微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析

DynamicalSystemsandControl动力系统与控制,2015,4,17-24PublishedOnlineJanuary2015inHans.://dx.doi.org/10.12677/dsc.2015.4100317SimulationandPerformanceAnalysisofMicroGasTurbineDistributedEnergySystemYunjiaoGu1,ChaohaoLu2,LiOuyang1,YiwuWeng21CentralResearchInstituteofShanghaiElectricGroupCo.,Ltd.,Shanghai2GasTurbineInstituteofShanghaiJiaoTongUniversity,ShanghaiEmail:[e-mail]:Dec.30th,2014;accepted:Jan.15th,2015;published:Jan.22nd,2015Copyright©2015byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析古云蛟1，陆超豪2，欧阳丽1，翁一武21上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海2上海交通大学燃气轮机研究院，上海Email:[e-mail]收稿日期：2014年12月30日；录用日期：2015年1月15日；发布日期：2015年1月22日微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析18摘要微型燃气轮机和溴化锂空调机组成的分布式供能系统效率高、排放少、灵活性强。本文建立了微型燃气轮分布式供能系统仿真模型。在系统设计点处进行仿真计算，得到稳态运行参数；并针对用户电负荷变化以及冷负荷变化的变工况性能进行动态性能仿真与分析，为微型燃气轮分布式供能系统设计和应用提供基础数据。关键词微型燃气轮机，空调机，分布式供能，动态仿真1.引言微型燃气轮机用于分布式供能系统，具有结构紧凑、重量轻、噪音较小、高可靠性，安装简单，少维护、可用燃料范围广以及低排放等优点[1]。由微燃机和溴化锂空调机组成的分布式供能系统可以有效降低了燃烧排放和制冷排放，提高了能源利用率，能够满足较小用户的需求，目前这类分布式供能在学校、商场、医院、办公楼宇及商用住宅等类型建筑里有广泛应用[2]。参照上海紫竹科技园区软件大楼微燃机分布式供能系统，本项目的系统配置和参数如图1所示。2.系统设计参数微型燃气轮机发电机由压气机、涡轮机、燃烧室、回热器和发电机等部件组成，溴化锂吸收式制冷由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、及节流阀等部件组成。充分考虑季节、时间等因素对冷、热负荷的不同需求，来对系统主要性能参数进行设计和配置，见表1。Figure1.Diagramofmicrogasturbinedistributedenergysupplysystem图1.微燃机分布式供能系统图微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析19Table1.Mainparametersofsystem表1.系统主要参数燃气轮机溴化锂空调机功率kW30.0(+0/−1)供热量kW200效率%26.0制冷量kW230燃料流量kJ/hr415,000进气流量kg/s0.64排气余热kJ/hr327,000进气温度℃520燃气进气压力kg/cm23.66~3.87进气压力Bar1.267排气温度℃275冷热水流量m3/hr40天然气量Nm3/hr21.75冷却水流量m3/hr58燃烧所需空气量Nm3/hr238.73机组散热量kJ/hr2000微型燃气轮机发电机的输出电为50Hz，380VAC，单台输出功率范围0~30KW。溴化锂冷热空调机组在制冷工况下冷水进口/出口温度为12℃/7℃，允许最低出口温度5℃；冷却水进口/出口温度为32℃/38℃，允许变化范围为18℃~34℃；冷热水、冷却水流量调节范围为60%~120%。3.分布式供能系统建模微型燃气轮机分布式供能系统采用集总参数对象动力学模型,认为热力系统中流体工质的热力学状态参数(如温度、压力等)在空间上近于均匀分布，用某一点的参数来代表。因而其动力学过程模型完全可由常微分方程组描述，即热力学参数只是时间的函数。各个部件的模型包含相应的特性方程，并将各个部件按实际的系统结构连接成流体网格，建立系统的流体网络模型[3]。3.1.微型燃气轮机的模型微型燃气轮机系统划分为以下模块：压气机，回热器，燃烧室，涡轮和转子等模块，如图2所示。1)压气机模型压气机的工作特性与压比π、折合转速nT、折合流量aGTP和效率η有关，相关模型计算公式如下：()1111211211,,,,11,1,cackkcmccapacapacGTnfPTnfTTTTWGCTGCπηππηπη−==−=+−=××∆=××其中1ckmk−=。2)透平模型透平的工作特性与透平的膨胀比tπ、折合转速nT、折合流量gGTP和效率tη四个参数有关，相关的模型计算公式为：微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析20Figure2.Schematicdiagramofrecoveriedmicrogasturbine图2.回热型微型燃气轮机示意图()31332343134,,,,111,,gttkktgpgGTnfPTnfTTTWGCTTπηπηπ−===−−=××−其中gG为烟气流量，3T、4T分别为透平进出口烟气温度，pgC为透平进出口烟气的平均定压比热容，tη为涡轮的效率，tW为微型燃气轮机输出功。3)燃烧室模型由于燃烧的天然气是混合气体，燃烧室的能量守恒方程为[4]：()aafffubafgGhGhGhGGhη++=+其中aG、fG分别为燃烧室进口空气和燃料质量流量，ah、fh分别为燃烧室进口空气和燃料的比焓，uh为燃料的地位热值，bη为燃烧效率，gh为燃烧产物比焓。4)回热器和转子建模回热器热交换方程：()()()22424444422242,,.aaaaTTTTTTTTTTTTTTααα−=−=−=−−=−−其中，2T和2aT分别是空气进入和进出回热器的温度，α是回热度，4T和4aT分别是烟气进入和进出回热器的温度。转子动态方程为：2230d,dd,d900tcItcInJnPPPtPPPntJnππ=−−−−=×⋅其中，透平功率tP、压气机耗功cP、负载功率IP，J为轴系的转动惯量与轴系的尺寸和材料有关，n为微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析21轴系的转速。3.2.吸收式制冷机的建模吸收式空调机模型包括:发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器模块[5]，如图3所示。1)发生器模块进入发生器的稀溶液流量为aG，质量分数为aξ，比焓为7H，加热量为gQ，离开的冷剂蒸汽量为D，比焓3h′，浓溶液量是aGD−，质量分数和比焓分别为rξ和4h，相应模型为：7343471,=,1gggaaaggQQQGhGGhhqqhhhDDDDDD′′+=+−=+−−gq为发生器的单位热负荷(质量热流量)，热负荷可以表示为ggQqD=。2)冷凝器模块进入冷凝器的冷剂蒸汽量为D，比焓为3h′，冷却水带走的热流量为kQ，流出的冷剂水量为D，比焓为3h，进入冷凝器的热流量为3Dh′，流出的热流量为3kQDh+，在稳定工况下两者应相等。即：33kDhQDh′=+。3)吸收器模块进入吸收器的热流量为()18aDhGDh′+−，流出的热流量为2aaQGh+，在稳定工况下，二者应相等，即：()()218182,,1aaaaaaQQGhDhGDhqqhahahD′′+=+−==+−−aq为吸收器的单位热负荷，吸收器热负荷：aaQqD=。4)蒸发器模块进入蒸发器的冷剂水比焓为3h，流量为D。冷水放出的热流量为0Q，从蒸发器中流出的冷剂蒸汽量为D，比焓1h′，进入蒸发器的热流量为01QDh′+，流出的热流量是1Dh′，在稳定工况下两者应相等，即100DhQDh′′=+。4.分布式供能仿真运行及数据分析微燃机分布式供能系统主机采用两台功率30KW的微型燃气轮机和一台200KW溴化锂吸收式制冷机。在溴化锂制冷机有补燃情况下，微型燃气轮机与溴化锂制冷机可以独立运行，通过调节补燃量满足各自的用户负荷。微燃机分布式供能系统的性能仿真在MATLAB/SIMULINK环境中完成。4.1.仿真运行稳态微型燃气轮机分布式供能系统稳态参数如表2所示。4.2.变工况运行通过调节补燃量，可以满足微型燃气轮机和溴化锂吸收式制冷机用户负荷要求，二者也可以独立运行。1)用户电负荷变化当用户的电负荷发生变化时，通过调节微型燃气轮机的燃料量满足用户电负荷变化要求。与此同时，微型燃气轮机余热发生变化，可以通过调节补燃量保证溴化锂吸收式制冷机运行在设计工况(200KW)。下面是在2500秒时用户电负荷从60KW下降到50KW时的单台微型燃气轮机和溴化锂空调机的工作参数变化的动态过程，如图4，图5所示。2)用户冷负荷变化当用户的冷负荷发生变化，电用户不变时。可以通过调节溴化锂空调机的燃料补给量来满足用户冷负荷的要求。下面是在2600秒时用户冷负荷从200KW下降到180KW时的溴化锂空微型燃气轮机分布式供能系统仿真及性能分析22Figure3.Flowdiagramofabsorptionrefrigerationmachine图3.收式制冷机流程图Table2.Steadystateparametersofthedistributedenergysupply表2.微型燃气轮机分布式供能系统稳态参数燃气轮机参数名称运行结果溴化锂空调机运行结果压气机出口温度K449.3发生器压力MPa0.009空气流量kg/s0.3132浓溶液出口温度℃98压气机出口压力bar3.21稀溶液进口温度℃54.5压气机耗功KW40.06出口浓溶液流量Kg/s0.6063压气机压比3.2进口稀溶液流量Kg/s0.6923回热器烟气入口温度K889.6蒸汽发生量0.086回热器烟气出口温度K506.5高压发生器加热量KW248.9燃料入口流量kg/s0.