基于AMESim的柴油發(fā)電機組建模與仿真

1、基于AMESim的柴油發(fā)電機組建模與仿真 1 前言某些特殊用途的柴油發(fā)電機組常在變工況下運行, 須對其動態(tài)過程進行研究, 以確定機組的瞬態(tài)響應(yīng)特性能否滿足系統(tǒng)的要求。而對柴油發(fā)電機組進行試驗研究的工作量大、成本高且受試驗條件的限制, 因此有必要對其進行仿真研究。隨著仿真技術(shù)和仿真方法的不斷發(fā)展和改進、柴油發(fā)電機組建模理論的不斷完善, 目前可以建立精度較高的柴油發(fā)電機組仿真模型, 對機組進行仿真研究, 以彌補試驗研究的不足。長期以來, 對柴油發(fā)電機組工作過程的仿真,大多是建立其用微分方程表示的數(shù)學(xué)模型, 然后編制程序并運行, 這樣做可以得到較高的仿真精度但是編程調(diào)試的工作量很大, 仿真結(jié)果的分析

2、也比較麻煩。本文對柴油發(fā)電機組的仿真是利用系統(tǒng)建模與仿真軟件AMESim來實現(xiàn)的, 用AMESim對柴油發(fā)電機組進行仿真既不需要建立微分方程也無需編程, 仿真結(jié)果的分析也很方便, 可以動態(tài)顯示每一個參數(shù)的變化, 同時還可以將仿真結(jié)果存為數(shù)據(jù)文件。2 仿真計算理論2.1 系統(tǒng)劃分將柴油發(fā)電機組劃分為氣缸、進排氣系統(tǒng)、中冷器、渦輪增壓器、調(diào)速器、供油裝置和發(fā)電機負載等系統(tǒng), 如圖1所示。 圖1 柴油發(fā)電機組模型2.2 工質(zhì)的物理屬性對液態(tài)工質(zhì)即柴油, 用C12H26代表其成分, 計算時假設(shè)其物理屬性在工作過程中不發(fā)生變化, 即柴油的低熱值、密度、汽化潛熱和汽化溫度等都作為已知條件輸入。氣態(tài)工質(zhì)是空

3、氣、氣態(tài)燃油和已燃廢氣的混合物, 其工作過程中的物理屬性與每種氣體各自的屬性和所占的質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。計算時假設(shè): 各容積中氣體的混合是均勻的, 工質(zhì)是理想氣體, 每種氣體的物理屬性都只與溫度有關(guān), 是溫度的二次多項式函數(shù), 即: 以上各式中: T =T - T0 , T0 為設(shè)定溫度, T為實際溫度; 為絕對黏度, m u0 為設(shè)定溫度下的絕對黏度; cp 為比定壓熱容, cp0為設(shè)定溫度下的比定壓熱容; 為熱傳導(dǎo)率, lam0 設(shè)定溫度下的熱傳導(dǎo)率; r為理想氣體常數(shù); 為氣體密度; cV 為比定容熱容; 其余變量為系數(shù)。2.3 燃燒放熱規(guī)律燃燒放熱規(guī)律決定了柴油機氣缸內(nèi)氣體壓力與溫度的變化,

4、 對柴油機整個熱力過程有重大影響。建模時選用AMESim提供的Extended Chmela2based燃燒放熱模型。燃燒過程中的燃燒放熱率為: 式中: Cmode為燃燒放熱系數(shù); mf為燃燒室中的燃油質(zhì)量;Crate為燃燒混合率; V為氣缸容積;Ediss, kin為燃燒過程所消耗的能量; mgas為缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量; nnozzle為噴嘴上的噴孔數(shù)量; Snozzle為每個噴孔的面積; f為燃油的密度;dminj /dt為噴油率; Cdiss為系數(shù)。2.4 氣缸周壁傳熱氣缸周壁傳熱的計算選用AMESim提供的Woschni (1967) 模型, 其計算公式為: 式中: p、T為缸內(nèi)氣體的壓

5、力和溫度; B為氣缸直徑; Vc為單缸容量; vpist為活塞速度; p0為沒有燃燒時缸內(nèi)氣體的壓力; p1、T1、V1為燃燒剛開始之前缸內(nèi)的壓力、溫度和體積; Twall為壁面溫度;Swall為熱交換面積; C1、C2 為沃希尼系數(shù), 其中C1 有兩個值: 第一個值用于進排氣行程, 第二個值用于壓縮、燃燒和膨脹行程; C2 也有兩個值,第一個用于燃燒和膨脹行程, 第二個用于其它階段。2.5 進、排氣流動工質(zhì)流經(jīng)進、排氣門的質(zhì)量流量與幾何流通截面積和流量系數(shù)有關(guān), 其中幾何流通截面積是隨氣門升程而變化的, 氣門的升程可以從凸輪的升程曲線插值后再乘以搖臂杠桿比計算得到, 凸輪的升程曲線可由廠家提

6、供。進、排氣門的流量系數(shù)可以用氣門升程(或升程與氣門直徑的比值) 作為參數(shù)來描繪, 在沒有試驗數(shù)據(jù)的情況下, 可根據(jù)經(jīng)驗公式計算, 其一般形式為: 式中: hv為氣閥升程; Dv為氣閥直徑; a、b、c都為常數(shù), 一般取值范圍分別為0.81、14、12, 具體值根據(jù)不同的機型來確定。2.6 進排氣系統(tǒng)模型進、排氣系統(tǒng)的熱力過程計算采用容積法, 即將進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)都簡化成容積。其中進氣系統(tǒng)容積包括氣缸蓋的進氣道、進氣歧管、進氣總管等; 排氣系統(tǒng)容積包括氣缸蓋排氣道、排氣支管、排氣總管和廢氣渦輪進氣渦殼等容積。2.7 中冷器換熱量的計算選用效能傳熱單元法(-NTU 法) 計算傳熱量, 其計算公

7、式為: 式中, Cmin =mindmccpc , dmhcph ; dmc、dmh 為冷卻介質(zhì)和增壓空氣的質(zhì)量流量; cpc , cph為冷卻介質(zhì)和增壓空氣的比定壓熱容; Tci、Thi為進入中冷器前的冷卻介質(zhì)和增壓空氣溫度; 為效能, 表示熱交換器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比, = NTU為傳熱單元數(shù)。2.8 渦輪增壓器性能參數(shù)增壓器的通用特性曲線由廠家提供, 給出流量、轉(zhuǎn)速、壓比和效率之間的關(guān)系。渦輪的通用特性曲線廠家無法提供, 需按經(jīng)驗公式計算流量和效率與轉(zhuǎn)速和壓比的關(guān)系, 在計算時采用簡化方法,將渦輪簡化成一個當量噴嘴, 其流通能力可以用具有相同流通能力的等效流動截面乘以流

8、量系數(shù)來得到, 渦輪流量和效率的計算公式為: 式中, T為渦輪的流量系數(shù); FT為渦輪當量噴嘴面積; T為渦輪的通流函數(shù); PT、TT、RT為渦輪入口的廢氣壓力、溫度和理想氣體常數(shù); U為工作葉輪平均圓周速度; c0為氣體通過渦輪的理想速度; Tmax為渦輪最高效率。2.9 調(diào)速系統(tǒng)模型仿真模型采用的是數(shù)字式電子調(diào)速器, 它根據(jù)機組負荷變化時引起的轉(zhuǎn)速變化, 自動調(diào)節(jié)供油裝置執(zhí)行器的齒條位移, 以改變高壓油泵的每循環(huán)供油量, 從而使機組的轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。其調(diào)節(jié)過程的作用規(guī)律系采用雙PID閉環(huán)調(diào)節(jié)器, 調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。 圖2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖(1) 電磁執(zhí)行器模型電磁執(zhí)行器是柴油

9、機的供油執(zhí)行單元, 它的主要功能是將齒條位置信號轉(zhuǎn)換成油泵齒條的實際位置并輸出。它由供油執(zhí)行環(huán)節(jié)、執(zhí)行控制環(huán)節(jié)、伺服執(zhí)行環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)組成, 按照功能, 可以簡化成一個一階慣性環(huán)節(jié)。(2) 供油裝置模型柴油機每缸的循環(huán)供油量與噴油泵的齒條位移和油泵轉(zhuǎn)速(或柴油機轉(zhuǎn)速) 有關(guān), 一般根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)的回歸曲線或用經(jīng)驗公式來表示。此外, 噴油泵齒條位移改變后, 柴油機的功率和扭矩響應(yīng)存在延遲, 可通過在調(diào)速器輸出位置后加一個純延遲和一個慣性延遲環(huán)節(jié)來表示。2.10 發(fā)電機系統(tǒng)模型仿真模型選用他勵直流發(fā)電機作為負載電機,通過感應(yīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)勵磁電流以控制發(fā)電機的電樞電流, 從而可以控制柴油發(fā)電機組的負

10、載大小。表示系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的微分方程如下: 式中, Ea為感應(yīng)電動勢; Ia為電樞電流; n為發(fā)電機軸上轉(zhuǎn)速; Rd為負載電阻; Ra為電樞回路電阻; La為電樞回路電感; Ce為電動勢系數(shù); Cm =9155Ce,為轉(zhuǎn)矩電流比系數(shù); k為磁化曲線對應(yīng)工作點的斜率; If 為勵磁電流;Mm 為發(fā)電機電磁扭矩;ML 為發(fā)電機軸上扭矩; K為發(fā)電機阻尼系數(shù); JL為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量。2.11 機械損失壓力柴油機的機械損失一般用機械損失壓力pm表示,主要是由于機械摩擦及驅(qū)動所帶輔助機械設(shè)備(如油泵、水泵等)的摩擦損失壓力。迄今為止提出的機械損失的經(jīng)驗公式很多, S.K1陳提出了一個考慮氣缸內(nèi)氣體壓力和

11、柴油機轉(zhuǎn)速的計算平均機械損失壓力的公式: 式中: pmax為柴油機單缸最高燃燒壓力; n為柴油機的轉(zhuǎn)速; r為曲柄半徑。3 仿真模型的建立仿真模型的建立在AMESim軟件中完成。首先根據(jù)所要仿真的柴油發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)特點在AMESim的元件庫中選擇各部分元件, 將其搭接起來, 建立整個柴油發(fā)電機組的仿真模型。然后為各個元件選擇相應(yīng)的子模型, 最后在各個元件中輸入所需的參數(shù)及公式。AMESim中建立的柴油發(fā)電機組的仿真模型如圖3所示, 機組的主要參數(shù)如表1所示。4 仿真結(jié)果與分析模型建好以后, 即可對柴油發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)過程和動態(tài)過程進行仿真。為了對模型中的一些參數(shù)和公式進行標定, 首先對額定工況下

12、機組的運行特性進行仿真, 使機組在額定工況下的仿真結(jié)果與實際的運行參數(shù)相接近, 然后進行動態(tài)過程的仿真。100%負荷時機組的主要運行參數(shù)的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比如表2所示, 柴油機缸內(nèi)的示功圖對比如圖4和圖5所示。 圖3 AMESim中建立的柴油發(fā)電機組仿真模型表1 柴油發(fā)電機組的基本參數(shù) 4.1 穩(wěn)態(tài)過程仿真模型標定好后, 對機組在其它工況下的穩(wěn)態(tài)過程進行仿真。表2所示為機組在50% , 75%和100%負荷機組主要運行參數(shù)的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比。其中仿真和試驗時的環(huán)境壓力為0.1MPa,環(huán)境溫度為20 , 中冷器冷卻水溫度為20 , 機組的工作轉(zhuǎn)速為1450 r /min。 圖4 100

13、%負荷時柴油機的p -圖 圖5 100%負荷時柴油機的p 2V圖表2 不同負荷時的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果與實測結(jié)果 4.2 動態(tài)過程仿真在穩(wěn)態(tài)仿真的基礎(chǔ)上對機組負荷突卸時的動態(tài)過程進行仿真。首先調(diào)節(jié)調(diào)速器模型的P、I、D參數(shù), 使機組的瞬態(tài)調(diào)速率和過渡時間在所要求的范圍之內(nèi)且機組的轉(zhuǎn)速變化與實測結(jié)果相接近。然后用調(diào)節(jié)好的P、I、D參數(shù)仿真100%負荷突卸時機組性能參數(shù)的變化規(guī)律, 并與試驗結(jié)果進行對比, 如圖6所示。 圖6 負荷突卸時機組性能參數(shù)變化曲線通過負荷突卸時的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比可以看出: 負荷突卸時發(fā)電機功率和電流變化的仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致; 通過調(diào)節(jié)調(diào)速器模型的P、I、D 參數(shù)可以使負荷突卸時機組轉(zhuǎn)速的變化與實測結(jié)果相接近, 并且此時齒條位移的變化也和實測結(jié)果較為接近, 證明仿真模型具有較高的仿真精度