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适用于分布式能源系统的小型燃气轮机通用模型研究

作　者: 沈岑
导　师: 钟英杰; 张雪梅
学　校: 浙江工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 模块化建模小型燃机 Modelica/Dymola 仿真
分类号: TK471
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在分布式能源系统中,小型燃机不仅仅是将热能转化为机械能的动力设备,还是余热的提供设备。虽然小型燃机的发电效率并不高,但其在分布式能源系统中的能源利用率很高,对于冷热负荷较大的用户而言,选择小型燃机有其潜在的优势。因此,对小型燃机的发电、余热特性进行研究,建立通用的小型燃机模型,可对选择合适的小型燃机型号和合适的分布式能源系统配置提供一个可靠的参考。本文的主要工作和成果如下：(1)首先对小型燃机各个主要部件进行模块化建模,形成压气机、燃烧室、透平、管道等部件模块。并将各部件模块连接组合成小型燃机完整模型,结合两种型号的小型燃机参数对其稳态模型的准确性和通用性进行验证。结果表明,在全负荷或者部分负荷下,稳态验证的准确性高,可用于小型燃机动态仿真。(2)小型燃机模型进行动态仿真时,当设定发电功率以斜坡输入,空气质量流量、燃气质量流量和排烟温度也都为斜坡变化,压比的变化范围很小,大致仍在在设计工况范围内,说明压气机仍然保持较高的效率运行。(3)将小型燃机的稳态模型与建立的余热锅炉模型组合形成分布式能源系统稳态模型,在环境温度15℃时,小型燃机全负荷运行,所以小型燃机的各项模拟输出数据基本不变,而在余热锅炉中传递的热量在3278kW左右,分布式能源系统的热电效率模拟值为76.88%。与设计总效率77.8%的误差是1.18%。(4)对应用案例中的用电量情况进行分析,将小型燃机模型用于模拟不同季节典型日里实际发电量的变化。并结合实际用电量情况,确定了小型燃机的全负荷运行时间和部分负荷运行时间。模拟结果显示,小型燃机的燃气流量变化与发电量变化一致；在全负荷运行时,烟气流量亦与发电量变化一致；部分负荷运行时,由于空气流量会增加,即使燃气流量减少,烟气流量仍呈现增加的趋势；烟气温度的基准温度与当下的环境温度有关,但其变化趋势与发电量的大小变化一致。(5)对小型燃机进行动力性能优化运行分析,结果显示,在炎热的气候条件下,通过对小型燃机压气机入口空气进行冷却,发电功率有所增加,环境温度在28℃～40℃时,功率增加率PGR为3.48%-7.19%。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
符号说明  11-12
第1章绪论  12-17
  1.1 课题研究背景  12-14
  1.2 基于Modelica的小型燃机仿真国内外研究现状  14-15
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15
  1.3 本文的主要研究内容  15-17
第2章 Modelica语言和Dymola软件  17-26
  2.1 引言  17
  2.2 Modelica语言  17-18
  2.3 Dymola软件  18-20
  2.4 仿真软件比较分析  20-22
    2.4.1 实例分析  20-22
  2.5 Modelica标准库和ThermoPower库  22-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章小型燃气轮机通用模型的建立  26-38
  3.1 引言  26
  3.2 SmallGasTurbine库架构  26-27
  3.3 接口模块  27-28
  3.4 介质模块  28-29
  3.5 压气机模块  29-32
    3.5.1 压气机控制方程  29-30
    3.5.2 压气机特性曲线模块  30-32
  3.6 透平模块  32-34
    3.6.1 透平控制方程  32-33
    3.6.2 透平特性曲线  33-34
  3.7 燃烧室模块  34-35
    3.7.1 质量守恒  34-35
    3.7.2 能量守恒  35
  3.8 其他部件模块  35-37
    3.8.1 气源和储气器模块  36
    3.8.2 管道模块  36
    3.8.3 温度传感器模块  36-37
  3.9 本章小结  37-38
第4章小型燃机仿真与结果分析  38-54
  4.1 小型燃机模型框架  38-39
  4.2 小型燃机参数  39-40
  4.3 小型燃机稳态验证  40-45
  4.4 小型燃机动态仿真  45-47
    4.4.1 数据输入模块  45
    4.4.2 小型燃机的动态模型：发电功率斜坡变化输入  45-47
  4.5 小型燃机分布式能源模型稳态仿真  47-53
    4.5.1 余热锅炉模块  48-51
    4.5.2 分布式能源系统模型  51-53
  4.6 本章小结  53-54
第5章小型燃机应用案例  54-65
  5.1 案例背景  54
  5.2 小型燃机配置  54-60
    5.2.1 小型燃机运行策略  54-55
    5.2.2 用户用电负荷  55-58
    5.2.3 小型燃机选型  58-59
    5.2.4 小型燃机发电量  59-60
  5.3 小型燃机运行模拟  60-64
    5.3.1 冬季典型日小型燃机运行模拟  60-61
    5.3.2 春秋季典型日小型燃机运行模拟  61-62
    5.3.3 夏季典型日小型燃机运行模拟  62-64
  5.4 本章小结  64-65
第6章小型燃机优化运行分析  65-68
  6.1 引言  65
  6.2 小型燃机优化运行分析  65-67
  6.3 本章小结  67-68
第7章结论与展望  68-70
  7.1 结论  68-69
  7.2 展望  69-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
攻读学位期间参加的科研项目和成果  74

适用于分布式能源系统的小型燃气轮机通用模型研究

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