一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，包括建立燃气发动机的一维仿真计算模型，得到曲轴输出功率、点火提前角与热电比关系；根据用户所需热量及电量，计算得到燃气发动机的排气能量及曲轴输出功率；由一维仿真计算模型给出燃气发动机的点火提前角；根据点火提前角对曲轴输出功率的影响，调节进气节气阀开度，控制燃气发动机的天然气进气流量，保持曲轴输出功率不变。本发明专利技术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。

A thermoelectric ratio regulation method for distributed energy system of gas engine

【技术实现步骤摘要】
一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法
本专利技术属于冷热电联产
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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.本专利技术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专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为分布式能源系统装置总图；图2为本专利技术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专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。本专利技术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、4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，其特征在于，包括下述步骤：/n(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；/n(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；/n(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；/n(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。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求2所述的燃气发动机分布式能源系统热电比调节方法，其特征在于，步骤(1a)中，校正参数主要包括缸内燃烧数据、进排气压力温度数据和冷却水温度数据；
模型中引入单向阀来控制排气温度T，由下式计算燃气发动机的单向阀阀门升程h和单向阀关闭温度T1：



T1＝T0+h(2)
式中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘圣华，李喆洋，任彤彤，刘超，祝增强，姜飒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61