有机朗肯循环模块化螺杆膨胀发电机组转速控制模型研究

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基于ORC系统的低温热源发电技术是一种能够有效回收低温热源中热能的新型发电技术。它的优势在于能够回收利用低温热源,并能够将低品位热能转化为高品位的电能。该技术不仅能够改善能源结构,缓解能源紧张,同时能够通过能源梯级利用提高能源利用率,减少化石能源的消耗并缓解化石能源的大量使用所带来的环境问题。  目前,对于有机朗肯循环发电技术的研究,多集中在循环系统热力计算以及有机工质的对比分析方面,而对于机组控制系统的研究相对较少。本文针对基于ORC系统的模块化螺杆膨胀发电机组开机升转速阶段控制系统进行了研究,旨在得到发电机组的控制策略,对将来该技术的广泛应用以及发电机组的安全稳定运行有所帮助。  有机朗肯循环模块化螺杆膨胀发电机组采用一体化设计,将发电机组中主要部件采用模块化集成安装。如此设计可以提高发电系统空间利用率,减少蒸汽流动过程的能量损耗,提高发电系统的热效率。由于对螺杆机转速的控制所采用的方法主要是控制进入蒸发器有机工质的流量,而模块化机组的螺杆膨胀机之前没有空间设置蒸汽流量调节阀来控制进入螺杆机的有机工质蒸汽流量,因此对模块化机组无法直接控制螺杆机转速。本文提出采用控制进入蒸发器中热源流量进而控制蒸发器产出有机工质蒸汽,间接控制螺杆机转速。  在本文所研究的发电机组控制系统中,需要对热源流量调节阀、满液式蒸发器以及双螺杆膨胀机建立数学模型。由于在满液式蒸发器运行时,工质的液位不会发生很大的变化,因此采用固定边界分段集总参数法建立蒸发器的流量通道和焓通道模型。根据能量守恒定律对螺杆膨胀机分别建立对应于流量通道和焓通道的模型。  建立发电系统螺杆膨胀机的仿真模型。根据已建立的理论模型,在Simulink中建立其仿真模型,并对其进行仿真研究。对控制器参数采用Ziegler-Nicho ls第二法则整定,并分别对流量通道和焓通道模型仿真分析。仿真结果表明在对机组转速的控制时,工质蒸气流量起到主要作用。通过分析P ID控制器各环节系数改变对机组控制性能的影响以及对系统未建模环节对系统的影响来研究控制系统稳定性。  最后,采用先进控制理论对控制器优化。由于模块化机组采用的是间接控制手段,由于蒸发器的热惯性较大,控制器对扰动会有延迟,所以研究采用前馈、串级和二自由度法对系统优化。研究结果显示,串级控制能够优化系统对扰动的响应,二自由度能够使系统对参考输入和外界扰动的抑制同时达到最佳。
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