微型燃气轮机冷热电联供系统集成与性能仿真研究

本文得到上海市科委“天然气输配与高效利用关键技术研究与示范”项目（023012003）的资助,完成了微型燃气轮机冷热电联供系统的设计、集成和实验研究,主要对由微型燃气轮机和吸收式制冷机组成的联供系统进行性能仿真研究,利用仿真系统进行控制系统的总体设计,并在实际冷热电联供系统上进行控制系统的实现和实验研究。 微型燃气轮机和吸收式制冷机组成的冷热电联供系统作为一种建立在能量梯级利用概念基础上的新型、清洁、高效的多联供总能系统,正受到高度重视和研究。为了实现系统良好的节能效果和控制性能,必须对系统的动态特性进行研究。已有的研究内容主要集中在对部件的动态性能研究或系统的稳态性能研究,还缺乏对联供系统整体动态性能和控制的研究。 通过对冷热电联供系统进行设计和集成,搭建了上海交通大学软件大楼冷热电联供系统,提供了以天然气为燃料的微型燃气轮机冷热电联供示范工程,能同时提供电能、空调用冷、热水及生活热水。系统的供热、供冷实验研究结果表明:其发电量57kW左右,供热量190.5kW,制冷量233.4kW,发电效率25%左右,总能利用系数0.8以上,NOX排放低于9ppm,噪声为60dB@10m,满足系统设计要求。系统总体性能良好,高效,环保,达到了预期指标。 本文的主要内容包括: 1)冷热电联供系统的方案设计和集成 根据冷热电联供示范项目要求,选择由微型燃气轮机、吸收式制冷机和低温吸附式制冷机组成冷热电联供系统,确定了系统设计工况点的性能,进行了功率匹配、管路设计和控制需求分析,进行了控制系统的设计和开发,实现了联供系统集成,并进行了性能实验。根据控制系统的设计要求,提出建立用于PID控制器设计的动态仿真模型,由此展开了对联供系统部件及系统动态性能仿真的研究。 2)各类换热器的容积惯性法建模。 针对联供系统中大量存在的各类换热器,比较了传统微分方程建模和容积惯性法建模的计算流程。根据换热器内工质的不同,采用容积惯性法,建立了单相换热器（气-气）分布参数模型、两相换热器（气-液、汽）分布参数模型和两相换热器（气-液、汽）集总参数模型,能有效避免偏微分方程的求导及迭代计算问题,提高了模型的稳定性、通用性和计算速度。对单相换热器分布参数模型进行了稳态和动态性能仿真计算,研究了模型收敛的稳定性、参数的分布性、网格划分数目对准确性的影响、仿真步长对计算精度的影响、以及容积惯性对系统动态响应过程的影响。 3)联供系统中各类部件的模块化建模。 采用模块化方法对冷热电联供系统中的各类部件进行划分,针对不同部件类型,应用容积惯性法,或采用相应的换热器模型建立其动态性能仿真模型,其中包括:压气机、燃烧室、回热器、涡轮、高压发生器、低压发生器、溶液热交换器、冷凝器、蒸发器、吸收器、分流器、引射器、阀、泵及管道等。由于系统存在多相工质,采用拟合函数建立了溴化锂溶液、水、蒸汽、空气、烟气的热物性函数,编写相应工质的热物性子程序库。 4)系统的动态性能仿真建模与计算分析 在EASY5仿真平台上,建立冷热电联供系统模块库,完成各部件间的参数连接,设定参数及仿真步长等,搭建冷热电联供动态性能仿真系统;进行设计工况点稳态计算,对该计算结果与设计参数进行比较,验证了系统的稳定性和准确性;进行系统动态特性仿真计算,分析了三种因素（微燃机请求功率、冷却水流量、冷水流量）对系统性能的影响。结果表明:设计工况点时,系统主要参数的仿真计算结果与实验数据的相对误差在5%以内,系统发电功率57.2kW,发电效率为25.6%,制冷量为229.738kW,系统总能利用率为0.809,满足设计要求。联供系统性能（总能输出量和总能利用系数）受微燃机请求功率和冷水流量影响较大,受冷却水流量影响较小。联供系统工作流程中,上游微燃机工况对下游制冷机的影响很大,下游制冷机工况对上游微燃机工况影响几乎为零;微燃机过渡过程时间很短（100s）,制冷机过渡过程时间较长（2000s2500s）。 5)控制系统的设计与实现。 在EASY5仿真平台上,针对冷热电联供动态性能仿真系统,进行PID控制器设计,达到控制冷水出口温度的目的。参照PID控制器设计参数,使用可编程逻辑控制器、工控机及组态软件,建立两层集中自动控制系统,完成实际冷热电联供系统启/停过程和负荷调节的自动控制。自动控制系统的实验表明,冷热电联供系统能够方便的启停,并具有安全保护、实时监控和数据记录功能;针对用户负荷的变化,能够很好的控制冷水出口温度,过渡过程较短,系统运行稳定。