專利名稱：能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別用于特定應(yīng)用的數(shù)字計(jì)算或數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)據(jù)處理方法，特別是涉及一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
能源島技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)分布式能量聯(lián)供方式，它是以微型燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)技術(shù)與廢氣增壓透平技術(shù)、高溫柴油機(jī)技術(shù)、余熱鍋爐、新型制冷技術(shù)、太陽能技術(shù)等結(jié)合而組成的聯(lián)合循環(huán)能量聯(lián)供系統(tǒng)，可同時(shí)供應(yīng)電、熱、冷和功以滿足用戶的特殊需要。適用于重要機(jī)關(guān)、軍事基地、通訊機(jī)房、機(jī)場(chǎng)、大型體育場(chǎng)以及偏遠(yuǎn)地方用戶的需要，提供靈活的可移動(dòng)的能源供應(yīng)。目前，對(duì)能源島的研究主要集中于兩個(gè)方面一是對(duì)于組成能源島系統(tǒng)的單個(gè)部件的性能研究，例如微型燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)技術(shù)和變頻技術(shù)、或者例如余熱鍋爐技術(shù)和余熱型吸收式制冷技術(shù)等的研究；另一方面，是對(duì)整個(gè)能源島系統(tǒng)的綜合性能的研究和優(yōu)化，例如對(duì)于不同組成的能源島系統(tǒng)進(jìn)行的有效能分析以及熱經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析等。進(jìn)行這兩方面的研究，一是通過建立示范工程針對(duì)能源島系統(tǒng)的實(shí)體或者是其局部部件的實(shí)體進(jìn)行；二是通過仿真技術(shù)模擬能源島系統(tǒng)的實(shí)體或者是其局部部件的實(shí)體進(jìn)行研究。同時(shí)，仿真技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)能源、動(dòng)力系統(tǒng)分析、以及技術(shù)培訓(xùn)的主要手段。電力和能源系統(tǒng)的仿真技術(shù)，就其實(shí)現(xiàn)的方式可以分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真幾種方法。模擬仿真是以模擬電路和模擬計(jì)算器為核心，數(shù)字仿真則是以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算主體，而混合仿真則是利用部分實(shí)物主體數(shù)據(jù)和部分仿真數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)而實(shí)現(xiàn)的。目前，電站或其他能源系統(tǒng)的仿真裝置基本都是以單個(gè)機(jī)組作為仿真對(duì)象，模擬其操作、運(yùn)行、報(bào)警等功能，達(dá)到認(rèn)識(shí)系統(tǒng)和技術(shù)培訓(xùn)的目的，而以能源系統(tǒng)整體為仿真對(duì)象的仿真實(shí)驗(yàn)裝置較少。另一方面，現(xiàn)有的仿真裝置主要注重能夠復(fù)現(xiàn)實(shí)體的運(yùn)行和報(bào)警等基本操作，很少注意其變工況的動(dòng)態(tài)過渡過程方面，因此，現(xiàn)有的能源系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)裝置是不能全面反映并模擬能源系統(tǒng)本身。至于針對(duì)更為復(fù)雜的能源島系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)裝置目前尚未見諸報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法，通過該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同配置、不同性能參數(shù)的能源島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程、動(dòng)態(tài)過渡過程、變工況控制過程、以及整個(gè)系統(tǒng)綜合性能的研究，為建立節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高的實(shí)際能源島系統(tǒng)提供中間實(shí)驗(yàn)過程，從而縮短設(shè)計(jì)和建設(shè)周期。本發(fā)明的另一目的是提供一種應(yīng)用上述方法的能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置仿真模擬以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心、同時(shí)配置余熱鍋爐和直燃機(jī)的熱、電、冷三聯(lián)供能源島系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程、動(dòng)態(tài)過程、調(diào)節(jié)控制過程、手動(dòng)控制過程和自動(dòng)控制過程以及報(bào)警過程等，使設(shè)計(jì)人員不必經(jīng)過示范工程就能篩選出最佳的能源島設(shè)計(jì)方案，該裝置也將幫助操作人員熟悉能源島系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟(a)根據(jù)相似理論將能源島三聯(lián)供系統(tǒng)的能量傳遞關(guān)系及其各個(gè)部件的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為電路模擬網(wǎng)絡(luò)，所述電路模擬網(wǎng)絡(luò)由壓氣機(jī)模擬電路、燃燒室模擬電路、回?zé)崞髂M電路、燃?xì)馔钙侥M電路、轉(zhuǎn)速模擬控制電路、軸系轉(zhuǎn)子力平衡模擬電路、閥門調(diào)節(jié)模擬電路、工況參數(shù)給定電路、部件參數(shù)設(shè)定電路、直燃機(jī)模擬電路以及余熱鍋爐模擬電路組成；(b)根據(jù)步驟a確立的電路模擬網(wǎng)絡(luò)建立能源島三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)物模型，所述實(shí)物模型包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、直燃機(jī)和用戶操作臺(tái)，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集該實(shí)物模型各個(gè)部件的參數(shù)值；(c)提供一個(gè)人機(jī)交互軟件界面，由用戶在該軟件界面中選擇能源島系統(tǒng)的各個(gè)部件模擬配置能源島三聯(lián)供系統(tǒng)，提示用戶輸入由步驟b確定的系統(tǒng)各個(gè)部件的參數(shù)值，然后該軟件根據(jù)部件連接關(guān)系式、工質(zhì)連接關(guān)系式以及相應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系式判斷用戶模擬配置的能源島三聯(lián)供系統(tǒng)是否有缺陷并將結(jié)果反饋給用戶。
一種實(shí)現(xiàn)上述方法的能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其中電源系統(tǒng)分別連接主控制柜、能源島三聯(lián)供模型和控制計(jì)算機(jī)，其中控制計(jì)算機(jī)的一端通過主控柜連接能源島三聯(lián)供模型、另一端分別連接分析仿真模塊和數(shù)據(jù)采集顯示模塊。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用模擬仿真為主、數(shù)字仿真為輔的混合仿真方法，達(dá)到兩種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。所述能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置可以通過參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)0～100KW、余熱鍋爐和直燃機(jī)任意參數(shù)配置的所有能源島系統(tǒng)進(jìn)行仿真，改變了傳統(tǒng)電站仿真系統(tǒng)針對(duì)單一機(jī)組的局限性。本發(fā)明通過運(yùn)行和控制實(shí)驗(yàn)，研究能源島系統(tǒng)參數(shù)的合理配置、控制參數(shù)的優(yōu)化，以及進(jìn)行系統(tǒng)校和、分析和仿真中試，突破了以往仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只局限于操作人員培訓(xùn)的缺點(diǎn)。本發(fā)明通過參數(shù)設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)同時(shí)或者單獨(dú)配置直燃機(jī)或余熱鍋爐的能源島系統(tǒng)進(jìn)行仿真燃?xì)廨啓C(jī)(0-100KW)、余熱鍋爐和直燃機(jī)任意參數(shù)的三聯(lián)供系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和偏離設(shè)計(jì)工況的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；啟動(dòng)過程、負(fù)荷調(diào)節(jié)、工況變動(dòng)等的動(dòng)態(tài)過渡過程仿真；手動(dòng)控制運(yùn)行、自動(dòng)控制運(yùn)行、報(bào)警等的仿真運(yùn)行，使設(shè)計(jì)人員不必經(jīng)過示范工程就能篩選出最佳的能源島設(shè)計(jì)方案，為建立節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高的實(shí)際能源島系統(tǒng)提供中間實(shí)驗(yàn)過程，從而縮短設(shè)計(jì)和建設(shè)周期。


圖1是微型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)過程仿真等效電路網(wǎng)絡(luò)圖；圖2是能源島仿真模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是能源島三聯(lián)供模型連接關(guān)系圖；圖4是人機(jī)交互軟件界面一；圖5是人機(jī)交互軟件界面二；圖6是人機(jī)交互軟件界面三；圖7是人機(jī)交互軟件界面四；圖8是動(dòng)態(tài)仿真菜單圖；圖9是燃料選擇子窗體圖；圖10是帶回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)圖；圖11定轉(zhuǎn)速過渡過程圖；圖12變轉(zhuǎn)速過渡過程圖；圖13燃料熱值發(fā)生57300KJ/Kg到為31715KJ/Kg變化的系統(tǒng)響應(yīng)過程圖；
圖14起動(dòng)關(guān)系曲線圖；圖15滿負(fù)荷啟動(dòng)動(dòng)態(tài)過渡過程圖；圖16聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)圖；圖17聯(lián)合控制初始穩(wěn)態(tài)工況圖；圖18聯(lián)合控制余熱鍋爐和直燃機(jī)部分參數(shù)響應(yīng)過程；圖19運(yùn)行和控制優(yōu)化菜單；圖20燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制質(zhì)量比較圖；圖21能源島系統(tǒng)圖庫(kù)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體描述一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于如下步驟(a)根據(jù)相似理論將能源島三聯(lián)供系統(tǒng)的能量傳遞關(guān)系及其各個(gè)部件的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為電路模擬網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，所述電路模擬網(wǎng)絡(luò)由壓氣機(jī)模擬電路、燃燒室模擬電路、回?zé)崞髂M電路、燃?xì)馔钙侥M電路、轉(zhuǎn)速模擬控制電路、軸系轉(zhuǎn)子力平衡模擬電路、閥門調(diào)節(jié)模擬電路、工況參數(shù)給定電路、部件參數(shù)設(shè)定電路、直燃機(jī)模擬電路以及余熱鍋爐模擬電路組成；(b)根據(jù)步驟a確立的電路模擬網(wǎng)絡(luò)建立能源島三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)物模型，所述實(shí)物模型包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、直燃機(jī)和用戶操作臺(tái)，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集該實(shí)物模型各個(gè)部件的參數(shù)值；(c)提供一個(gè)人機(jī)交互軟件界面，由用戶在該軟件界面中選擇能源島系統(tǒng)的各個(gè)部件模擬配置能源島三聯(lián)供系統(tǒng)，提示用戶輸入由步驟b確定的系統(tǒng)各個(gè)部件的參數(shù)值，然后該軟件根據(jù)部件連接關(guān)系式、工質(zhì)連接關(guān)系式以及相應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系式判斷用戶模擬配置的能源島三聯(lián)供系統(tǒng)是否有缺陷并將結(jié)果反饋給用戶。
一種實(shí)現(xiàn)上述方法的能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示，其中電源系統(tǒng)6分別連接主控制柜1、能源島三聯(lián)供模型2和控制計(jì)算機(jī)3，其中控制計(jì)算機(jī)3的一端通過主控柜1連接能源島三聯(lián)供模型2、另一端分別連接分析仿真模塊4和數(shù)據(jù)采集顯示模塊5。主控制柜1中參數(shù)設(shè)定面板9、操作方式面板10、負(fù)荷調(diào)節(jié)面板11和啟動(dòng)停機(jī)面板12連接模擬電路板8，所述模擬電路板8連接顯示儀表面板7。如圖3所示，所述能源島三聯(lián)供模型2中燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)13分別連接直燃機(jī)16、余熱鍋爐17和發(fā)電機(jī)14，發(fā)電機(jī)14通過變壓器15和電塔及傳輸線23連接到用戶樓房20，所述直燃機(jī)16的一端通過連接管路25連接到用戶樓房20、另一端通過煙筒23連接的余熱鍋爐17連接到用戶樓房20、其第三和第四端分別連接冷卻塔18和水池19，所述余熱鍋爐17連接水池19，燃料罐21分別連接燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)13、直燃機(jī)16和余熱鍋爐17。所述能源島三聯(lián)供模型2中置有八個(gè)可調(diào)閥門，其中燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥門25置于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)13和燃料罐9之間的管路上，直燃機(jī)補(bǔ)燃閥門26置于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)13和直燃機(jī)16之間的管路上，直燃機(jī)余熱閥門27置于直燃機(jī)16和余熱鍋爐17之間的管路上，直燃機(jī)給水閥28置于直燃機(jī)16和水池19之間的管路上，用戶常溫水閥門29置于水池19和用戶樓房20之間的管路上，余熱鍋爐給水閥30置于余熱鍋爐17和水池19之間的管路上，余熱鍋爐余熱閥門31置于直燃機(jī)16和余熱鍋爐17之間的管路上，余熱鍋爐補(bǔ)燃閥32置于燃料罐9和余熱鍋爐17之間的管路上。所述能源島三聯(lián)供模型2中置有三個(gè)給水泵，其中直燃機(jī)回水泵33置于直燃機(jī)16和冷卻塔18之間的管路上，直燃機(jī)給水泵34置于直燃機(jī)16和水池19之間的管路上，余熱鍋爐給水泵35置于余熱鍋爐17和水池19之間的管路上。本發(fā)明采用了模擬和數(shù)字仿真相結(jié)合的混合仿真技術(shù)，主要通過模擬計(jì)算加、減、微分、積分等和部分?jǐn)?shù)字計(jì)算乘除法的方法，實(shí)現(xiàn)以微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心、同時(shí)配置余熱鍋爐和直燃機(jī)的熱、電、冷三聯(lián)供系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)過程、調(diào)節(jié)控制過程、手動(dòng)控制和自動(dòng)控制以及報(bào)警等功能。整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件系統(tǒng)提供基本的模擬計(jì)算和設(shè)定、調(diào)節(jié)及其它操作，軟件部分可以連接硬件實(shí)驗(yàn)裝置或者單獨(dú)完成能源島系統(tǒng)的分析和仿真。
一、本發(fā)明的硬件部分根據(jù)能源島三聯(lián)供系統(tǒng)的能量傳遞關(guān)系及其各個(gè)部件的傳遞函數(shù)，根據(jù)相似理論，建立相應(yīng)的部件電路模擬網(wǎng)絡(luò)，部分電路網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。電路原理的全圖主要包括壓氣機(jī)模擬電路、燃燒室模擬電路、回?zé)崞髂M電路、燃?xì)馔钙侥M電路、轉(zhuǎn)速模擬控制電路、軸系轉(zhuǎn)子力平衡模擬電路、閥門調(diào)節(jié)模擬電路、工況參數(shù)給定電路、部件參數(shù)設(shè)定電路、直燃機(jī)模擬電路、余熱鍋爐模擬電路等，通過對(duì)設(shè)計(jì)的電路繪制元件連接圖，制作成模擬電路板8，元件焊接后并連接完導(dǎo)線布置于主控制柜1內(nèi)。能源島三聯(lián)供系統(tǒng)模型2以燃?xì)廨啓C(jī)13為核心，包含余熱鍋爐17、直燃機(jī)16、用戶20等能源利用部件，通過仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置的可調(diào)閥門、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、用戶電燈顯示等環(huán)節(jié)，使操作者能夠切實(shí)地體驗(yàn)出實(shí)物操作的感覺。能源島三聯(lián)供系統(tǒng)模型2包括8個(gè)可調(diào)閥門，分別用來調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)燃料量、直燃機(jī)和余熱鍋爐補(bǔ)燃量、直燃機(jī)和余熱鍋爐進(jìn)水流量、直燃機(jī)和余熱鍋爐余熱流量以及用戶水流量。小型直流電動(dòng)機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速根據(jù)模擬電路給定的工況條件下的給定轉(zhuǎn)速變化、能夠清晰地從轉(zhuǎn)速上反映出工況變化和調(diào)節(jié)過程。用戶內(nèi)部布置有電燈，電燈是否點(diǎn)亮由系統(tǒng)是否有電能輸出為依據(jù)，在啟動(dòng)、以及甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中更能反映出燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程。所述能源島三聯(lián)供系統(tǒng)模型2連接關(guān)系如圖3所示。本發(fā)明配備美國(guó)NI公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集路數(shù)32路，16位精度。并且根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，以圖形化的方式動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)提供主要參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以完成能源島系統(tǒng)的數(shù)字仿真、模擬仿真以及數(shù)字模擬混合仿真部分?jǐn)?shù)據(jù)來自硬件裝置、部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部計(jì)算獲得。
主模擬控制柜是能源島仿真系統(tǒng)的核心，除內(nèi)部設(shè)有仿真電路板及其它配件外，主模擬控制柜還設(shè)有參數(shù)顯示面板、主操作面板、參數(shù)設(shè)定面板、以及動(dòng)態(tài)工況調(diào)節(jié)面板等。參數(shù)顯示面板包含有24個(gè)動(dòng)圈顯示儀表，分別用來顯示能源島三聯(lián)供系統(tǒng)中各個(gè)部件、各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，主要分為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)參數(shù)顯示、直燃機(jī)參數(shù)顯示、余熱鍋爐參數(shù)顯示、用戶參數(shù)顯示等；參數(shù)設(shè)定面板主要用來提供用戶設(shè)定不同參數(shù)匹配的系統(tǒng)，包括部件性能參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)等的設(shè)定；操作面板燃?xì)廨啓C(jī)、直燃機(jī)以及余熱鍋爐都分別提供自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式；工況調(diào)節(jié)面板主要提供燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的階躍變化、線性調(diào)節(jié)、甩負(fù)荷；余熱鍋爐入口參數(shù)變化及其出口設(shè)定溫度變化等。
二、本發(fā)明的軟件部分提供人機(jī)交互軟件界面，提供用戶設(shè)計(jì)能源島系統(tǒng)的畫板，在該區(qū)域內(nèi)用戶可以根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)不同配置、不同結(jié)構(gòu)的能源島能量利用系統(tǒng)。另外，軟件的所有圖形顯示、結(jié)果顯示以及中間過程都在這一欄顯示和完成。用戶在分析自己設(shè)計(jì)的能源島系統(tǒng)之前，首先必須人機(jī)交互軟件界面上建構(gòu)出能源島三聯(lián)供系統(tǒng)，并且輸入相應(yīng)的部件參數(shù)，這樣軟件才能正確識(shí)別和分析系統(tǒng)。在能源島三聯(lián)供系統(tǒng)建立完成以后，可以通過菜單中或快捷鍵的命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，軟件將根據(jù)部件連接關(guān)系、工質(zhì)連接關(guān)系以及相應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)系統(tǒng)中的不完善性給出提示；另外，還可以使用循環(huán)動(dòng)畫演示命令，演示不同工質(zhì)在循環(huán)體內(nèi)的傳輸關(guān)系和過程；系統(tǒng)修改對(duì)于不夠完善的系統(tǒng)或者用戶的設(shè)計(jì)改變，可以直接從原有建立的系統(tǒng)進(jìn)行修改，包括刪除部件和連接線、添加部件和連接線、更改部件參數(shù)、改變部件之間的連接關(guān)系等；系統(tǒng)的保存和打開對(duì)于建立好的能源島系統(tǒng)，可以通過保存命令保存起來，文件將以默認(rèn)“*.eis”的文件類型存儲(chǔ)在任何目錄下。同時(shí)，對(duì)于以前保存的文件也可以重新調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行修改和分析。
實(shí)施例1穩(wěn)態(tài)仿真，在這一部分內(nèi)，主要包含設(shè)計(jì)工況計(jì)算和不同偏離設(shè)計(jì)工況下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，如圖4所示。實(shí)用范圍以微型和小型燃?xì)廨啓C(jī)組成的能源島系統(tǒng)為主，燃機(jī)功率0～1000KW，當(dāng)考慮到機(jī)組的泄漏、慣性以及性能變化后可以向中型和大型系統(tǒng)應(yīng)用方面擴(kuò)展。余熱鍋爐從熱水型鍋爐到蒸氣型鍋爐的全范圍。直燃機(jī)提供10度以下冷卻水，并且可以擴(kuò)展風(fēng)機(jī)盤管等等下級(jí)設(shè)備。
算例1對(duì)于圖5的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下，燃?xì)廨啓C(jī)60KW發(fā)電功率，效率為28％，配置熱水型余熱鍋爐，設(shè)計(jì)工況冷水出口溫度90度，水流量0.359千克/秒，余熱利用效率為71％。則穩(wěn)態(tài)仿真設(shè)計(jì)工況和偏離設(shè)計(jì)工況的部分顯示結(jié)果通過設(shè)置或結(jié)果查看可以顯示任何部件的所有參數(shù)如圖6和圖7所示。其中，圖7是環(huán)境溫度從設(shè)計(jì)工況的288K升高到300K的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出結(jié)果。從圖可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燃機(jī)發(fā)電功率將有所下降，但是，余熱鍋爐獲得的余熱量將增加，從而使得制冷量將上升。但總體上系統(tǒng)的效率將下降。
實(shí)施例2動(dòng)態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)仿真中主要涉及到定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)和變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)兩大類，變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)要給出轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的依變關(guān)系，詳見圖8。而每一類系統(tǒng)都可以進(jìn)行下面的變工況過渡過程的計(jì)算模擬。主要過渡過程包括a負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)過程——包括選擇或輸入任意比例的階躍變化、甩負(fù)荷過渡過程以及自定義動(dòng)態(tài)過程。b燃料變化——程序提供了十多種微型燃?xì)廨啓C(jī)常用的氣體燃料的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以通過選擇，直接獲得不同燃料的組成和熱值，見圖9；c啟動(dòng)過程——用以模擬不同機(jī)組的動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過程，提供三種典型的啟動(dòng)方式，并且可以由用戶輸入自定義啟動(dòng)方式；d熱電冷綜合控制——提供三聯(lián)供系統(tǒng)在不同負(fù)荷需求、不同工況條件變化、不同能量分配比例等條件下的自動(dòng)控制、自動(dòng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)過渡過程；e自定義動(dòng)態(tài)過程——由用戶給出用電負(fù)荷時(shí)變關(guān)系、制冷量時(shí)變關(guān)系以及供熱量時(shí)變關(guān)系等動(dòng)態(tài)變化過程，用以模擬任意的動(dòng)態(tài)過渡過程。
算例2負(fù)荷變化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過渡過程，如圖10所示，帶回?zé)岬奈⑿腿細(xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，在滿負(fù)荷工況情況下，負(fù)荷突然負(fù)階躍30％的動(dòng)態(tài)變化過程，圖11、圖12分別示出了定轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程模擬結(jié)果。工況條件工況，滿負(fù)荷條件——發(fā)電功率60KW；效率28％；燃料消耗量4.2g/s。從仿真結(jié)果可以看出，在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制參數(shù)配置合理的條件下，無論是定轉(zhuǎn)速還是變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，都能保證負(fù)荷變化后的轉(zhuǎn)速小的波動(dòng)，并且很快就能得以控制。在輸出功率、效率、以及燃料量過渡過程中，變轉(zhuǎn)速的超調(diào)量和波動(dòng)情況都較定轉(zhuǎn)速系統(tǒng)劇烈，這主要是由于新的轉(zhuǎn)速形成過程中，燃機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速形成更大的偏差，使得調(diào)節(jié)過量所致。二者穩(wěn)定后輸出功率相同，燃料消耗量和效率基本相當(dāng)。
算例3燃料變化動(dòng)態(tài)過渡過程模擬，針對(duì)圖10的系統(tǒng)，在滿負(fù)荷工作的條件下，突然燃料種類發(fā)生變化或者燃料熱值變化、或者燃料壓力發(fā)生變化，熱值從57300KJ/Kg變化為31715KJ/Kg的變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)控制和響應(yīng)動(dòng)態(tài)過渡過程如圖13所示。從圖可以看出，當(dāng)燃料熱值發(fā)生負(fù)階躍時(shí)，開始功率有所變化，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)起作用，燃料流量增加，經(jīng)過一個(gè)收斂振蕩過程后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)速；功率和效率為設(shè)計(jì)工況值，但是燃料流量增加，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間為60s左右。
算例4啟動(dòng)過程仿真啟動(dòng)方式一，啟動(dòng)方式一是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)最常用的一種啟動(dòng)形式，其啟動(dòng)關(guān)系曲線如圖14所示。其整個(gè)過程為首先，由啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)暖機(jī)轉(zhuǎn)速19200rpm，暖機(jī)20s，然后開始加速，稍后開始噴入燃料點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速以一定速率加速，入口溫度和轉(zhuǎn)速關(guān)系由啟動(dòng)曲線定義，并且通過入口溫度控制來調(diào)節(jié)燃料流量，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)脫扣，此時(shí)由透平帶動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)加速至指定負(fù)荷。這種啟動(dòng)方式既兼顧了不至于生溫速度過快導(dǎo)致的透平熱機(jī)械強(qiáng)度問題，同時(shí)，加速速率也保證了壓氣機(jī)不會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)域，是一種保證安全下的快速啟動(dòng)方式。對(duì)于本例的微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，從圖15可以看出，整個(gè)滿負(fù)荷啟動(dòng)過程大約需要120s左右。
算例5熱電冷聯(lián)合控制動(dòng)態(tài)過渡過程，如圖16所示系統(tǒng)透平排出的燃?xì)獠皇侵苯舆M(jìn)入回?zé)崞?，而是通過余熱分配器將其一分三，分別送給回?zé)崞?、余熱鍋爐和直燃機(jī)，本算例的分配比例由用戶設(shè)定設(shè)定為20％回?zé)帷?0％制冷、40％制熱。動(dòng)態(tài)過程為從原來沒有任何補(bǔ)燃情況下的直燃機(jī)和余熱鍋爐初始穩(wěn)態(tài)工況見圖17，流量分別從1.5Kg/s升高為2.5Kg/s和0.5Kg/s升高為1.0Kg/s，設(shè)定出口溫度分別為278K和363K，此時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量升高20％，這一過渡過程如圖18。從算例圖可以看出當(dāng)改變直燃機(jī)和余熱鍋爐的設(shè)定溫度和入口水流量時(shí)，相當(dāng)于改變了整個(gè)系統(tǒng)的制冷量和供熱量，同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率也相應(yīng)地提高，這就使得整個(gè)系統(tǒng)的電負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱負(fù)荷同時(shí)調(diào)整，系統(tǒng)將通過改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)燃料量、余熱鍋爐和直燃機(jī)的補(bǔ)燃量的辦法實(shí)現(xiàn)設(shè)定的負(fù)荷。從圖18可以看出，大約經(jīng)過40～80s的時(shí)間，系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。這里，直燃機(jī)和余熱鍋爐的滯后時(shí)間由于沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給的值比較小，用戶可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)給出相應(yīng)的滯后時(shí)間常數(shù)，那么，過渡時(shí)間將發(fā)生變化，但是不會(huì)改變整個(gè)控制過程。運(yùn)行和控制優(yōu)化，主要提供用戶對(duì)系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)化見圖19，主要包括啟動(dòng)過程優(yōu)化——提供起動(dòng)方式優(yōu)化改變不同起動(dòng)方式優(yōu)化系統(tǒng)的起動(dòng)過程、起動(dòng)參數(shù)優(yōu)化改變確定起動(dòng)方式下的參數(shù)優(yōu)化；轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化——通過改變轉(zhuǎn)速控制方式有差調(diào)節(jié)方式、無差調(diào)節(jié)方式、調(diào)節(jié)參數(shù)來優(yōu)化和考察動(dòng)態(tài)過程的轉(zhuǎn)速控制效果；入口溫度控制優(yōu)化——根據(jù)實(shí)際的透平溫度特性，通過改變控制參數(shù)來優(yōu)化溫度控制特性。
算例6不同轉(zhuǎn)速控制參數(shù)下的控制質(zhì)量比較，通過改變轉(zhuǎn)速控制積分時(shí)間常數(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制質(zhì)量比較結(jié)果見圖20。圖中，當(dāng)調(diào)節(jié)偏差單位取為rpm時(shí)，210s處由上至下積分時(shí)間常數(shù)分別為1e-4s；5e-4s；1e-5s；5e-5s；1e-6s；5e-6s；1e-7s。從圖20中可以看到，在積分時(shí)間常數(shù)從小向大變化的過程中，轉(zhuǎn)速控制經(jīng)歷了一個(gè)從發(fā)散—等幅—收斂—等幅—發(fā)散振蕩過程變化特點(diǎn)，這就說明，燃?xì)廨啓C(jī)控制參數(shù)必須根據(jù)不同的機(jī)組特點(diǎn)給出適當(dāng)?shù)膮?shù)值，否則將不能達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。針對(duì)于本算例的情況，積分時(shí)間常數(shù)應(yīng)當(dāng)取為1e-5s-1e-6s區(qū)間比較合適。而在此區(qū)間內(nèi)，控制參數(shù)仍然有一個(gè)優(yōu)化的問題。系統(tǒng)分析主要包括熱經(jīng)濟(jì)性分析、有效能分析、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析。
權(quán)利要求
1.一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于如下步驟(a)根據(jù)相似理論將能源島三聯(lián)供系統(tǒng)的能量傳遞關(guān)系及其各個(gè)部件的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為電路模擬網(wǎng)絡(luò)，所述電路模擬網(wǎng)絡(luò)由壓氣機(jī)模擬電路、燃燒室模擬電路、回?zé)崞髂M電路、燃?xì)馔钙侥M電路、轉(zhuǎn)速模擬控制電路、軸系轉(zhuǎn)子力平衡模擬電路、閥門調(diào)節(jié)模擬電路、工況參數(shù)給定電路、部件參數(shù)設(shè)定電路、直燃機(jī)模擬電路以及余熱鍋爐模擬電路組成；(b)根據(jù)步驟a確立的電路模擬網(wǎng)絡(luò)建立能源島三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)物模型，所述實(shí)物模型包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、直燃機(jī)和用戶操作臺(tái)，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集該實(shí)物模型各個(gè)部件的參數(shù)值；(c)提供一個(gè)人機(jī)交互軟件界面，由用戶在該軟件界面中選擇能源島系統(tǒng)的各個(gè)部件模擬配置能源島三聯(lián)供系統(tǒng)，提示用戶輸入由步驟b確定的系統(tǒng)各個(gè)部件的參數(shù)值，然后該軟件根據(jù)部件連接關(guān)系式、工質(zhì)連接關(guān)系式以及相應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)關(guān)系式判斷用戶模擬配置的能源島三聯(lián)供系統(tǒng)是否有缺陷并將結(jié)果反饋給用戶。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于電源系統(tǒng)(6)分別連接主控制柜(1)、能源島三聯(lián)供模型(2)和控制計(jì)算機(jī)(3)，其中控制計(jì)算機(jī)(3)的一端通過主控柜(1)連接能源島三聯(lián)供模型(2)、另一端分別連接分析仿真模塊(4)和數(shù)據(jù)采集顯示模塊(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述主控制柜(1)中參數(shù)設(shè)定面板(9)、操作方式面板(10)、負(fù)荷調(diào)節(jié)面板(11)和啟動(dòng)停機(jī)面板(12)連接模擬電路板(8)，所述模擬電路板(8)連接顯示儀表面板(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述能源島三聯(lián)供模型(2)中燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(13)分別連接直燃機(jī)(16)、余熱鍋爐(17)和發(fā)電機(jī)(14)，發(fā)電機(jī)(14)通過變壓器(15)和電塔及傳輸線(23)連接到用戶樓房(20)，所述直燃機(jī)(16)的一端通過連接管路(25)連接到用戶樓房(20)、另一端通過煙筒(23)連接的余熱鍋爐(17)連接到用戶樓房(20)、其第三和第四端分別連接冷卻塔(18)和水池(19)，所述余熱鍋爐(17)連接水池(19)，燃料罐(21)分別連接燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(13)、直燃機(jī)(16)和余熱鍋爐(17)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述能源島三聯(lián)供模型(2)中置有八個(gè)可調(diào)閥門，其中燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥門(25)置于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(13)和燃料罐(9)之間的管路上，直燃機(jī)補(bǔ)燃閥門(26)置于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(13)和直燃機(jī)(16)之間的管路上，直燃機(jī)余熱閥門(27)置于直燃機(jī)(16)和余熱鍋爐(17)之間的管路上，直燃機(jī)給水閥(28)置于直燃機(jī)(16)和水池(19)之間的管路上，用戶常溫水閥門(29)置于水池(19)和用戶樓房(20)之間的管路上，余熱鍋爐給水閥(30)置于余熱鍋爐(17)和水池(19)之間的管路上，余熱鍋爐余熱閥門(31)置于直燃機(jī)(16)和余熱鍋爐(17)之間的管路上，余熱鍋爐補(bǔ)燃閥(32)置于燃料罐(9)和余熱鍋爐(17)之間的管路上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述能源島三聯(lián)供模型(2)中置有三個(gè)給水泵，其中直燃機(jī)回水泵(33)置于直燃機(jī)(16)和冷卻塔(18)之間的管路上，直燃機(jī)給水泵(34)置于直燃機(jī)(16)和水池(19)之間的管路上，余熱鍋爐給水泵(35)置于余熱鍋爐(17)和水池(19)之間的管路上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能源島仿真實(shí)驗(yàn)方法及其裝置，所述方法通過建立電路模擬網(wǎng)絡(luò)、建立能源島三聯(lián)供系統(tǒng)模型、和提供人機(jī)交互軟件界面三個(gè)步驟進(jìn)行能源島系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，所述裝置中電源系統(tǒng)6分別連接主控制柜1、能源島三聯(lián)供模型2和控制計(jì)算機(jī)3，其中控制計(jì)算機(jī)3的一端通過主控柜1連接能源島三聯(lián)供模型2、另一端分別連接分析仿真模塊4和數(shù)據(jù)采集顯示模塊5。本發(fā)明通過運(yùn)行和控制實(shí)驗(yàn)，能夠給出能源島系統(tǒng)參數(shù)的合理配置和系統(tǒng)分析、仿真中試，使設(shè)計(jì)人員無需經(jīng)過示范工程就能篩選出最佳的能源島設(shè)計(jì)方案，為建立節(jié)能、高效的實(shí)際能源島系統(tǒng)提供了中間實(shí)驗(yàn)過程，從而縮短了能源島系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)周期。
文檔編號(hào)G06G7/48GK1558363SQ20041001587
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月15日
發(fā)明者崔國(guó)民, 李美玲, 王靜, 關(guān)欣 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)