0引言

醫(yī)院應急發(fā)電系統(tǒng)作為關鍵生命保障設施,在突發(fā)停電事故中承擔維持核心醫(yī)療設備運行的職責,其運行可靠性與能源利用效率直接關系到醫(yī)療安全與應急響應能力。當前系統(tǒng)普遍存在能量轉化效率低、熱管理不合理及負荷響應遲滯等問題,導致燃料浪費與排放增加。針對上述痛點,研究聚焦醫(yī)院應急發(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)院應急發(fā)電機組普遍采用柴油機或燃氣機,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2 200 K,局部溫度梯度劇烈,導致熱疲勞累積,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分別為進出口溫度。

醫(yī)院環(huán)境下,冷卻負荷不穩(wěn)定,負荷波動導致?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,受負荷波動與排氣流速變化影響顯著[2]。高排氣溫度易導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 負荷波動下的熱性能動態(tài)響應

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

式中:T為溫度;t為時間;α為熱擴散系數(shù),決定溫度場變化速率。

負荷突增導致缸內(nèi)燃燒速率上升,局部溫升速率可達20 K/s以上,溫度梯度急劇加大,形成瞬態(tài)熱應力集中區(qū)。若熱管理系統(tǒng)響應滯后,將導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)熱響應特性受限于材料導熱性能、幾何結構與冷卻通道設計,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)院應急發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化策略

2.1 預混燃燒技術的應用

預混燃燒技術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)擴散燃燒模式,預混燃燒具有燃燒溫度分布均勻、熱負荷更低的優(yōu)勢,能夠顯著降低NOx排放并提升熱效率。

在實際應用中,預混燃燒方式如均質(zhì)壓燃(HCCI)與部分預混燃燒(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)壓燃對燃氣均勻性與溫度控制要求極高,存在燃燒起始控制困難、失火與爆震的技術風險。而PCCI則是介于傳統(tǒng)擴散燃燒和HCCI之間的混合模式,它通過部分預混燃料與空氣,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,是一種具有較大應用潛力的技術。

針對醫(yī)院應急發(fā)電系統(tǒng),預混燃燒能在負荷突變時保持燃燒穩(wěn)定性,且能在短時啟動中快速達到工作溫度,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燃油噴射系統(tǒng)與精確空燃比控制技術,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,無法應對負荷動態(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),能夠通過實時預測發(fā)動機熱負荷變化,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)絡的模型實現(xiàn)預測,模型表達式如下:

式中:t+1為預測溫度;Tt為歷史溫度序列;W和b分別為模型權重與偏置。

該預測機制可根據(jù)負荷變化趨勢,提前調(diào)整冷卻泵速與風扇轉速,實現(xiàn)熱負荷按需管理。

主動熱負荷管理策略結合發(fā)動機局部溫度監(jiān)測與流量控制,能夠在負荷突升時迅速響應散熱需求,避免溫度過沖。技術試驗表明,智能熱管理可將發(fā)動機關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

醫(yī)院應急發(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化為蒸汽,供醫(yī)院內(nèi)部采暖、熱水供應或驅(qū)動輔助發(fā)電單元。HRSG系統(tǒng)具備結構緊湊、啟動快、負荷調(diào)節(jié)范圍廣的特點,適配醫(yī)院應急用能需求。典型HRSG系統(tǒng)的熱回收效率可達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)熱力學參數(shù)匹配與渦輪機效率優(yōu)化,ORC可將廢熱轉化為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)的設計需充分考慮排氣背壓影響、余熱設備體積、響應速度等因素,確保不對主發(fā)電機組輸出性能產(chǎn)生負面干擾,同時具備快速啟停與負荷跟隨能力,符合醫(yī)院應急供能的高可靠性要求。

2.4 負荷預測與能量管理優(yōu)化

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

基于深度學習的LSTM模型,能夠捕捉負荷時間序列中的非線性變化規(guī)律,實現(xiàn)高精度負荷預測,預測表達式為:

式中:P^t+1為預測負荷;pt為歷史負荷序列;W'和b'分別為網(wǎng)絡權重與偏置。

結合負荷預測結果,能量管理系統(tǒng)可基于線性規(guī)劃(LP)模型進行優(yōu)化調(diào)度,約束條件可表達為:

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)分配負荷,降低部分負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,結合負荷預測與優(yōu)化調(diào)度后,系統(tǒng)能效提升約10%,機組平均利用率提高,維護周期延長,有助于提升應急電源系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性與可靠性。

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

如表1所示,改進后系統(tǒng)在各負荷工況下熱效率均有不同程度提升,尤其是在75%負荷點,熱效率提升最為顯著,表明優(yōu)化策略有效改善了中高負荷區(qū)的能量轉化性能。系統(tǒng)整體熱效率平均提升約10.23%,驗證了預混燃燒與智能熱管理技術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,并結合余熱回收系統(tǒng)能量回收率進行量化分析。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)濟與環(huán)保效益。

3.3 系統(tǒng)可靠性與響應速度提升測試

可靠性與響應速度測試包括突加負荷響應測試及關鍵可靠性KPI指標分析。負荷響應測試模擬突加工況,檢測系統(tǒng)電壓、頻率波動幅度及恢復時間;可靠性指標采用MTBF(平均無故障時間)與MTTR(平均修復時間)進行對比。可靠性與響應速度測試結果如表3所示。

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

4 結束語

本文圍繞醫(yī)院應急發(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鍵影響因素。結合預混燃燒、智能熱管理及廢熱回收等技術,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,還提高了負荷響應速度與運行可靠性。相關成果可為醫(yī)院等關鍵基礎設施建設提供重要參考。

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《機電信息》2025年第17期第19篇