一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法
技术领域
本发明属于冷热电联产技术领域，涉及一种调节方法，尤其是一种改变系统热能输出和改变系统热电比例的调节方法。
背景技术
近年来，随着人民生活水平的提高，对生活环境的要求越来越高，使我国建筑用能和第三产业消耗能源大幅增长。为促进建筑节能，提高能源利用效率，国家提出大力发展分布式能源。分布式能源系统将初级能源的梯级利用发挥到极致，系统能源利用效率可达80％以上。与传统能源相比，分布式能源系统的能源利用效率较高，主要得益于其对能源的梯级利用，和就近应用避免的远程输电造成的损失。分布式能源系统的驱动能源以煤、石油或天然气为主要燃料，结合我国能源产业结构转型，以低碳清洁的天然气为燃料无疑是最优选择。从国家政策和能源改革趋势来看，发展燃气发动机分布式能源是分布能源发展的必由之路。
制约燃气冷热电联产技术发展的重要因素是季节、地域等因素造成的热电需求的变化，联产系统不能根据实际情况满足用户的热负荷和电负荷的需求。在现有解决方法中，通常配备补充供给设备以满足用户的热电需求，即用户电能需求由联产系统和市政电网供给，冬季热负荷由联产系统和燃气锅炉供给，夏季冷负荷由联产系统和电制冷供给。
这种方案在一定程度上可以满足用户变化的热电需求，但也存在以下问题：(1)添加燃气锅炉和电制冷机等设备，使初期投资成本的增加，占地面积大，且需要增加使用传感器、阀门等来实现各供给设备与原动机输出能量的准确配合，使得系统的管路和自控系统复杂程度提高；(2)当用户必须借助燃气补燃型设备或电制冷机补充冷热需求，则额外的燃气消耗和用电量，运行成本增加。(3)当采用“以热定电”策略时，满足了用户热需求时，可能导致电量产生超出需求，只能模拟负载消耗掉这部分电能；“以电定热”时情况类似，会导致多产生的热量被浪费，这将造成系统整体能源利用效率降低。
为尽可能减少电制冷机和燃气锅炉的补充供给，甚至在无需配备补充供给设备的前提下，能够灵活调节CCHP系统的热电比例，提高能量利用效率。因此，研究发动机工作状态的改变对联供系统的能源需求的适应性十分必要。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，本发明方法能够在保持分布式能源系统配置不变的情况下，即尽可能减少电制冷机和燃气锅炉的补充供给，甚至在无需配备补充供给设备的前提下，改变发动机的点火提前角，同时调整天然气流量和节气门开度，以灵活调节CCHP系统的热电比例，提高能量利用效率。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，包括下述步骤：
(1)根据燃气发动机运行工况，建立燃气发动机的一维仿真计算模型，得到曲轴输出功率P、点火提前角θ与热电比c的关系；
(2)根据用户所需热量Q及电量E，计算得到燃气发动机的排气能量Q1及曲轴输出功率P；
(3)根据排气能量Q1及曲轴输出功率P，由一维仿真计算模型给出燃气发动机的点火提前角θ；
(4)根据点火提前角θ对曲轴输出功率P的影响，调节进气节气阀开度x，控制燃气发动机的天然气进气流量m，保持曲轴输出功率P不变。
进一步，所述步骤(1)中，燃气发动机的一维仿真计算模型按如下过程进行：
(1a)通过GT-POWER软件建立燃气发动机的一维仿真计算模型，通过发动机台架试验对仿真计算模型进行校正，使仿真计算结果与试验结果的误差控制在5％以内；
(1b)对模型进行改变负荷和推迟点火的仿真计算，生成曲轴输出功率P、点火提前角θ与热电比c的关系图。
进一步，步骤(1a)中，校正参数主要包括缸内燃烧数据、进排气压力温度和冷却水温度。
此外，模型中引入温控阀来控制排气温度T，根据下式给出燃气发动机的温控阀阀门升程h：
T1＝T0+h (2)
式中，T为排气温度，T0为涡轮叶片材料的耐受温度，T1为单向阀关闭温度，m、n均为可调参数。
进一步，所述步骤(2)按如下过程进行：
根据热电联产系统发电与热回收供热之间的关系，由下式得到排气能量Q1及曲轴功率P：
ηE＝a+bf+cf2 (3)
P(t)＝E(t)÷ηE (4)
Q1(t)＝Q(t)÷ηT (5)
式中，E(t)为热电联产系统的发电量，P(t)为热电联产系统的曲轴功率，ηE为热电联产系统的发电效率，Q(t)为热电联产系统的回收热量，Q1(t)为热电联产系统的排气能量，ηT为热电联产系统的热回收效率，a、b、c为热电联产系统发电效率的系数，f为发电机组的出力比。
进一步，所述步骤(3)按如下过程进行：
(3a)根据c＝Q1/P，得到所需热电比c；
(3b)根据曲轴输出功率P、点火提前角θ与热电比c的关系，采用中间插值方法，获取点火提前角θ：
式中，θ1、θ2分别为相同热电比下曲轴输出功率P1、P2对应的点火提前角。
进一步，所述步骤(4)按如下过程进行：
控制单元ECU根据曲轴输出功率P确定燃气发动机的进气节气阀开度x和天然气流量m。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.由于直接根据用户需求对天然气发动机的工作参数进行调整，所以分布式能源系统可以精确满足用户需求，一方面可以最大限度发挥分布式能源系统的作用，另一方面可以避免能源的浪费。
2.由于直接由ECU控制发动机参数，所以可以通过简单的操作达到调节分布式能源系统热电比的目的。
3.本发明由于不需要在分布式能源系统中添加任何辅助设备，达到了节省初期投资和后期维护的成本的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为分布式能源系统装置总图；
图2为本发明一种燃气发动机分布式能源热电比调节方法的流程图；
图3为点火提前角改变后的排温变化图；
图4为点火提前角改变后的热电比变化图；
图5为点火提前角改变后的热能输出和电能输出情况；
图6为GT-power建立的12V190发动机模型图；
图7为定功率运行时点火提前角对应的热电比；
图8为GT-power模拟曲轴输出功率600kW时点火提前角与进气流量关系。
图中：1：ECU；2：流量控制阀；3：空气滤清器；4a：涡轮增压器中压气机部分；4b：涡轮增压器中涡轮部分；5：进气节流阀；6：进气中冷器；7：单向阀；8：燃气发动机；9：余热回收装置；10：发电机；11：换热器。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，是在保持燃气发动机分布式能源系统配置不变的情况下，改变发动机的点火提前角，同时调整天然气流量和节气门开度，以提高排气能量的输出。分布式能源系统布置如图1所示，由燃气发动机8、涡轮增压器4a、4b、空气滤清器3、中冷器6、控制单元ECU1、发电机10、余热回收装置9和换热器11等组成。
本发明采用通过ECU控制天然气流量、进气节流阀开度和发动机点火提前角的方式，即图1所示①、③和④三条控制线路，改变发动机的运转参数，通过调节天然气流量和进气节流阀开度保持曲轴输出功率稳定，进而通过改变点火提前角来提高高温排气能量。为避免排气温度过高，对涡轮叶片造成损伤，降低涡轮使用寿命，本发明在压气机出口和涡轮进口之间添加引流管，利用加压后的空气对涡轮前的排气进行降温，并采用单向阀门控制引流管的流量，ECU通过线路②控制阀门的开度。用户制冷制热、电能和生活热水的需求通过线路⑤输入到控制中心ECU，从而指导ECU进行上述控制。
下面结合附图对本发明的结构、连接方式、工作原理作进一步详细说明。
参照图1，本发明燃气发动机分布式能源装置，包括燃气发动机部分和能量转化设备。
其中，燃气发动机进气部分(虚线框A)包括空气滤清器3、压气机4a及中冷器6，空气经空气滤清器3、压气机4a进入进气歧管，当单向阀7开启时，部分空气经导流管流入排气管。天然气经流量控制阀2进入进气管路，天然气与空气在压气机4之后的进气总管混合，经过进气节流阀5、进气中冷器6进入天然气发动机8进行燃烧。
燃气发动机排气部分(虚线框B)的连接方式为：发动机排气经排气歧管进入涡轮4b,推动涡轮4b旋转进而带动同轴连接的压气机4a，对空气进行增压。压气机4a后端进气歧管与排气歧管通过带有单向阀7的引流管连接，单向阀7根据排气温度对应不同的阀门升程，用以控制排气温度。
能量转化设备(虚线框C)的连接方式为：高温排气经涡轮4b进入余热回收装置9，进而制冷或制热。发动机8的输出轴带动发电机10工作，产生电能。来自缸套和中冷器6的冷却水经换热器11供给生活热水。
其中，将用户端制冷制热量、电能、生活用水需求的信号经转换为需求排气温度T、需求曲轴功率P，传递给ECU1，进而ECU1通过线路①调控天然气发动机8的点火提前角等运转参量、线路②调控单向阀7的阀门升程、线路③调控进气节流阀5的阀门升程、线路④调控流量控制阀2的阀门升程，来满足用户端的需求。
本发明为一种燃气发动机分布式能源热电比调节方法，下面结合附图对本发明做进一步详细描述，参照图2，具体包括下述步骤：
步骤1，根据燃气发动机运行工况，建立燃气发动机的一维仿真计算模型。得到曲轴输出功率P、点火提前角θ与热电比c的关系。
其中，燃气发动机的一维仿真计算模型按如下过程进行：
(1a)通过GT-POWER软件建立燃气发动机的一维仿真计算模型，通过发动机台架试验对仿真计算模型进行校正，使仿真计算结果与试验结果的误差控制在5％以内。校正参数主要包括缸内燃烧数据、进排气压力温度和冷却水温度。此外，为保护涡轮叶片，模型中引入单向阀，将压气机后的增压空气部分引流通入涡轮前，用低温空气冷却高温烟气，以此来控制排气温度T，根据下式给出燃气发动机的单向阀阀门升程h：
T1＝T0+h (2)
式中，T为排气温度，T0为涡轮叶片材料的耐受温度，T1为单向阀关闭温度，m为可调参数，范围在-1～1之间，n同样为可调参数，且n＝m+4。
(1b)对模型进行改变负荷和推迟点火的仿真计算，生成曲轴输出功率P、点火提前角θ与热电比c的关系图。
步骤2，根据用户所需热量Q及电量E，确定燃气发动机的排气能量Q1及曲轴输出功率P。
由用户提供的制冷和制热需求，根据余热锅炉、吸收式制冷机等余热回收装置的工作情况，确定天然气发动机的排气能量Q1：
Q1(t)＝Q(t)÷ηT (3)
由用户提供的用电量需求，根据发电机的转化效率确定天然气发动机的需求曲轴功率P：
ηE＝a+bf+cf2 (4)
P(t)＝E(t)÷ηE (5)
式中，E(t)为CCHP系统的发电量，P(t)为CCHP系统的曲轴功率，ηE为CCHP系统的发电效率，Q(t)为CCHP系统的回收热量，Q1(t)为CCHP系统的排气能量，ηT为CCHP系统的热回收效率，a、b、c为CCHP系统发电效率的系数，f为发电机组的出力比。
步骤3，根据天然气发动机的排气能量Q1，及曲轴输出功率P，由一维仿真计算模型给出燃气发动机的点火提前角θ。
(3a)根据c＝Q1/P，得到所需热电比c；
(3b)根据曲轴输出功率P、点火提前角θ与排气温度T的关系，采用中间插值方法，获取点火提前角θ：
式中，θ1、θ2分别为相同热电比下曲轴输出功率P1、P2对应的点火提前角。
步骤4，根据点火提前角θ对曲轴输出功率P的影响，调节进气节气阀开度x，控制燃气发动机的天然气流量m，保持曲轴输出功率P不变。
由于点火的推迟会导致曲轴功率的降低，因此必须加大进气节气阀开度x，以控制天然气进气流量m，为缸内燃烧提供更多的燃料，从而使曲轴输出功率P保持稳定。
点火提前角是天然气发动机运行的关键参数，对缸内燃烧过程有重要影响。将点火提前角调小即点火推迟，使得缸内燃料燃烧开始时刻推迟，更多燃料在上止点后燃烧，发动机爆发压力降低，曲轴输出功降低，排气温度升高，排气能量升高，反之亦然。
点火不能无限制地推迟，应该有一个最迟点火限值。本发明推荐主要考虑两个因素来限值点火的推迟：1)燃料在排气门开启前燃烧完全，已燃质量分数超过98.5％。就本发明针对胜动集团的12V190发动机所进行的模型仿真计算结果而言，当点火提前角小于12°CA BTDC时，在排气门开启时有超过1.5％的燃料未燃烧，所以不推荐点火迟于12° CABTDC。2)排温不可过高，以免造成涡轮叶片损坏。
图3所示为排气温度随点火提前角的变化情况。图中图例300kW、400kW、500kW和600kW指的是曲轴输出功率。从图中可以看出，随着点火提前角的推迟，排气温度不断升高，当点火推迟至22～20° CA BTDC时，排气温度随点火提前角的变化幅度减小，这是由于引流管单向阀的开启，引流管将新鲜空气引入排气管对排气进行降温的结果，结果显示，最高涡前排温可控制在650℃以下。点火提前角的推迟使得缸内燃烧进程推后，更多燃料在活塞下行的膨胀冲程进行燃烧，排气门开启前的缸内温度较高，直接导致了排温的升高。
此外，仿真和实验中要着重注意排气道和排气歧管的节能保温性，本发明针对胜动集团的12V190发动机的模拟发现，距离排气门0～200mm排气管的排温降低较快，200mm后排温度基本不变，这是因为在排气管模型建立时，排气道和排气歧管未设置保温涂层，而排气总管的管壁设置了硅酸盐保温涂层。
图4是在上述点火提前角工况下的热电比变化情况。图中图例300kW、400kW、500kW和600kW指的是曲轴输出功率。从图中可以看出，随着点火提前角的推迟，热电比逐渐增大，如：发动机功率为500kW时，点火提前角由30° CABTDC推迟到24° CA BTDC时，热电比由0.97增加到1.05。而随着功率的增加，热电比不断降低，如：点火提前角为22° CA BTDC时，300kW工况的热电比为1.20，而600kW工况的热电比为1.05。
图5是在上述点火提前角工况下的热能输出和电能输出情况。图中图例300kW、400kW、500kW和600kW指的是曲轴输出功率。可以看出，在电能输出控制在一定值的情况下，热能输出存在250～400kW的变化空间。如电能输出控制在300kW时，热能输出可在300kW到550kW之间调整。而在300kW～600kW的功率范围内，热能输出跨度可达到300kW～950kW的宽广范围。
可见，天然气发动机点火提前角的变化能够改变排气温度、热电比，拓展发动机热能输出范围，为冷热电联产系统的热能输出提供宽广的可选范围。所以，通过天然气发动机的控制单元ECU可以方便可靠地对冷热电联产系统热电比进行调节。
下面给出具体实施例来进一步说明本发明的具体实施过程。
本发明以山东胜利油田动力集团的12V190柴油发电机组试验为例，获取数据建立发动机模型。见图6所示。
具体步骤如下：
(1)根据GT-power建立燃气轮机一维模型，通过发动机实验修正模型，得到误差小于5％的一维发动机模型，如图6。其中，根据前述公式计算得到单向阀升程表1，该表基于点火提前角在34° CA BTDC～8° CA BTDC区间内，取涡轮叶片材料的耐受温度T0为873K，关闭温度T1为863K。
表1温控阀设置参数
(2)由模型计算得到不同功率时，定功率运行时点火提前角对应的排气温度、定功率运行时点火提前角对应的热电比，分别如下表2、图7所示。
表2定功率运行时点火提前角对应的排气温度
(3)假定用户所需热量Q为570kW，所需电量为480kW，取转化率均为0.8，则根据公式(1)(2)，得到燃气发动机的排气能量Q1为712.5kW，曲轴输出功率为600kW。
P(t)＝E(t)÷ηE＝480÷0.8＝600
Q1(t)＝Q(t)÷ηT＝570÷0.8＝712.5
(4)根据c＝Q1/P，得到所需热电比为1.2，再由曲轴输出功率为600kW，查询图1得到，点火提前角为16° CA。
(5)已知点火提前角为16° CA，则通过标定软件INCA调整发动机点火提前角至16°CA，控制单元ECU为保持输出功率稳定在600kW,调节进气节气阀开度，控制进气流量为1705kg/h，通过Gt-power模拟得到点火提前角与进气流量的关系见如图8所示。通过以上调节，成功实现在保持曲轴输出功率保持在600kW，改变排气能量至712kW，达到了预期目的。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
