Аналіз проектування та продуктивностіДизельний генератор потужністю 16 кВтСистема охолодження з використанням відпрацьованого тепла

З попередніх досліджень видно, що проектування та моделювання розподіленої когенераційної системи є занадто складним.

1 проект системної інтеграції

Обрана житлова зона острова живиться від дизельного генератора потужністю 16 кВт, вихлопні гази дизельного двигуна містять багато теплової енергії, а абсорбційний чилер на основі броміду літію використовує вихлопні гази як робоче джерело тепла для охолодження користувачів. Для збільшення діапазону регулювання холодильного навантаження використовується холодильник з допалюванням. Загальна конструкція дизель-генераторної системи острова потужністю 16 кВт проілюстрована на рисунку 1.

Виходячи з принципу проектування електричного охолодження (підбір чилера відповідно до дизельного генератора потужністю 16 кВт), у цій роботі проводиться вибір відповідного чилера. Житловий комплекс має загальну площу близько 4850 м² та дизельний генератор потужністю 16 кВт з номінальною потужністю 350 кВт. Дизельний генератор потужністю 16 кВт виробляє вихлопні гази з температурою близько 450...°C, а теплова енергія, доступна чилеру, становить близько 420 кВт. Був обраний подвійний паралельний абсорбційний чилер на броміді літію з коефіцієнтом охолодження 1,4 та потужністю 582 кВт. Середнє холодильне навантаження користувачів острова становить 120 Вт/м2. Згідно з дослідженням, 120 Вт/м2 задовольняє потреби користувачів острова в холодильному навантаженні. Таким чином, коли дизель-генератор потужністю 16 кВт працює в номінальному робочому режимі, відпрацьоване тепло від вихлопних газів може задовольнити потреби холодильника. Конструктивні параметри холодильної системи дизель-генератора потужністю 16 кВт наведено в таблиці 1.

2. Математичне моделювання

Система охолодження дизельного генератора потужністю 16 кВт є дуже складною та охоплює багато аспектів, таких як динаміка, термодинаміка та теплопередача, тому дуже важливо вибрати відповідний метод моделювання. У цій статті моделювання системи охолодження з використанням відхідного тепла потужністю 16 кВт створюється за допомогою методу модульного моделювання. Система охолодження з використанням відхідного тепла дизельного генератора потужністю 16 кВт є типовою термодинамічною системою, модулі якої поділяються відповідно до проходження робочої речовини та енергії.

Після визначення всієї ідеї моделювання, нам слід обрати розумний метод для точного моделювання роботи системи.

У цій статті в основному досліджується вихідна потужність та теплова енергія вихлопних газів дизельного генератора потужністю 16 кВт за різних навантажень, без врахування внутрішнього робочого процесу дизельного генератора потужністю 16 кВт. Моделювання з використанням методу усереднення забезпечує точність моделювання дизельного генератора потужністю 16 кВт на рівні системної інтеграції.

У холодильній системі дизельного генератора потужністю 16 кВт використовується багато типів теплообмінників, і між теплообмінниками існує зв'язок тиск-потік. Традиційний метод моделювання розділяє модуль відповідно до фізичної моделі, розраховує тиск і потік кожного модуля окремо відповідно до рівняння балансу та повинен задовольняти умову рівності обмежень на межі. Тому ітераційні обчислення неминучі, а час обчислення збільшується. Для вирішення цієї проблеми методом об'ємної інерції створюється імітаційна модель холодильної системи дизельного генератора потужністю 16 кВт, що використовує відхідне тепло.

Згідно з методом об'ємної інерції, швидкість потоку в кожному компоненті не збалансована, і кожен компонент розглядається відповідно до зв'язку об'ємної інерції. Він розглядає кожен компонент як модуль об'єму, а з'єднувальну трубу між кожним компонентом як модуль опору. Для модуля об'єму, якщо не враховувати внутрішній опір рідини, тиск всередині модуля об'єму є рівномірним. Тиск в модулі об'єму можна розрахувати відповідно до різниці масової витрати на обох кінцях модуля об'єму та зміни температури в модулі об'єму. Однак, різниця тисків між входом і виходом та втрати на тертя стінки труби призводять до зміни потоку, а динамічне значення потоку можна розрахувати відповідно до закону збереження імпульсу.

Взявши за приклад трубу довжиною l, її поділяють на модуль об'єму та модуль опору, і встановлюють її модель об'ємної інерції.

1) модуль об'єму.

Швидкість потоку за одиницю часу в об'ємний модуль дорівнює M1, а швидкість потоку за одиницю часу з об'ємного модуля дорівнює M2. Згідно зі законом збереження маси: Потік в об'ємний модуль - потік з об'ємного модуля = приріст маси об'ємного модуля, приріст маси об'ємного модуля можна розрахувати:

У формулі: M – маса робочої рідини в об’ємному модулі, кг; v – об’єм робочої рідини в об’ємному модулі, M3; кг/м3 – густина робочої рідини в об’ємному модулі; M1 та M2 – масова витрата рідини, що входить до об’ємного модуля та виходить з нього, кг/с.

2) резистивний модуль.

У резистивному модулі швидкість потоку змінюється через різницю тисків та опір тертя рідини. Згідно із законом збереження ЛІНІЙНОГО ІМПУЛЬСУ: Імпульс, що входить у резистивний модуль - імпульс, що виходить з резистивного модуля + імпульс зовнішньої сили = приріст імпульсу резистивного модуля, масу рідини, що протікає через поперечний переріз резистивного модуля, можна обчислити:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

У формулі: M – масова витрата робочої рідини через трубу, кг/с; v – швидкість робочої рідини, м/с; a – площа поперечного перерізу труби, м2; l – довжина труби, м; p1 та P2 – тиски по обидва боки резистивного модуля, Па; UL – опір тертя рідини об стінку труби, знак мінус позначає опір тертя в напрямку, протилежному потоку рідини, U – довжина волого кола труби, U – опір тертя на одиницю площі, = 1/2 FV2, F – коефіцієнт тертя теплообмінника вздовж шляху, який можна отримати за емпіричною формулою.

3 аналіз продуктивності системи

У цій статті чотиритактний дизельний генератор з турбонаддувом потужністю 16 кВт поділено на компресор, турбіну, ротор турбіни, інтеркулер, впускну та випускну труби, регулятор, циліндр та генератор. Модель моделювання дизельного генератора потужністю 16 кВт була побудована з використанням методу усереднення.

Холодильна система дизельного генератора потужністю 16 кВт має велику кількість теплообмінників, а для побудови імітаційних моделей кожного компонента використовується метод об'ємної інерції. Рідке робоче тіло в системі в основному складається з відхідного газу, розчину броміду літію, води, водяної пари тощо. Для гарантії точності розрахунку моделі було створено модель для розрахунку теплових властивостей робочого тіла відповідно до формули підгонки. Моделі імітаційних моделей чилерів потужністю 16 кВт та абсорбційних чилерів на основі броміду літію побудовані та налагоджені відповідно в програмному забезпеченні Matlab/Simulink. Нарешті, імітаційна модель чилерів дизельного генератора потужністю 16 кВт, що використовують відхідне тепло, об'єднана, як показано на рисунку 4.

У стаціонарному моделюванні, відповідно до параметрів проектування, спочатку в програмному забезпеченні для моделювання Matlab/Simulink задаються граничні умови, а потім призначаються початкові значення змінних стану моделі. Для встановлення часу моделювання на рівні 2000 с використовується алгоритм ODE45 з високою точністю моделювання. У таблиці 2 наведено порівняння результатів стаціонарного моделювання з параметрами проектування.

У таблиці 2 показано, що відносна похибка між значенням стаціонарного моделювання та проектними параметрами холодильної системи дизельного генератора потужністю 16 кВт становить менше 3%, що відповідає вимозі точності системного моделювання та підтверджує правильність і точність моделювання. Теплові параметри робочого тіла в системі отримуються шляхом підгонки формули, необхідні припущення робляться під час моделювання, а похибки компонентів збільшуються під час їх складання, що є причинами відносних похибок.

На основі результатів моделювання стаціонарного режиму було оцінено загальний коефіцієнт використання енергії холодильної системи з використанням відпрацьованого тепла дизельного генератора потужністю 16 кВт. Метод розрахунку загального коефіцієнта використання енергії системи використовується за формулою.

X – загальний коефіцієнт використання енергії дизель-генераторної системи потужністю 16 кВт, PG – дизель-генератор потужністю 16 кВт, кВт, RC – абсорбційний чилер libr, кВт, EC – інше споживання енергії системою, кВт; FC – споживання палива дизель-генератором, кВт; PC – споживання потужності системи, кВт.

За розрахункових умов експлуатації дизельний генератор потужністю 16 кВт має потужність 357,6 кВт, абсорбційний чилер на основі броміду літію має потужність 579,79 кВт, інше споживання енергії системою становить 132 кВт, а споживання палива дизельним генератором потужністю 16 кВт становить близько 1286 кВт, споживання потужності насосів та іншого енергоспоживаючого обладнання в системі становить близько 30 кВт.

Згідно з розрахунком за формулою (6), загальний коефіцієнт використання енергії холодильної системи дизельного генератора потужністю 16 кВт становить близько 0,813, а ефективність використання енергії значно покращилася, що перевищує 0,8, і відповідає проектним вимогам.

Навантаження дизельного генератора потужністю 16 кВт визначається споживаною потужністю. Зміна навантаження призведе до зміни температури вихлопних газів та витрати дизельного генератора потужністю 16 кВт, що вплине на охолоджувальну здатність абсорбційного чилера на основі броміду літію, розташованого після системи.

Термодинамічний процес системи є складним, з інерційними затримками. Встановивши весь час моделювання на 6000 с, починаючи з 2000 с, додавши ступінчасту зміну, навантаження дизельного генератора потужністю 16 кВт зменшується зі 100% до 80% та виконується розрахунок динамічного моделювання.

Починаючи з 2000-х років, навантаження зменшується з 352,3 кВт до 287,48 кВт, витрата вихлопних газів з 1,3187 кгс до 1,1192 кгс, а температура вихлопних газів з 462від 16 кВт до 453 °C. Весь процес динамічної реакції триває близько 100 с. Навантаження дизельного двигуна зменшено на 20%, швидкість обертання дизельного двигуна збільшена, регулятор швидка реакція, зменшення впорскування палива для підтримки стабільності швидкості на заданому рівні. Зменшення впорскування палива в дизельному двигуні призводить до зниження температури вихлопних газів та витрати.

Холодопродуктивність дещо збільшилася, а потім швидко впала до іншого стабільного значення – з 579,79 кВт до 507,15 кВт. Як видно з рисунка 9, коефіцієнт охолодження дещо збільшився, а потім зменшився з 1,394 до 1,402. Зменшення навантаження дизельного генератора потужністю 16 кВт призвело до зменшення теплової енергії, що надходить у всю систему дизельного генератора потужністю 16 кВт, що призвело до зменшення холодопродуктивності чилера, але коефіцієнт охолодження дещо збільшився, і весь динамічний процес завершився приблизно через 2000 с.

4 ВИСНОВОК

На прикладі житлового району острова досліджується нова енергозберігаюча технологія охолодження, що використовує відпрацьоване тепло від дизельного виробництва електроенергії.

1) Було проведено комплексне проектування холодильної системи з використанням відпрацьованого тепла дизельного генератора потужністю 16 кВт та визначено конструктивні параметри. За допомогою статичного та динамічного моделювання системи було проаналізовано її продуктивність, потім розроблено систему керування та здійснено її оптимізацію.

2) моделювання стаціонарного режиму проводиться в проектних умовах, а відносна похибка становить менше 3%, що відповідає проектним вимогам та підтверджує точність і правильність моделі. Згідно з результатами моделювання стаціонарного режиму, загальний коефіцієнт використання енергії системи становить близько 0,813, що відповідає проектним вимогам.

3) проведено динамічне моделювання збурення навантаження 16 кВт, що призводить до зменшення навантаження 16 кВт, зменшення вироблення електроенергії, зменшення теплової енергії вихлопних газів, зменшення охолоджувальної здатності та незначного збільшення коефіцієнта охолодження. Результати моделювання показують, що охолоджувальна здатність електростанції потужністю 16 кВт нижча, ніж у електростанції потужністю 16 кВт, а вихідна потужність електростанції потужністю 16 кВт нижча, ніж у електростанції потужністю 16 кВт, а теплова енергія вихлопних газів нижча, ніж у дизель-генератора потужністю 16 кВт.