微燃机分布式供能系统动态特性与控制方法研究

发布时间：2017-12-20 23:09

  本文关键词：微燃机分布式供能系统动态特性与控制方法研究　出处：《中国科学院工程热物理研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：微型燃气轮机分布式供能系统是基于能的综合梯级利用原理的一种能源利用形式,因其具有较好的节能性、可靠性及环保特性,在世界范围内得到了较为广泛的应用。微燃机分布式供能系统通常靠近用户端,随着用户冷热电负荷及外界环境条件的变化,系统会经常处于变工况运行状态。由于不同部件动态响应时间差距大,系统在大扰动工况下容易发生超调、振荡问题,影响运行安全性,同时系统能源利用效率降低。针对上述问题,本文开展了分布式供能系统动态模拟和控制研究。主要工作如下:(1)建立了微燃机分布式供能系统中主要单元部件的稳态和动态模型,以及PID、DMC预测控制模型。将基于Nusselt理论的传热传质理论模型应用于制冷机吸收器的建模,将Holman关系式应用于制冷机各个部件的传热计算,提高了分布式供能系统的变工况模拟精度。计算表明,微燃机、制冷机的稳态模型在设计和变工况条件下的相对误差均在1%以内,制冷机动态模型的在变工况条件下的相对误差在5%以内。(2)基于建立的由微燃机、吸收式制冷机及冷却塔组成的系统稳态模型,研究了微燃机分布式供能系统变工况特性,分析了冷却水出口温度不变以及风扇耗功不变两种冷却塔运行模式对系统性能的影响。结果表明,当微燃机功率从76 kW下降到25 kW时,系统一次能源利用率从56.9%下降到46.9%,系统一次能源利用率的下降主是由微燃机引起;当环境温度从10℃上升到30℃时,微燃机发电效率从27.16%下降到24.06%、输出电功率从84 kW下降到66 kW,而制冷机制冷量从100.5 kW上升到101.5 kW;在微燃机功率或环境温度变化时,冷却塔两种运行模式对制冷机制冷量的影响的差别均较小。(3)基于建立的一个单效吸收式制冷机动态模型,研究了冷却水、冷媒水温度以及发生器、蒸发器热惯性对制冷机动态响应特性的影响,并比较了以冷媒水出口温度为控制变量和以发生器溶液温度为控制变量的两种控制策略的优劣。结果表明,降低冷却水入口温度使制冷机性能系数(COP)和制冷量均增加,但会增加结晶风险;降低冷媒水入口温度使COP和制冷量降低,不易发生结晶;主要部件内溶液的热容是造成制冷机动态响应滞后的重要因素,当发生器内溶液质量从1 kg增加到20 kg时,动态响应时间从200 s增加到3000 s,发生器内溶液初始质量对制冷机的动态响应滞后较其它部件影响为大;当冷媒水出口温度设定值从14.5℃阶跃变为14℃时,采用发生器溶液和冷媒水出口温度作为操作变量,调节时间分别为700 s和1700 s,因此前者的调节效果更好。(4)建立了包括微燃机、吸收式制冷机、冷却塔、用户、管路及常规PID控制系统在内的分布式供能全系统动态模型,模拟了多种工况下的系统动态响应和控制特性。计算表明,当微燃机功率阶跃下降,微燃机、吸收式制冷机、用户室内温度的动态响应时间分别为20 s、300 s、1500 s左右,存在数量级的差异。接着,在一天24小时环境温度和电负荷平稳变化的条件下,研究了系统的动态特性。研究表明,在PID控制器作用下,室内温度将出现3.6℃的最大温差,影响用户舒适度;在系统中加入补燃及增加逻辑控制环节,用户室内温度最大温差降到2.7℃;微燃机部分排烟被直接排出,全天一次能源利用率平均为55.4%,较设计工况低2.9个百分点;在用户侧加入蓄能装置,并通过优化P控制参数、优化系统流程等措施发展了新的分布式供能系统控制策略,可使微燃机排烟全部被利用,且用户端最大温差降为1.5℃,同时全天制冷机制冷量平均提高5 kW,系统平均一次能源利用率提高到57.6%。最后,研究了在用户侧加入蓄能装置,当发生阶跃扰动时的系统动态特性。研究表明,当环境温度从30℃下降到28℃时,调节时间20 s左右,无超调量,冷媒水出口温度经过500 s后达到稳定,系统可实现平稳调节。(5)针对PID控制导致的系统振荡和超调问题,首先将DMC预测控制的方法应用于吸收式制冷机中。研究表明,当DMC控制器采样周期为5 s时,系统超调量2.7%,调节时间为750 s,采样时间为50 s时,系统无超调量,调节时间2000 s,采样周期、阶跃模型的模型长度及控制变量的初始值对控制效果有很大影响;当制冷机的热源温度或者环境冷媒水的入口温度发生阶跃扰动,在DMC控制器的作用下,系统可以平缓的调节到稳定状态,解决了 PID控制器引起的系统剧烈动作和振荡问题。然后,将DMC预测控制应用于分布式供能系统中并开展了研究。研究表明,对分布式供能系统,当制冷机吸收器冷却水入口温度发生阶跃下降1℃,采用PID控制超调量到达19%,调节时间超过1200s,系统容易发生严重的振荡和超调,采用DMC预测控制时系统的超调量仅为3%,调节时间约为1000 s,说明DMC控制可在大扰动下、无蓄能条件可以实现系统的平稳调节,同时鲁棒性强,在多种工况下均有较好的调节效果。
【学位授予单位】：中国科学院工程热物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK01;TK471

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本文编号：1313745