Анализ конструкции и производительностиДизельный генератор мощностью 16 кВтСистема охлаждения, использующая отходящее тепло

Из прошлой исследовательской ситуации следует, что проектирование и моделирование распределенной системы когенерации является слишком модным.

1 проектирование системной интеграции

Выбранная жилая зона острова снабжается электроэнергией от дизельного генератора мощностью 16 кВт. Выхлопные газы дизельного двигателя содержат большое количество тепловой энергии. Абсорбционный чиллер на основе бромистого лития использует выхлопные газы в качестве источника тепла для охлаждения потребителей. Для расширения регулируемого диапазона холодопроизводительности используется холодильный агрегат с дожиганием. Общая конструкция системы дизельного генератора мощностью 16 кВт острова представлена ​​на рисунке 1.

В данной работе проводится подбор чиллера, основанный на принципе проектирования электрического охлаждения (подбор чиллера в соответствии с дизель-генератором мощностью 16 кВт). Общая площадь жилого комплекса составляет около 4850 м², а номинальная мощность дизель-генератора составляет 350 кВт. Дизель-генератор мощностью 16 кВт вырабатывает отработавшие газы с температурой около 450 °C.°C, а тепловая мощность, доступная для охладителя, составляет около 420 кВт. Был выбран двухкорпусный параллельный абсорбционный охладитель на основе бромистого лития с коэффициентом охлаждения 1,4 и мощностью 582 кВт. Средняя холодопроизводительность отдельных пользователей составляет 120 Вт/м². Согласно исследованию, 120 Вт/м² удовлетворяет потребность отдельных пользователей в холодопроизводительности. Таким образом, при работе дизель-генератора мощностью 16 кВт в номинальном режиме тепло отходящих газов может удовлетворить потребности холодильной установки. Конструктивные параметры холодильной системы дизель-генератора мощностью 16 кВт представлены в таблице 1.

2. Математическое моделирование

Холодильная система дизель-генератора мощностью 16 кВт очень сложна и включает в себя множество факторов, таких как динамика, термодинамика и теплопередача, поэтому выбор подходящего метода моделирования крайне важен. В данной работе имитационная модель холодильной системы с использованием отходящего тепла дизель-генератора мощностью 16 кВт создана с использованием модульного метода моделирования. Холодильная система с использованием отходящего тепла дизель-генератора мощностью 16 кВт представляет собой типичную термодинамическую систему, модули которой разделены в соответствии с направлением движения рабочего вещества и энергии.

Определив общую идею моделирования, следует выбрать разумный метод точного моделирования работы системы.

В данной работе рассматриваются, главным образом, выходная мощность и тепловая энергия выхлопных газов дизель-генератора мощностью 16 кВт при различных нагрузках, без учёта внутреннего рабочего процесса. Моделирование методом усреднения обеспечивает точность моделирования дизель-генератора мощностью 16 кВт на уровне системной интеграции.

В системе охлаждения дизель-генератора мощностью 16 кВт используется множество типов теплообменников, и между ними существует связь давления и расхода. Традиционный метод моделирования разделяет модуль в соответствии с физической моделью, рассчитывает давление и расход каждого модуля отдельно согласно уравнению баланса и должен удовлетворять граничному условию равенства ограничений. Следовательно, итерационные вычисления неизбежны, и время расчета увеличивается. Для решения этой проблемы была создана имитационная модель системы охлаждения дизель-генератора мощностью 16 кВт, использующей сбросное тепло, методом объемной инерции.

Согласно методу объемной инерции, расход в каждом компоненте не сбалансирован, и каждый компонент рассматривается в соответствии с объемной инерционной связью. Он рассматривает каждый компонент как модуль объема, а соединительный трубопровод между каждым компонентом как модуль сопротивления. Для модуля объема, игнорируя внутреннее сопротивление жидкости, давление внутри модуля объема является однородным. Давление в модуле объема можно рассчитать по разнице массового расхода на обоих концах модуля объема и изменению температуры в модуле объема. Однако разность давлений между входом и выходом, а также потери на трение о стенку трубы вызывают изменение потока, и динамическое значение потока можно рассчитать в соответствии с законом сохранения импульса.

Взяв в качестве примера длину трубы l, она делится на модуль объема и модуль сопротивления, и устанавливается ее модель инерции объема.

1) модуль объема.

Расход в единицу времени, поступающий в модуль объёма, равен M1, а расход из модуля объёма, поступающий в единицу времени, равен M2. Согласно закону сохранения массы: приток в модуль объёма – расход из модуля объёма = приращение массы модуля объёма. Приращение массы модуля объёма можно рассчитать:

В формуле: M — масса рабочего тела в модуле объема, кг; v — объем рабочего тела в модуле объема, м3; кг/м3 — плотность рабочего тела в модуле объема; M1 и M2 — массовый расход жидкости в модуль объема и из него, кг/с.

2) резистивный модуль.

В резистивном модуле расход жидкости изменяется из-за разности давлений и сопротивления трения. Согласно закону сохранения импульса: импульс, входящий в резистивный модуль – импульс, выходящий из резистивного модуля + импульс внешней силы = приращение импульса резистивного модуля. Массу жидкости, протекающей через поперечное сечение резистивного модуля, можно рассчитать:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

В формуле: M — массовый расход рабочей жидкости через трубу, кг/с; v — скорость рабочей жидкости, м/с; a — площадь поперечного сечения трубы, м2; l — длина трубы, м; p1 и P2 — давления по обе стороны резистивного модуля, Па; UL — сопротивление трения жидкости о стенку трубы, знак «минус» представляет сопротивление трения в направлении, противоположном потоку жидкости, U — смоченная окружность трубы, U — сопротивление трения на единицу площади, = 1/2 FV2, F — коэффициент трения теплообменника по пути, который можно получить по эмпирической формуле.

3. Анализ производительности системы

В данной статье четырехтактный дизель-генератор с турбонаддувом мощностью 16 кВт разделен на компрессор, турбину, ротор турбины, промежуточный охладитель, впускную и выпускную трубы, регулятор, цилиндр и генератор. Была создана имитационная модель дизель-генератора мощностью 16 кВт с использованием метода усреднения.

Холодильная система дизель-генератора мощностью 16 кВт имеет большое количество теплообменников, и для построения имитационных моделей каждого компонента используется метод объемной инерции. Жидкая рабочая среда в системе в основном состоит из отходящих газов, раствора бромида лития, воды, водяного пара и т.д. Для обеспечения точности расчета модели была создана модель для расчета тепловых свойств рабочей среды по подгоночной формуле. Имитационные модели абсорбционных чиллеров мощностью 16 кВт и бромистого лития созданы и отлажены в программном обеспечении Matlab/Simulink соответственно. Наконец, имитационная модель чиллеров дизель-генератора мощностью 16 кВт, использующих отходящее тепло, объединена, как показано на рисунке 4.

При моделировании стационарного состояния, в соответствии с проектными параметрами, сначала задаются граничные условия в программном обеспечении Matlab/Simulink и начальные значения переменных состояния модели. Для установки времени моделирования в 2000 с используется алгоритм ODE45 с высокой точностью. В таблице 2 представлено сравнение результатов моделирования стационарного состояния с проектными параметрами.

В таблице 2 показано, что относительная погрешность между значением, полученным при моделировании в стационарном режиме, и проектными параметрами холодильной системы дизель-генератора мощностью 16 кВт составляет менее 3%, что соответствует требованиям к точности моделирования системы и подтверждает корректность и точность модели. Тепловые параметры рабочего тела в системе получены методом подгонки формулы, необходимые допущения сделаны при моделировании, а погрешности компонентов будут увеличиваться при их сборке, что и является причиной относительных погрешностей.

На основе результатов моделирования стационарного режима был оценен общий коэффициент использования энергии холодильной системы с использованием отходящего тепла дизель-генератора мощностью 16 кВт. Метод расчета общего коэффициента использования энергии системы представлен в виде формулы.

X — общий коэффициент использования энергии системы дизель-генератора мощностью 16 кВт, PG — дизель-генератор мощностью 16 кВт, кВт, RC — абсорбционная холодильная машина Libr, кВт, EC — прочее энергопотребление системы, кВт; FC — расход топлива дизель-генератора, кВт; PC — потребляемая мощность системы, кВт.

При проектных условиях эксплуатации дизель-генератор мощностью 16 кВт имеет мощность 357,6 кВт, абсорбционная холодильная машина на основе бромида лития имеет мощность 579,79 кВт, прочее энергопотребление системы составляет 132 кВт, а расход топлива дизель-генератора мощностью 16 кВт составляет около 1286 кВт, потребление мощности насосами и другим энергоемким оборудованием в системе составляет около 30 кВт.

Согласно расчетам по формуле (6), общий коэффициент использования энергии холодильной системы дизель-генератора мощностью 16 кВт составляет около 0,813, а эффективность использования энергии значительно улучшена и составляет более 0,8, что соответствует проектным требованиям.

Нагрузка дизель-генератора мощностью 16 кВт определяется потребляемой мощностью. Изменение нагрузки приведёт к изменению температуры выхлопных газов и расхода дизель-генератора мощностью 16 кВт, что, в свою очередь, повлияет на холодопроизводительность абсорбционного чиллера на основе бромистого лития, установленного ниже по потоку от системы.

Термодинамический процесс в системе сложный, с инерционными задержками. Устанавливая общее время моделирования равным 6000 с, начиная с 2000 с, добавляя ступенчатое изменение, нагрузка дизель-генератора мощностью 16 кВт снижается со 100% до 80% и выполняется динамический расчет моделирования.

Начиная с 2000-х годов, нагрузка снижена с 352,3 кВт до 287,48 кВт, расход выхлопных газов с 1,3187 кгс до 1,1192 кгс, а температура выхлопных газов с 462°C до 453 °C для дизельного генератора мощностью 16 кВт. Весь процесс динамического реагирования занимает около 100 с. Нагрузка дизельного двигателя снижается на 20%, частота вращения двигателя увеличивается, регулятор быстро реагирует, уменьшая впрыск топлива для поддержания стабильной частоты вращения на заданном уровне. Уменьшение впрыска топлива в дизельный двигатель приводит к снижению температуры выхлопных газов и расхода.

Холодопроизводительность несколько увеличилась, а затем быстро снизилась до другого стабильного значения – с 579,79 кВт до 507,15 кВт. Как видно из рисунка 9, коэффициент охлаждения немного увеличился, а затем снизился с 1,394 до 1,402. Уменьшение нагрузки дизель-генератора мощностью 16 кВт привело к уменьшению тепловой энергии, поступающей во всю систему дизель-генератора мощностью 16 кВт, что привело к снижению холодопроизводительности чиллера, но коэффициент охлаждения несколько увеличился, и весь динамический процесс завершился около 2000 с.

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере жилой зоны острова изучается новая энергосберегающая технология охлаждения с использованием отходящего тепла дизельной электростанции.

1) Выполнено комплексное проектирование холодильной системы с использованием отходящего тепла дизель-генератора мощностью 16 кВт и определены проектные параметры. Проведен анализ производительности системы путем статического и динамического моделирования, затем спроектирована система управления и проведена её оптимизация.

2) Моделирование стационарного состояния выполнено в проектных условиях, относительная погрешность составляет менее 3%, что соответствует проектным требованиям и подтверждает точность и корректность модели. По результатам моделирования стационарного состояния общий коэффициент использования энергии системы составляет около 0,813, что соответствует проектным требованиям.

3) Проведено динамическое моделирование возмущения нагрузки 16 кВт, которое приводит к снижению нагрузки 16 кВт, снижению выработки электроэнергии, снижению тепловой энергии выхлопных газов, снижению холодопроизводительности и небольшому увеличению коэффициента охлаждения. Результаты моделирования показывают, что холодопроизводительность электростанции 16 кВт ниже, чем у электростанции 16 кВт, а выработка электроэнергии электростанции 16 кВт ниже, чем у электростанции 16 кВт, а тепловая энергия выхлопных газов ниже, чем у дизель-генератора 16 кВт.