本文關(guān)鍵詞：微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與控制方法研究　出處：《中國科學(xué)院工程熱物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)是基于能的綜合梯級(jí)利用原理的一種能源利用形式,因其具有較好的節(jié)能性、可靠性及環(huán)保特性,在世界范圍內(nèi)得到了較為廣泛的應(yīng)用。微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)通�？拷脩舳�,隨著用戶冷熱電負(fù)荷及外界環(huán)境條件的變化,系統(tǒng)會(huì)經(jīng)常處于變工況運(yùn)行狀態(tài)。由于不同部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間差距大,系統(tǒng)在大擾動(dòng)工況下容易發(fā)生超調(diào)、振蕩問題,影響運(yùn)行安全性,同時(shí)系統(tǒng)能源利用效率降低。針對(duì)上述問題,本文開展了分布式供能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬和控制研究。主要工作如下:(1)建立了微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)中主要單元部件的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型,以及PID、DMC預(yù)測(cè)控制模型。將基于Nusselt理論的傳熱傳質(zhì)理論模型應(yīng)用于制冷機(jī)吸收器的建模,將Holman關(guān)系式應(yīng)用于制冷機(jī)各個(gè)部件的傳熱計(jì)算,提高了分布式供能系統(tǒng)的變工況模擬精度。計(jì)算表明,微燃機(jī)、制冷機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型在設(shè)計(jì)和變工況條件下的相對(duì)誤差均在1%以內(nèi),制冷機(jī)動(dòng)態(tài)模型的在變工況條件下的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。(2)基于建立的由微燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)及冷卻塔組成的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型,研究了微燃機(jī)分布式供能系統(tǒng)變工況特性,分析了冷卻水出口溫度不變以及風(fēng)扇耗功不變兩種冷卻塔運(yùn)行模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)微燃機(jī)功率從76 kW下降到25 kW時(shí),系統(tǒng)一次能源利用率從56.9%下降到46.9%,系統(tǒng)一次能源利用率的下降主是由微燃機(jī)引起;當(dāng)環(huán)境溫度從10℃上升到30℃時(shí),微燃機(jī)發(fā)電效率從27.16%下降到24.06%、輸出電功率從84 kW下降到66 kW,而制冷機(jī)制冷量從100.5 kW上升到101.5 kW;在微燃機(jī)功率或環(huán)境溫度變化時(shí),冷卻塔兩種運(yùn)行模式對(duì)制冷機(jī)制冷量的影響的差別均較小。(3)基于建立的一個(gè)單效吸收式制冷機(jī)動(dòng)態(tài)模型,研究了冷卻水、冷媒水溫度以及發(fā)生器、蒸發(fā)器熱慣性對(duì)制冷機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響,并比較了以冷媒水出口溫度為控制變量和以發(fā)生器溶液溫度為控制變量的兩種控制策略的優(yōu)劣。結(jié)果表明,降低冷卻水入口溫度使制冷機(jī)性能系數(shù)(COP)和制冷量均增加,但會(huì)增加結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn);降低冷媒水入口溫度使COP和制冷量降低,不易發(fā)生結(jié)晶;主要部件內(nèi)溶液的熱容是造成制冷機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的重要因素,當(dāng)發(fā)生器內(nèi)溶液質(zhì)量從1 kg增加到20 kg時(shí),動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間從200 s增加到3000 s,發(fā)生器內(nèi)溶液初始質(zhì)量對(duì)制冷機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后較其它部件影響為大;當(dāng)冷媒水出口溫度設(shè)定值從14.5℃階躍變?yōu)?4℃時(shí),采用發(fā)生器溶液和冷媒水出口溫度作為操作變量,調(diào)節(jié)時(shí)間分別為700 s和1700 s,因此前者的調(diào)節(jié)效果更好。(4)建立了包括微燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)、冷卻塔、用戶、管路及常規(guī)PID控制系統(tǒng)在內(nèi)的分布式供能全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,模擬了多種工況下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制特性。計(jì)算表明,當(dāng)微燃機(jī)功率階躍下降,微燃機(jī)、吸收式制冷機(jī)、用戶室內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為20 s、300 s、1500 s左右,存在數(shù)量級(jí)的差異。接著,在一天24小時(shí)環(huán)境溫度和電負(fù)荷平穩(wěn)變化的條件下,研究了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。研究表明,在PID控制器作用下,室內(nèi)溫度將出現(xiàn)3.6℃的最大溫差,影響用戶舒適度;在系統(tǒng)中加入補(bǔ)燃及增加邏輯控制環(huán)節(jié),用戶室內(nèi)溫度最大溫差降到2.7℃;微燃機(jī)部分排煙被直接排出,全天一次能源利用率平均為55.4%,較設(shè)計(jì)工況低2.9個(gè)百分點(diǎn);在用戶側(cè)加入蓄能裝置,并通過優(yōu)化P控制參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)流程等措施發(fā)展了新的分布式供能系統(tǒng)控制策略,可使微燃機(jī)排煙全部被利用,且用戶端最大溫差降為1.5℃,同時(shí)全天制冷機(jī)制冷量平均提高5 kW,系統(tǒng)平均一次能源利用率提高到57.6%。最后,研究了在用戶側(cè)加入蓄能裝置,當(dāng)發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。研究表明,當(dāng)環(huán)境溫度從30℃下降到28℃時(shí),調(diào)節(jié)時(shí)間20 s左右,無超調(diào)量,冷媒水出口溫度經(jīng)過500 s后達(dá)到穩(wěn)定,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)節(jié)。(5)針對(duì)PID控制導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩和超調(diào)問題,首先將DMC預(yù)測(cè)控制的方法應(yīng)用于吸收式制冷機(jī)中。研究表明,當(dāng)DMC控制器采樣周期為5 s時(shí),系統(tǒng)超調(diào)量2.7%,調(diào)節(jié)時(shí)間為750 s,采樣時(shí)間為50 s時(shí),系統(tǒng)無超調(diào)量,調(diào)節(jié)時(shí)間2000 s,采樣周期、階躍模型的模型長度及控制變量的初始值對(duì)控制效果有很大影響;當(dāng)制冷機(jī)的熱源溫度或者環(huán)境冷媒水的入口溫度發(fā)生階躍擾動(dòng),在DMC控制器的作用下,系統(tǒng)可以平緩的調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài),解決了 PID控制器引起的系統(tǒng)劇烈動(dòng)作和振蕩問題。然后,將DMC預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于分布式供能系統(tǒng)中并開展了研究。研究表明,對(duì)分布式供能系統(tǒng),當(dāng)制冷機(jī)吸收器冷卻水入口溫度發(fā)生階躍下降1℃,采用PID控制超調(diào)量到達(dá)19%,調(diào)節(jié)時(shí)間超過1200s,系統(tǒng)容易發(fā)生嚴(yán)重的振蕩和超調(diào),采用DMC預(yù)測(cè)控制時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量僅為3%,調(diào)節(jié)時(shí)間約為1000 s,說明DMC控制可在大擾動(dòng)下、無蓄能條件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié),同時(shí)魯棒性強(qiáng),在多種工況下均有較好的調(diào)節(jié)效果。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK01;TK471

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