研究鲜见报道。因此，对北方高寒地区沼气发电系统进行热平衡分析势在必行。系统动力学是系统分析与模拟相结合的模型模拟研究方法，是分析复杂大系统结构和功能动态变化的有效方法[6]。VENSIM是系统动力学分析软件，在水资源供需平衡、粮食供需平衡、木材供需平衡等领域都得到了广泛的应用[7-9]，但在沼气生产方面应用甚少[10]。ANSYS是一个大型通用有限元分析软件，能够分析工程中普遍存在的热问题，如稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、热应力、相变等[11]，具有简单、方便、高效等优点，且具有很好的灵活性和适应性[12]。论文根据工程热力学基本原理，应用VENSIM和ANSYS等分析软件，针对黑龙江省北大荒牛业大型沼气发电工程，研究其能量供需