冷热电联供系统中微型燃气轮机及空调的仿真与控制

随着经济的迅速发展、人口的不断增多,人们生活水平的不断提高,能源消耗迅猛增加,从而导致全球能源危机和环境污染日益严峻,迫切要求改变能源的利用方式来提高能源的利用效率和降低对环境的污染。而传统的供能系统是大机组、大电网组成的集中供能系统,这种供能方式以化石能源为燃料,存在许多问题:产品单一,安全性差;大气污染问题较严重;电力需求大于供应,电网建设速度缓慢与社会快速发展不相协调。这就要求发展新的供能模式弥补集中供能系统的不足,分布式冷热电供能系统(CCHP)是建立在能量的梯级利用基础上,将发电、制冷、供热过程一体化多联供能源系统,它有诸多优点:高效、多元化、方便、环保、经济等,可作为集中供能系统的有益补充。 国内外的很多文献对冷热电联供系统的研究已经做了大量的工作,包括对系统热经济性分析,系统性能的综合阐述等,系统的仿真研究也取得比较好的效果。微型燃气轮机和空调都是CCHP的核心部件,具有很好的发展前景,对两者的理论研究和技术应用是目前非常关注的课题;本课题以更好的实现其节能效果、探究其动态性能和稳定性作为出发点,对两者进行了仿真和控制,研究过程也结合了太阳能沼气的优点。 本文在前人研究的基础上,根据系统集成分析、热物理、模糊控制、建模仿真等的相关理论,以Simulink为平台完成下面的主要工作: (1)提出了在冷热电联供系统中从微型燃气轮机的燃烧室通向透平的管道中抽取燃气进入蒸汽发生器的思想,以微型燃气轮机作为研究对象,建立起带抽燃气微型燃气轮机中各物理部件的数学模型,根据透平负载率和抽燃气率的变化,运用Simulink工具对带抽燃气微型燃气轮机变工况运行方式进行了仿真。 (2)以前面所提出的带抽燃气的微型燃气轮机的模型为控制对象,旨在有效地用能,增加系统的稳定性,设计了一种模糊自适应PID控制器,运用Simulink平台对此模型进行了仿真控制,仿真结果表明此系统获得了良好的控制效果,从而证实了此设计是合理的。 (3)试图将沼气用于燃烧天然气的微型燃气轮机。先简介沼气微型燃气轮机发电系统,以微型燃气轮机作为研究对象,以模块化建模方法建立起沼气微型燃气轮机中各物理部件的数学模型,在设计不同空燃比下推算燃烧室出口燃气化学成分的比例,然后,运用Simulink软件,建立了沼气微型燃气轮机仿真模型,将微型燃气轮机的沼气发电的变工况进行了仿真。 (4)将清洁的可再生能源太阳能和沼气联合应用于微型燃气轮机,设计了综合用能发电模型。运用数值仿真的方法,建立了此模型的基本数学模型,用Simulink软件对模型在不同太阳辐照度下进行仿真计算,仿真结果能够很好的反映太阳能沼气微型燃气轮机运行的特点。证实了此设计是合理的。 (5)提出了将可再生能源——太阳能和沼气联合驱动吸收式制冷空调的思想,建立了此系统主要性能参数的数学模型,按照三种不同的运行方案,运用Simulink软件分别建立其仿真模块并对主要性能参数进行仿真计算。 (6)以变风量空调系统作为控制对象,在所设计模糊自适应PID控制器的基础上,并运用Simulink对空调房间温度的控制进行了仿真,达到了比较理想的控制效果。 本文的仿真结果与事实相符,能很好的放映微型燃气轮机和空调的运行特点。模糊自适应PID控制器应用于微型燃气轮机和空调系统具有较好的控制效果。本文为微型燃气轮机、空调和冷热电联供系统的研究、应用以及其自动控制提供了一种重要的方法;也为可再生能源应用于冷热电联供系统、缓解化石能源供给的危机和保护环境提出了有意义的参考。