冷热电联供系统

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 概述1 HYPERLINK l bookmark2 第一章微型燃气轮机2 HYPERLINK l bookmark4 1.1微型燃气轮机工作原理：2 HYPERLINK l bookmark6 1.2微型燃气轮机的工作流程41.2.1压气机模块41.2.2回热器模块61.2.3燃烧室模块71.2.3透平模块8 HYPERLINK l bookmark28 1.2.4发电机8 HYPERLINK l bookmark32 第二章余热锅炉数学模型10 HYPERLINK l bookmark34 1补燃装置10 HYPERL

2、INK l bookmark38 2余热锅炉12 HYPERLINK l bookmark48 第三章溴化锂吸收式制冷机模型143.1溴化锂吸收式制冷机工作原理143.2高压发生器模型153.3低压发生器模型163.4冷凝器模型173.5蒸发器模型183.6吸收器模型19概述分布式能源具有利用效率高、污染少、耗能低等优点，逐渐成为能源开发利用的一个重要手段。分布式能源在解决系统全局的能源供需平衡和资源优化配置的同时，又能根据特殊场合需求,解决特定行业和特定区域用户的资源综合利用、能量梯级利用问题。因此，分布式能源技术得到越来越广泛的应用。冷、热、电(CombinedCoolingHeating

3、&Power)系统是以天然气为燃料，由小型或微型设备组成，在用户或建筑物附近，直接向用户供冷、热、电和生活热水的分布式能源系统(DistributedEnergySystem)。三联供系统达到了能源的梯级利用，可以节约电力，减少夏季用电负荷，填补夏季天然气使用低谷，同时减少燃机排入大气中的废热，运用溴化锂吸收式制冷机的同时可以避免使用对大气有破坏影响的氟利昂等制冷剂，起到环境保护作用。在冷热电联供系统中，微型燃气轮机和溴化锂吸收式制冷机的组合是一种很通行的冷热电联供方式，通常应用于建筑物中，也称建筑冷热电联供系统。其原理图如下图所示。总的说来，冷热电三联供系统有以下几个主要特点：提高了能源利用

4、率。传统的热发电厂能源有效利用率仅为35%左右。天然气冷热电三联供系统，利用发电后的排气热能，直接供给用户热量或者利用溴化锂吸收式冷热机组供热或者制冷，实现能源的多级利用，使能源的利用率达到85%以上。供电时，没有或仅有很低的输配电损耗，而传统的输配电路损耗高达5%8%左右。节约投资。由于近距离向用户供电、供热和供冷，无需投资昂贵的冷、热输送管网和电网，可节省投资费用，土建和安装成本也会降低。可靠性高。CCHP电站自行独立，“上网不并网”由用户自行控制，不会因外网停电而造成用户的供电中断，而当CCHP电站发生故障时，可由外电网供电，因而供电的可靠性高。具有调峰功能。夏天是民用电高峰，民用气低谷

5、，可通过CCHP发电，缓解外电不足，同时调节天然气系统全年的用气均衡总量，对电力系统和天然气系统来说有双重意义上的调峰功能。属于绿色清洁能源。分布式冷热电三联供非常适于对商业区、民用区、医疗机构、体育场、机场等区域提供电力、供热和制冷。天然气发电本身较燃煤发电环保，再加上高效的多级利用，减少了烟气排放，即使在人口稠密的城市地区也能达到高标准的环保要求。排烟第一章微型燃气轮机11微型燃气轮机工作原理:燃气轮机的原理与中国的走马灯相同，据传走马灯在唐宋时期甚是流行。走马灯的上方有一个叶轮，就像风车一样，当灯点燃时，灯内空气被加热，热气流上升推动灯上面的叶轮旋转，带动下面的小马一同旋转。燃气轮机是靠

6、燃烧室产生的高压高速气体推动燃气叶轮旋转，见图1。走马灯燃气涡轮图1-走马灯与燃气涡轮燃气轮机属热机，空气是工作介质，空气中的氧气是助燃剂，燃料燃烧使空气膨胀做功，也就是燃料的化学能转变成机械能。图2是一台燃气轮机原理模型剖面，通过它来了解燃气轮机的工作原理。从外观看燃气轮机模型：整个外壳是个大气缸，在前端是空气进入口；在中部有燃料入口，在后端是排气口（燃气出口）。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三大部分组成，左边部分是压气机，有进气口，左边四排叶片构成压气机的四个叶轮，把进入的空气压缩为高压空气；中间部分是燃烧器段（燃烧室），内有燃烧器，把燃料与空气混合进行燃烧；右边是涡轮（透平），是空气

7、膨胀做功的部件；右侧是燃气排出口。气出口空气;*压气机叶轮/I_I燃料入燃烧器删入口瞬器图2-模型燃气轮机结构在图3中表示了燃气轮机的简单工作过程：空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气，其流向见浅蓝色箭头线；燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压空气；高温高压空气膨胀推动涡轮旋转做功；做功后的气体从排气口排出，其流向见红色箭头线。图3-燃气轮机工作过程在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子，如图4所示。图4-燃气轮机转子随着技术的发展，为了使燃气轮机的效率进一步提高，我们在燃气轮机的排气出口与燃烧室之间加装了回热器对即将进入

8、燃烧室的空气进行预加热，从而提高整个燃气机的效率。12微型燃气轮机的工作流程整个燃气轮机的工作流程图，如图5所示。进气温度f进气压强T进口空气质量流量*输入转速一岀口温度T岀口.总压一5一岀口流量T回热器一岀总压予岀口流量*出口温度忌透平岀温度一驱动功率岀口流量一岀口压强一岀温度燃烧室岀口总压岀流量透平透平实际岀口温度图5-燃气轮机的工作流程1.2.1压气机模块压气机空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机对空气做功把空气压缩为高压空气，在燃气轮机中压气机是由涡轮带动旋转，压气机的叶轮与涡轮安装在同一根主轴上组成燃气轮机转子。压气机模块，如图6所示。进气温度进气压强进口空气质量流量一输入转

9、速压气机岀口总压-岀口温度岀口流量压气机消耗功率图6-压气机模块压气机的输入输出的及中间变量如表1所示。输入名称符号输出名称符号进气温度(K)T1出口总压(Pa)P2进气压强P1出口温度T2(Pa)(K)进气流量GC出口流量GC(kg/s)(kg/s)输入转速n消耗功率PCn(r/min)(W)表1压气机的输入输出及中间变量进气温度：T产T,其中是T是环境温度，通常取288K1a进气压强：P1=P忽略恢复系数，进气压强P就等于环境压强P1a进气流量：G(给定)C输入转速：n(给定)出口总压：P=n*Pc其中：nc=nc0*na，nc0取额定值。na=C1(n)*GcA2+C2(n)*GC+C3

10、(3)C1(n)=n/p*(1-m/n)+n*(n-m)A21C2(n)=(p-2*m*naA2)/p*(1-m/na)+na*(na_m)A2C3(n)=(皿人2*現人3-卩*皿*現)/p*(1-m/na)+na*(na-m)A2其中p=0.36,m=1.06具有典型性。出口温度：T2=T1+T1*(nCAm)-1/nC其中nc=w1/w2其中w1表示空气得到的有效功，w2表示叶轮传给空气总功。W=1/m*R*T*(n人口-1)1gacW=T,A2*(u+f-c*T/T人2)22,0H002,0m=(k-l)/kaa位滑移系数等于：M=0.909摩擦系数：f0=O.O6冰点温度：T0=273

11、K空气平均比热容比：k=1.4气流速度：c=44.4m/s空气常数：R=287压气机的消耗功率：P=G*c*T1*(nAm)-1/npa1空气定压比热容：Cpa=1105J/(kg*K)1.2.2回热器模块回热器安装在燃气轮机出口与压气机出口之间，用来对经过压气机做功的高压空气进行预加热使得进入燃烧室的空气温度上升从而提高整个燃气轮机的效率。一透平岀口温度-压气机岀口温度压气机出口总压-压气机岀口流量-回热器回热器模块如图7所示。燃烧室进气压强f燃烧室空气流量燃烧室进气温度一透平实际出口温度-图7回热器模块回热器的输入输出及中间变量如表2所示输入名称符号输出名称符号透平温度(K)T回热器出口压

12、强(Pa)P2压气机出口温度(K)TQ回热器的出口流量(kg/s)压气机出口总压(Pa)P2回热器的出口温度(K)T压气机出口流量(kg/s)G透平实际出口温度(K)cT*41表2回热器的输入输出及中间变量透平温度：T4=T3*1-1-1/(ntAk-1/k)*nt燃烧室进气压强：P就为压气机出口压强燃烧室空气流量：就为压气机的出口空气流量Gc燃烧室进气温度：T=(G*c-0.5*a*F)*T+a*F*T/(G*c+0.5*a*F)一、.ccpaaa2aarpcpaaa透平实际出口温度：T*=(G*c-0.5*a*F)*T+a*F*T/(G*c+0.5*a*F)4cpggg4ggrprpggg

13、其中燃气比定压热容：cpg=1154J/(kg*K)空气侧热交换系数a，空气侧热交换交换面积F，燃气侧热交换系数a，燃气侧热交换系数F根据a情况设定。agg1.2.3燃烧室模块燃烧室的作用是将经过回热器预加热的空气与燃气混合燃烧产生高温高压的气体从而推动透平做功。燃烧室模块如图8所示。进气压强一进气温度一空气流量一天燃气质量流量f燃烧室燃烧室的岀口温度一-燃烧室岀口总压一岀流量图8燃烧室模块燃烧室的输入输出及中间变量如表3所示。输入名称符号输出名称符号进气压强(Pa)Pc燃烧室出口温度(K)T3进气温度(K)TC燃烧室出口总压(Pa)P3空气流量(kg/s)Gc燃烧室出口流量(kg/s)Gou

14、t天然气质量流量(kg/s)Gr表3燃烧室的输入输出及中间变量进气压强P:就为回热器的出口总压Pcc进气温度T：就为回热器的出口温度TCc空气流量Gc：就为回热器的出口流量Gc天然气质量流量G：根据工况给定。r燃烧室出口温度T:T=c*G*T+G*(q*n+h)/c*G*33paccrrBrpgout天然气的物理焓：h=659863(J/kg)r燃气比定压热容：c=1154J/(kg*K)燃气平均比热比：kP=1.4g天然气低位热值q:48486000(J/kg)燃烧效率：n燃烧室出口总压P:P=a*P,其中a为燃烧室总压恢复系数。332燃烧室的出口流量G:G二G+Goutoutcr1.2.3

15、透平模块透平是整个燃气轮机对外做功的核心的部件，其工作原理是，经过燃烧室燃烧的高温高压气体推动透平旋转，从而将燃料的化学能转化为机械能，完成整个能量的转换。透平岀口温度f透平驱动功率*透平岀口流量透平岀口压强如图8所示是透平模块。进气温度-进气压强透平透平的输入输出如表4所示。进气流量输入名称符号输出名称符号进气压强(Pa)Pout透平出口温度(K)T进气流量(kg/s)G透平驱动功率(W)P进气温度(K)outT透平出口压强(Pa)P透平出口流量(kg/s)G1图8-透平模块表4-透平的输入输出进气压强P:就为燃烧室的出口总压P进气流量G：就为燃烧室的出口流量G进气温度T；就为燃烧室的出口温

16、度T033透平出口温度：T=T*l-l-l/n八(kl)/k*n43tggtnt为透平的膨胀比，nt为透平的效率，根据工况自行设定。透平驱动功率：P=G*c*T*l-l/n”(k-l)/k*n,ttpg3tggt透平出口压强：P=P/a413透平出口流量：G就为燃烧室的出口流量。t1.2.4发电机发电机的转子与透平通过轴相连，透平的转动带动发电机的转子转动，从而完成将机械功率转换为电磁功率进而转换成电能供给客户。假设不计发电机的损耗，我们认为，透平驱动的功率供给两部分，一部分供给压气机完成对吸入气体的压缩，一部分供给发电机，完成将机械功率转换为电磁功率。因不计发电机的损耗，我们认为供给发电机的

17、这部分机械功率就等于发电机的输出电磁功率，这样我们得到PG=Pt-Pco将发电机输出功率PG和天然气燃烧的得到的总热量Q=Gr*(qr*nB+hr)相比可得到整个发电机的效率n。n=P/Gr*(qr*nB+hr)r第二章余热锅炉数学模型余热锅炉在联产系统中用于回收原动机的排烟余热并产生蒸汽，产生的蒸汽可用于汽轮机发电、过程供热或者吸收制冷机组。余热锅炉是由一系列换热器组成，包括过热器、蒸发器和省煤器三部分，同时为了弥补制冷机组可能存在的热源不足的情况，加装了补燃装置。余热锅炉最大限度的利用了燃气机排烟余热，实现了能量的梯级利用，大大提高了能源的利用率。1补燃装置补燃装置根据外界用户负荷需求的变

18、化，通过补燃的方式进行调节，利用燃气轮机排气中的氧气进行燃烧，提高烟气温度，还可保持蒸汽参数和负荷稳定,以相应提高蒸汽参数和产量，改善联合循环的变工况特性。补燃装置如图2.1所示。补燃器出口热量燃烧器出口质量流量燃烧器出口压力器XZ散热损失图2.1补燃装置总体输入输出补燃装置输入输出变量见表2.1：输入变量名称符号输出变量名称符号空气所携带的热量(KJ)Qair补燃器出口热量(KJ)Qout燃气轮机排烟所含热量(KJ)Qgt散热损失(KJ)Qloss燃料燃烧产生热量(KJ)Qf补燃器出口压力(Pa)pout燃气轮机排烟流量(Kg/s)Mgt补燃器出口烟气流量(Kg/s)Mout补燃燃料质量流量

19、(Kg/s)Mf补充空气质量流量(Kg/s)M.air补燃器进口气体压力(Pa)p.in表2.1补燃装置输入输出变量各变量计算公式：散热损失计算：Qloss=K*（t-t0）K为散热系数；t为补燃装置内温度；t0为外界大气温度。燃料燃烧产生的热量：QF=mf*q*nmf为燃料的质量流量；q为燃料的低位发热量（一般取35839KJ/错误！未找到引用源。）；n为补燃装置的燃烧效率（一般取0.95）。根据能量守恒方程可得到补燃器出口热量:Qout=QGT+QF+Qair-QlossQt为补燃器出口热量。OUr88*outQgt为燃气轮机排烟所含热量；qf为补燃燃料所含热量；Q.为空气所携带热量（通常

20、忽略不计）；airQ为散热损失；loss根据质量守恒方程可得到补燃器出口烟气质量流量：Mt=MGT+MF+M.-MoutGTFairlossMt为补燃器出口烟气质量流量。outMGT为燃气轮机排烟质量流量；mf为补燃燃料质量流量；FM.为补充空气质量流量；air叫为余热锅炉漏气损失质量；loss补燃器燃气出口压力：Pt=a*P.outinPt为补燃器燃气出口压力；a为压力恢复系数；P.为补燃器进口气体压力。in2余热锅炉燃气轮机排烟气和补燃器出来的高温烟气共同作为余热锅炉的热源，给水首先通过省煤器加热，然后进入汽包，通过循环泵进入蒸发器，产生一定的饱和蒸汽，最后进入过热器，产生一定温度，一定压

21、强的水蒸气。图2.2为余热锅炉原理图，图2.3余热锅炉输入输出变量：QecQva省煤器蒸发器过热器补燃器出口烟气质量流量补燃器出口烟气热量给水流量给水温度图2.2余热锅炉原理水蒸气质量流量水蒸气所含热量排放烟气流量排放烟气焓值图2.3余热锅炉总体输入输出余热锅炉输入输出变量见表2.2：输入变量名称符号输出变量名称符号补燃器出口烟气质量流量(Kg/s)Mout水蒸汽质量流量(Kg/s)ms补燃器出口热量(KJ)Qyout出口水蒸气所含热量(KJ)Q、sout给水流量(Kg/s)ms烟气流量(Kg/s)mg给水温度(C)Ts最终排放烟气的焓值(KJ/Kg)H表2.2余热锅炉输入输出变量各变量计算公

22、式：过热器吸收热量:Q=FaTsusususu蒸发器吸收热量:Q=FaTvacavava省煤器吸收热量:Q=FaTececececQ、Q、Q分别为过热器、蒸发器和省煤器的传热量,KW。suvaecF、F、F分别为过热器、蒸发器和省煤器的传热面积,m2。sucaeca、a、a分别为过热器、蒸发器和省煤器的平均换热系数,KW/(m2*t)suvaecT、T、T分别为过热器、蒸发器和省煤器的对数平均温差，C。suvaec入口水所含热量：Q=m*HSSSms为给水流量，Kg/s。入口水的焓值：H=T*CSSST为给水温度，C。SC为液态水比热容，kJ/kg*C。出口水蒸气所含热量：Qsout=(Qsu

23、+Qva+Qec+Qs)*nutnt为水蒸气能量传输效率。out烟气流量：m=Mt/ggoutPg为阻力系数最终排放烟气所含热量：Q=Qt-Q-Q-Qgoutsucaec最终烟气排放的焓值：H=Q/m&r&水蒸气质量流量：m=H/QssusuH为过热器水(蒸汽)焓变。su第三章溴化锂吸收式制冷机模型31溴化锂吸收式制冷机工作原理高温蒸汽中温蒸汽图3.1制冷机工作流程图在高压发生器中，稀溶液被驱动热源加热。在较高的发生压力如下产生冷剂蒸汽，因该蒸汽具有较高的温度，又被通入低压发生器作为热源，加热低压发生器中的溶液，使之在冷凝压力下产生冷剂蒸汽。此时，低压发生器则相当于高压发生器的冷凝器。由此可见

24、，驱动热源的能量在高压发生器和低压发生器中得到了两次利用，称为双效循环。显然，与单效循环相比，产生同等制冷量所需的驱动热源加热量减少，即双效机组的热效率比单效机组高。在制冷剂回路中，高压发生器中产生的冷剂蒸汽，在低压发生器中加热溶液后，凝结成冷剂水，经节流减压后进入冷凝器，与低压发生器中产生的冷剂蒸汽一起被冷凝管内的冷却水冷却凝结成冷剂水。冷凝器中的冷剂水节流后进入蒸发器，经冷剂泵输送，喷淋在蒸发器管簇上，吸取管内冷水的热量，在蒸发压力下蒸发,使冷水温度降低，达到制冷的目的。蒸发器中产生的冷剂蒸汽流入吸收器被溴化锂溶液吸收。在溶液回路中，吸收器中的溴化锂稀溶液被溶液泵输送经高低温换热器送入高压

25、发生器，热源加热产生制冷剂蒸汽，中间浓度溶液经高温换热器流入低压发生器继续蒸发出制冷剂蒸汽，浓溶液流出低压发生器经低温换热器回流至吸收器。冷却水回路中，冷却塔中的冷却水经冷却水泵输送至吸收器中，降低了吸收器中溴化锂溶液的温度，随之被送往冷凝器冷凝制冷剂蒸汽，最后回流至冷却塔，完成一次循环。3.2高压发生器模型余热锅炉热量卜吸热Qhg蒸汽高压发生器流Smhgin温度hgin浓度8hgin流入稀溶液浓溶液=1蒸汽流fmhgvout蒸汽温度hgvout浓溶液流量nhgout浓溶液温度hgout浓溶液浓Behgout高压发生器模块输入变量名称符号输出变量名称符号压力（kPa）P流入稀溶液焓（kJ/kg

26、）hhgin稀溶液入口流量（kg/s）mhgin流出中浓溶液的焓（kJ/kg）hhgout稀溶液浓度（）*hgin水蒸气焓（kJ/kg）hhgv稀溶液入口温度（C）thgin吸热（kJ/s）Qhg浓溶液出口温度（C）thgout浓溶液流量mhgout浓溶液浓度（）*hgout蒸汽流量mhgvout蒸汽出口温度（C）thgvout废气热量吸收效率a从废气中吸收的热量：Qh=aQ，其中Q为从余热锅炉中输出的热量，a为从余热锅炉吸收热量的效率.溶液质量守恒方程：mh.=m_t+mh，m_.为高压发生器溶液进口流量，mhtngmngouthgvngmhgout为出口流量，叫蒸汽发生流量.ngv溶液能量

27、守恒方程：Qh+mh.*hh.=mht*ht+mh*hh+Qh,hhi,hht为溶液hgngmngm飞gout飞goutngvhgvshngm飞gout的进口焓，溶液的出口焓，Qsh为筒体热熔存在而引起的热量消耗.已知温度和浓度溶液的焓公式：h=丫3（叭+t丫bna00*+12丫C（10任000，a，b，c为已知的常数，t为溶液的温度，为溶液的浓度.nnn水蒸气焓：hh=418.68+Cl*t1+r+C*（t-tj，其中Cl取值为4.1868KJ（Kg.C）,C为过热水蒸瓠t1到t时的定压平均比热容.PlPg制冷剂能量守恒方程：叫*h_=叫,*h_ngvngvngvoutngvoutMM总容积

28、守恒方程：胃厘+丁二VhghgvhgMh，Mh分别为筒体内蒸汽和溶液的质量，ph，卩山分别为蒸气密度和溶液密度，vh为高压发生器的总容积.hgvhghg蒸汽浓溶液蒸汽流量m蒸汽温度tIgvIgv3.3低压发生器模型浓溶液流量mlgout浓溶液温度tlgout浓溶液浓度Elgout低压发生器模块输入变量名称符号输出变量名称符号流出浓溶液温度（C）tlgout出口浓溶液焓（kJ/kg）hlgout浓溶液浓度（）lgout产生蒸汽焓（kJ/kg）hlgv发生蒸汽温度（C）tlgv吸热(kJ/s)Qlg传热系数（kJ/mIC）Klg出口浓溶液流量（kg/s）mlgout传热面积（mJFlg蒸汽流量（k

29、g/s）mlgv溶液质量守恒方程：m=ml,+ml，m为低压发生器溶液进口流量，ml.lgmlgoutlgvlgmlgout为低压发生器溶液出口流量，ml为蒸汽发生流量.lgv溶液能量守恒方程：Q+m*h=ml,*hl,+ml*hl+Qh，h，h.为低压发生器溶液进口焓，溶液出口焓，Qh为筒体热熔存在而引起的热量消耗，Ql为吸收的热量，hl为产生的蒸汽焓lgv吸收的热量：Ql=Kl*Fl（th-tli）-0.65*（tlt-tli），Kl，耳为低压发生器的传热lglglghgvlgm，lgoutlgmlglg系数和传热面积，tli，tlt分别为溶液的入口温度和出温度.lgmlgout已知温度和

30、浓度溶液的焓公式：:=丫3(叭+t丫bna00*+12丫Cn(唤000，系数和传热面积，t,tlt分别为溶液的入口温度和出温度.a,b,c为常数,lgmlgoutnnnt为温度，为浓度.制冷剂能量守恒方程:水蒸气焓：hh=418.68+Cl*t1+r+C*(t-tj，其中Cl取值为4.1868KJ(Kg.C),C为过热水蒸气从t1到t时的定压平均比热容.PlPgm*h=m*h.lgvlgvlgvoutlgvout总容积守恒方程:MM3+ig=VPPlglgvlgplgv，plg分别为蒸气密度和溶液密度,Mlv，M分别为筒体内蒸汽和溶液的质量,V：为高压发生器的总容积.3.4冷凝器模型冷剂水1流

31、入蒸汽厂厂冷凝器f放热Qconu彳1流量mconin温度tconin冷剂水流量nconout冷剂水温度conout冷却水入口温cwin冷却水岀口cwout冷凝温度con冷凝器输入变量名称符号输出变量名称符号冷凝器压力(kPa)P丄con冷凝放热(kJ/s)Qcon冷却水进口温度(C)win冷媒水出口流量(kJ/kg)mconout冷却水出口温度(C)tcwout温度换算(K)T冷凝温度(C)tcon冷媒水焓(kJ/kg)hconout换热系数(kJ/mIC)KHw换热面积(mJFcw制冷剂质量方程：mi=mt，mi为冷凝器进口蒸汽流量，mt为冷凝器coninconoutconinconout冷凝水出口流量.能量守恒方程：m.*h.=m,*h,+Q，hi，h.为冷凝器进口蒸汽coninconinconoutconoutconconinconout焓，冷凝器冷剂水出口焓，Q为放出的热量即冷却水吸收的热量.con放出的热量：Q=K*F(t-t.)-0.65*