0引言

醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)作為關(guān)鍵生命保障設(shè)施,在突發(fā)停電事故中承擔(dān)維持核心醫(yī)療設(shè)備運行的職責(zé),其運行可靠性與能源利用效率直接關(guān)系到醫(yī)療安全與應(yīng)急響應(yīng)能力。當(dāng)前系統(tǒng)普遍存在能量轉(zhuǎn)化效率低、熱管理不合理及負(fù)荷響應(yīng)遲滯等問題,導(dǎo)致燃料浪費與排放增加。針對上述痛點,研究聚焦醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)的熱分析,系統(tǒng)揭示能量流失機制,并基于新興技術(shù)提出有針對性的效率優(yōu)化策略,以提升系統(tǒng)整體性能與可持續(xù)運行能力。

1 醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)的熱分析

1.1 發(fā)動機熱力循環(huán)分析

醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電機組普遍采用柴油機或燃?xì)鈾C,熱力循環(huán)主要遵循理想柴油循環(huán)或奧托循環(huán)理論模型,如圖1所示。以柴油循環(huán)為例,其理想熱效率η由以下公式定義:

式中:r為壓縮比;P為膨脹比;γ為絕熱指數(shù)。

圖1奧托循環(huán)理論模型

理想情況下,熱效率受壓縮比和膨脹比影響顯著。實際工況下,燃燒不完全、傳熱損失及機械摩擦等因素會造成大量能量損耗,實際熱效率通常下降至35%~42%。能量平衡分析顯示,只有約30%能量轉(zhuǎn)化為有效功,約40%以缸壁散熱流失,余下30%通過高溫排氣帶走。發(fā)動機缸內(nèi)峰值溫度可達(dá)2 200 K,局部溫度梯度劇烈,導(dǎo)致熱疲勞累積,成為系統(tǒng)可靠性下降的主要隱患[1]。

1.2 冷卻系統(tǒng)熱管理

冷卻系統(tǒng)主要通過調(diào)節(jié)冷卻液流量和散熱器換熱能力,控制發(fā)動機溫度在安全區(qū)間內(nèi)。其換熱過程符合能量守恒定律,換熱量Q計算公式為:

式中:m●為冷卻液質(zhì)量流量;cp為定壓比熱容;Tin和Tout分別為進(jìn)出口溫度。

醫(yī)院環(huán)境下,冷卻負(fù)荷不穩(wěn)定,負(fù)荷波動導(dǎo)致?lián)Q熱需求急劇變化,散熱器與冷卻回路需具備快速調(diào)節(jié)能力。若冷卻不足,局部溫度異常升高,將引發(fā)材料熱疲勞與潤滑油劣化;若冷卻過度,則增加系統(tǒng)能耗,降低機組總體效率。實際觀測中,散熱器熱阻與冷卻液流動不均是限制冷卻效率的主要技術(shù)瓶頸。

1.3排氣能量回收與散熱損失評估

排氣是發(fā)電機組能量流失的另一關(guān)鍵通道,排氣能量主要由下式描述:

式中:Qexhaust為排氣熱量;m●g為排氣流量;cpg為排氣比熱容;Texhaust為排氣溫度,通常高達(dá)500~600℃ ;Tambient為環(huán)境溫度。

高溫排氣中蘊含大量可回收能量,但目前多數(shù)醫(yī)院機組未配備能量回收裝置,排氣廢熱直接排放至環(huán)境中,能效損失超過30%。進(jìn)一步熱分析表明,排氣系統(tǒng)熱損失具有高度瞬態(tài)特性,受負(fù)荷波動與排氣流速變化影響顯著[2]。高排氣溫度易導(dǎo)致排氣歧管與渦輪增壓器等部件的熱疲勞老化,加速系統(tǒng)性能退化。

1.4 負(fù)荷波動下的熱性能動態(tài)響應(yīng)

醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電機組需在秒級時間內(nèi)應(yīng)對大幅度負(fù)荷跳變,導(dǎo)致發(fā)動機熱狀態(tài)發(fā)生劇烈動態(tài)變化。該過程可由熱擴(kuò)散方程描述:

式中:T為溫度;t為時間;α為熱擴(kuò)散系數(shù),決定溫度場變化速率。

負(fù)荷突增導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒速率上升,局部溫升速率可達(dá)20 K/s以上,溫度梯度急劇加大,形成瞬態(tài)熱應(yīng)力集中區(qū)。若熱管理系統(tǒng)響應(yīng)滯后,將導(dǎo)致金屬部件熱疲勞加劇,尤其在氣缸蓋、排氣閥等高溫區(qū)表現(xiàn)突出。系統(tǒng)熱響應(yīng)特性受限于材料導(dǎo)熱性能、幾何結(jié)構(gòu)與冷卻通道設(shè)計,缺乏良好的動態(tài)熱穩(wěn)定性成為機組耐久性的重要制約因素。

2 醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化策略

2.1 預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用

預(yù)混燃燒技術(shù)通過在燃燒前將燃料與空氣均勻混合,提高燃燒速率,抑制局部高溫區(qū)的形成,原理如圖2所示。相比傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒模式,預(yù)混燃燒具有燃燒溫度分布均勻、熱負(fù)荷更低的優(yōu)勢,能夠顯著降低NOx排放并提升熱效率。

在實際應(yīng)用中,預(yù)混燃燒方式如均質(zhì)壓燃(HCCI)與部分預(yù)混燃燒(PCCI)被廣泛研究。HCCI能夠在無須火花點火的情況下實現(xiàn)自燃,燃燒放熱速率快,熱效率可提高至45%以上。但均質(zhì)壓燃對燃?xì)饩鶆蛐耘c溫度控制要求極高,存在燃燒起始控制困難、失火與爆震的技術(shù)風(fēng)險。而PCCI則是介于傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒和HCCI之間的混合模式,它通過部分預(yù)混燃料與空氣,在燃燒過程中既保持部分均勻混合,又能有效避免HCCI中可能出現(xiàn)的失火或爆震問題。PCCI燃燒能夠提供更為平穩(wěn)的燃燒過程,并優(yōu)化排放特性,熱效率提升至40%左右,是一種具有較大應(yīng)用潛力的技術(shù)。

針對醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng),預(yù)混燃燒能在負(fù)荷突變時保持燃燒穩(wěn)定性,且能在短時啟動中快速達(dá)到工作溫度,是提升燃油利用率和降低排放的有效路徑。實施時需配合高響應(yīng)燃油噴射系統(tǒng)與精確空燃比控制技術(shù),確保燃燒過程穩(wěn)定可靠[3]。

2.2 智能熱管理系統(tǒng)的引入

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)基于固定閾值控制,無法應(yīng)對負(fù)荷動態(tài)變化,容易造成冷卻不足或過度,影響系統(tǒng)熱效率和部件壽命。引入智能熱管理系統(tǒng),能夠通過實時預(yù)測發(fā)動機熱負(fù)荷變化,動態(tài)調(diào)整冷卻策略,提升熱管理精度。溫度變化可通過基于長短期記憶(LSTM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型實現(xiàn)預(yù)測,模型表達(dá)式如下:

式中:t+1為預(yù)測溫度;Tt為歷史溫度序列;W和b分別為模型權(quán)重與偏置。

該預(yù)測機制可根據(jù)負(fù)荷變化趨勢,提前調(diào)整冷卻泵速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)熱負(fù)荷按需管理。

主動熱負(fù)荷管理策略結(jié)合發(fā)動機局部溫度監(jiān)測與流量控制,能夠在負(fù)荷突升時迅速響應(yīng)散熱需求,避免溫度過沖。技術(shù)試驗表明,智能熱管理可將發(fā)動機關(guān)鍵部位的溫度波動幅度降低至±5℃以內(nèi),顯著提升系統(tǒng)熱穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,增強機組在極端工況下的耐久性。

2.3 廢熱回收與再利用技術(shù)

醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)的排氣廢熱具有高溫高燴特性,是提高系統(tǒng)總能效的潛力點。排氣溫度通常在500~600℃ ,未經(jīng)回收直接排放將導(dǎo)致30%以上的能量流失。

通過配置余熱鍋爐(HRSG),可將高溫排氣中的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽,供醫(yī)院內(nèi)部采暖、熱水供應(yīng)或驅(qū)動輔助發(fā)電單元。HRSG系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、啟動快、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣的特點,適配醫(yī)院應(yīng)急用能需求。典型HRSG系統(tǒng)的熱回收效率可達(dá)75%以上,能夠大幅提升能源利用率。

針對低溫排氣回收問題,集成有機朗肯循環(huán)(ORC)技術(shù)作為重要補充。ORC系統(tǒng)利用有機工質(zhì)(如R245fa、R1233zd)替代水蒸氣,具備較低沸點和良好熱力特性,適合回收低于400℃的余熱。通過工質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)匹配與渦輪機效率優(yōu)化,ORC可將廢熱轉(zhuǎn)化為10%~15%的額外電能,有效提升系統(tǒng)綜合能效。

廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計需充分考慮排氣背壓影響、余熱設(shè)備體積、響應(yīng)速度等因素,確保不對主發(fā)電機組輸出性能產(chǎn)生負(fù)面干擾,同時具備快速啟停與負(fù)荷跟隨能力,符合醫(yī)院應(yīng)急供能的高可靠性要求。

2.4 負(fù)荷預(yù)測與能量管理優(yōu)化

醫(yī)院負(fù)荷具有顯著的瞬態(tài)特性,突發(fā)負(fù)荷波動頻繁出現(xiàn)。傳統(tǒng)基于經(jīng)驗規(guī)則的能量調(diào)度策略反應(yīng)滯后,容易導(dǎo)致機組頻繁啟停和低效運行,增加燃料消耗和維護(hù)成本[4]。

基于深度學(xué)習(xí)的LSTM模型,能夠捕捉負(fù)荷時間序列中的非線性變化規(guī)律,實現(xiàn)高精度負(fù)荷預(yù)測,預(yù)測表達(dá)式為:

式中:P^t+1為預(yù)測負(fù)荷;pt為歷史負(fù)荷序列;W'和b'分別為網(wǎng)絡(luò)權(quán)重與偏置。

結(jié)合負(fù)荷預(yù)測結(jié)果,能量管理系統(tǒng)可基于線性規(guī)劃(LP)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,約束條件可表達(dá)為:

式中:ci為機組i的單位發(fā)電成本;pi為各機組出力;pdemand為需求功率;pimin為每個機組的最小輸出功率;pimax為每個機組的最大輸出功率。

通過動態(tài)分配負(fù)荷,降低部分負(fù)荷運行時的燃油消耗,提升系統(tǒng)運行效率。研究數(shù)據(jù)表明,結(jié)合負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度后,系統(tǒng)能效提升約10%,機組平均利用率提高,維護(hù)周期延長,有助于提升應(yīng)急電源系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

3優(yōu)化效果驗證分析

3.1 熱效率提升驗證

為驗證優(yōu)化策略對醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)熱效率的提升效果,選取改進(jìn)前后典型運行工況進(jìn)行實際測試。測試采用燃料輸入能量與輸出電功率比值計算熱效率,使用多點負(fù)荷下穩(wěn)態(tài)測試方法,負(fù)荷設(shè)置分別為50%、75%、100%,測試數(shù)據(jù)如表1所示。

如表1所示,改進(jìn)后系統(tǒng)在各負(fù)荷工況下熱效率均有不同程度提升,尤其是在75%負(fù)荷點,熱效率提升最為顯著,表明優(yōu)化策略有效改善了中高負(fù)荷區(qū)的能量轉(zhuǎn)化性能。系統(tǒng)整體熱效率平均提升約10.23%,驗證了預(yù)混燃燒與智能熱管理技術(shù)在能量利用率提升方面的實際效果。

3.2 節(jié)能效果評估

節(jié)能效果評估通過對比年度燃油消耗和天然氣消耗量,并結(jié)合余熱回收系統(tǒng)能量回收率進(jìn)行量化分析。燃油消耗統(tǒng)計基于機組累計運行時長與燃料計量系統(tǒng)數(shù)據(jù),能量回收率通過余熱鍋爐和ORC系統(tǒng)出力實測計算,節(jié)能效果與能量回收率數(shù)據(jù)如表2所示。

如表2所示,改進(jìn)后油耗和氣耗均顯著下降,年度能耗減少12.7%。余熱回收系統(tǒng)能量回收率平均達(dá)到68.4%,較傳統(tǒng)無回收系統(tǒng)提升明顯。綜上,節(jié)能效果顯著,余熱資源得到有效利用,為醫(yī)院整體能源管理帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

3.3 系統(tǒng)可靠性與響應(yīng)速度提升測試

可靠性與響應(yīng)速度測試包括突加負(fù)荷響應(yīng)測試及關(guān)鍵可靠性KPI指標(biāo)分析。負(fù)荷響應(yīng)測試模擬突加工況,檢測系統(tǒng)電壓、頻率波動幅度及恢復(fù)時間;可靠性指標(biāo)采用MTBF(平均無故障時間)與MTTR(平均修復(fù)時間)進(jìn)行對比。可靠性與響應(yīng)速度測試結(jié)果如表3所示。

如表3所示,優(yōu)化后系統(tǒng)突加負(fù)荷的頻率恢復(fù)時間從3.8S縮短至2.1S,電壓恢復(fù)時間從3.2S縮短至1.8 S,MTBF提升至6 200 h,MTTR縮短至2.4 h,整體可靠性指標(biāo)有明顯提升。綜上,系統(tǒng)在應(yīng)急突發(fā)負(fù)荷下響應(yīng)更快,穩(wěn)定性更好,可靠性KPI指標(biāo)的提升也驗證了優(yōu)化措施對系統(tǒng)長期運行能力的正向促進(jìn)作用。

4 結(jié)束語

本文圍繞醫(yī)院應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)的熱特性與效率提升展開了系統(tǒng)研究,通過熱力循環(huán)分析與熱管理瓶頸剖析,明確了能效低下的關(guān)鍵影響因素。結(jié)合預(yù)混燃燒、智能熱管理及廢熱回收等技術(shù),提出多維度優(yōu)化策略,并通過實測驗證了策略的有效性與可行性。研究表明,合理的熱管理與能量調(diào)度優(yōu)化,不僅顯著提升了系統(tǒng)熱效率與節(jié)能水平,還提高了負(fù)荷響應(yīng)速度與運行可靠性。相關(guān)成果可為醫(yī)院等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供重要參考。

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《機電信息》2025年第17期第19篇