微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成與性能仿真研究.pdf

1、本文得到上海市科委“天然氣輸配與高效利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目(023012003)的資助，完成了微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成和實(shí)驗(yàn)研究，主要對由微型燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式制冷機(jī)組成的聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并在實(shí)際冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)研究。 微型燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式制冷機(jī)組成的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上的新型、清潔、高效的多聯(lián)供總能系統(tǒng)，正受到

2、高度重視和研究。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)良好的節(jié)能效果和控制性能，必須對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。已有的研究內(nèi)容主要集中在對部件的動(dòng)態(tài)性能研究或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能研究，還缺乏對聯(lián)供系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)性能和控制的研究。 通過對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和集成，搭建了上海交通大學(xué)軟件大樓冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提供了以天然氣為燃料的微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供示范工程，能同時(shí)提供電能、空調(diào)用冷、熱水及生活熱水。系統(tǒng)的供熱、供冷實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：其發(fā)電量57kW左右，供熱量1

3、90.5kW，制冷量233.4kW，發(fā)電效率25％左右，總能利用系數(shù)0.8以上，NOx排放低于9ppm，噪聲為60dB@10m，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)總體性能良好，高效，環(huán)保，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。 本文的主要內(nèi)容包括： 1)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和集成根據(jù)冷熱電聯(lián)供示范項(xiàng)目要求，選擇由微型燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)和低溫吸附式制冷機(jī)組成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的性能，進(jìn)行了功率匹配、管路設(shè)計(jì)和控制需求分析，進(jìn)行了控

4、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)供系統(tǒng)集成，并進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，提出建立用于PID控制器設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)仿真模型，由此展開了對聯(lián)供系統(tǒng)部件及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真的研究。 2)各類換熱器的容積慣性法建模。 針對聯(lián)供系統(tǒng)中大量存在的各類換熱器，比較了傳統(tǒng)微分方程建模和容積慣性法建模的計(jì)算流程。根據(jù)換熱器內(nèi)工質(zhì)的不同，采用容積慣性法，建立了單相換熱器(氣-氣)分布參數(shù)模型、兩相換熱器(氣-液、汽)分布參數(shù)模型和兩相換熱

5、器(氣-液、汽)集總參數(shù)模型，能有效避免偏微分方程的求導(dǎo)及迭代計(jì)算問題，提高了模型的穩(wěn)定性、通用性和計(jì)算速度。對單相換熱器分布參數(shù)模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能仿真計(jì)算，研究了模型收斂的穩(wěn)定性、參數(shù)的分布性、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目對準(zhǔn)確性的影響、仿真步長對計(jì)算精度的影響、以及容積慣性對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的影響。 3)聯(lián)供系統(tǒng)中各類部件的模塊化建模。 采用模塊化方法對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的各類部件進(jìn)行劃分，針對不同部件類型，應(yīng)用容積慣性法，或采

6、用相應(yīng)的換熱器模型建立其動(dòng)態(tài)性能仿真模型，其中包括：壓氣機(jī)、燃燒室、回?zé)崞鳌u輪、高壓發(fā)生器、低壓發(fā)生器、溶液熱交換器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、分流器、引射器、閥、泵及管道等。由于系統(tǒng)存在多相工質(zhì)，采用擬合函數(shù)建立了溴化鋰溶液、水、蒸汽、空氣、煙氣的熱物性函數(shù)，編寫相應(yīng)工質(zhì)的熱物性子程序庫。 4)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仿真建模與計(jì)算分析在EASY5仿真平臺(tái)上，建立冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模塊庫，完成各部件間的參數(shù)連接，設(shè)定參數(shù)及仿真步長等，搭建冷

7、熱電聯(lián)供動(dòng)態(tài)性能仿真系統(tǒng)；進(jìn)行設(shè)計(jì)工況點(diǎn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對該計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算，分析了三種因素(微燃機(jī)請求功率、冷卻水流量、冷水流量)對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)主要參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對誤差在5％以內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)電功率57.2kW，發(fā)電效率為25.6％，制冷量為229.738kW，系統(tǒng)總能利用率為0.809，滿足設(shè)計(jì)要求。聯(lián)供系統(tǒng)性能(總能輸出量和總能利

8、用系數(shù))受微燃機(jī)請求功率和冷水流量影響較大，受冷卻水流量影響較小。聯(lián)供系統(tǒng)工作流程中，上游微燃機(jī)工況對下游制冷機(jī)的影響很大，下游制冷機(jī)工況對上游微燃機(jī)工況影響幾乎為零；微燃機(jī)過渡過程時(shí)間很短(100s)，制冷機(jī)過渡過程時(shí)間較長(2000s-2500s)。 5)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 在EASY5仿真平臺(tái)上，針對冷熱電聯(lián)供動(dòng)態(tài)性能仿真系統(tǒng)，進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì)，達(dá)到控制冷水出口溫度的目的。參照PID控制器設(shè)計(jì)參數(shù)，使用可編