一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统及方法，包括养殖场子系统、降雨量子系统和投资收益率子系统；养殖场仿真子系统包括厌氧发酵罐模块、与厌氧发酵罐模块的输出端连通的沼气净化模块、与沼气净化模块的输出端连通的储气罐模块、与储气罐模块的输出端连接的发电机组模块、与发电机组模块的热水输出端连通的缸套水换热器模块、与缸套水换热器模块的输出端连接的蓄热水箱模块，蓄热水箱模块的输出端与厌氧发酵罐模块连通。本发明专利技术采用上述计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，考虑降雨量对沼气产量的影响，更接近工程实际，使雨季日沼气产量与实际产量更吻合、准确。准确。准确。

【技术实现步骤摘要】
一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统及方法


[0001]本专利技术涉及沼气热电联供
，尤其涉及一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，畜禽养殖场面临废弃物利用率低、农业面源污染等问题。为解决此问题，现有技术采用废弃物利用的沼气热电联供系统，以实现畜禽养殖废弃物资源化循环利用。在此过程中，分析沼气热电联供系统的工作原理和特性，建立仿真模型，对热电联供系统的优化调度、控制规划等方面具有重要意义。
[0003]例如，现有专利CN109240128A提供了一种新能源冷热电联供实时仿真系统及方法，其公开的仿真系统包括：能源气象站、数据监控单元、系统仿真单元、数据接口单元，基于上述结构，首先将能源气象站所获取的数据传至数据监控单元，进而通过共享内存传送至系统仿真单元；而后系统运行数据通过共享内存传送至数据监控单元，显示系统运行状态；同时根据预设仿真结束条件，判断系统仿真是否完成，若是，则结束，否则重新设置系统参数，继续仿真。
[0004]李娜在现有文献《太阳能辅助沼气生产和综合利用系统数值仿真》中公开了，在吸收总结太阳能沼气池系统和沼气利用系统已有研究的基础上，设计了太阳能与沼气锅炉辅助沼气生产和热、电、气联供系统，并且基于能量和质量守恒原则，采用集总参数法建立系统的动态数学模型，以Simulink为仿真平台建立了系统的模块化仿真模型。
[0005]可知现有技术方案具有以下缺点：(1)现有关于新能源冷热电联供仿真系统局限在光伏、风电等方面，研究关于沼气新能源的较少。(2)仿真数据来源只局限于实验室与文献，针对实际应用场景分析的较少。(3)在模型构建中，并未考虑外部环境的多变性对系统运行的影响。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，考虑降雨量对沼气产量的影响，更接近工程实际，使雨季日沼气产量与实际产量更吻合、准确。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，包括养殖场子系统、降雨量子系统和投资收益率子系统；
[0008]养殖场仿真子系统包括厌氧发酵罐模块、与厌氧发酵罐模块的输出端连通的沼气净化模块、与沼气净化模块的输出端连通的储气罐模块、与储气罐模块的输出端连接的发电机组模块、与发电机组模块的热水输出端连通的缸套水换热器模块、与缸套水换热器模块的输出端连接的蓄热水箱模块，蓄热水箱模块的输出端与厌氧发酵罐模块连通。
[0009]优选的，厌氧发酵罐模块包括用于利用养殖场的粪尿进行厌氧发酵并产生沼气的厌氧发酵罐和基于厌氧发酵罐建立的厌氧发酵罐模型，厌氧发酵罐模型包括发酵罐热平衡
模型和日沼气产量模型；
[0010]其中，发酵罐热平衡模型表达式如下：
[0011]ΔQ＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]式中，ΔQ表示厌氧发酵罐内部热量变化，单位为kW；Q1表示厌氧发酵罐的加热盘管的加热量，单位为kW；Q2表示加热新进发酵料液的耗热量，单位为kW；Q3表示厌氧发酵罐的散热量，单位为kW；Q4表示沼气带走的显热损失，单位为kW；Q5表示水蒸气蒸发的耗热量，单位为kW；
[0013]厌氧发酵罐的加热盘管的加热量Q1表达式如下：
[0014]Q1＝aQ
bd
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]式中，a表示该厌氧发酵罐所需热量占蓄热水箱模块总加热量的比重；Q
bd
表示蓄热水箱模块为全部厌氧罐加热的热量，单位为kW；
[0016]加热新进发酵料液的耗热量Q2表达式如下：
[0017]Q2＝m
bd
c
bd
(T
bd
‑
T
m
)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]式中，m
bd
表示新进发酵料液的流量，单位为kg/d；c
bd
表示发酵料液的比热，单位为kJ/(kg
·
K)；T
bd
表示厌氧发酵罐内的发酵温度，单位为K；T
m
表示发酵料液进入厌氧发酵罐之前的温度，单位为K；
[0019]厌氧发酵罐散热量Q3表达式如下：
[0020]Q3＝Q
bf
+Q
br
+Q
bw
＝ΣK
i
S
i
(T
bd
‑
T
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]式中，Q
bf
表示厌氧发酵罐的罐顶散热量，单位为kW；Q
br
表示厌氧发酵罐的罐壁散热量，单位为kW；Q
bw
表示厌氧发酵罐的罐底散热量，单位为kW；K
i
表示厌氧发酵罐的罐顶、罐壁和罐底的综合传热系数，单位为W/(m2·
K)；S
i
表示厌氧发酵罐的罐顶、罐壁和罐底的综合传热面积，单位为m2；T
i
表示厌氧发酵罐的罐顶外、罐壁外和罐底外的综合温度，单位为K；
[0022]沼气带走的显热损失Q4表达式如下：
[0023][0024]式中，表示沼气中甲烷的含量；v表示厌氧发酵罐的有效容积，单位为m3；γ
V
为甲烷的体积产率，单位为kg/(m3·
d)；T
a
表示外界空气温度，单位为K；
[0025]水蒸气蒸发耗热量Q5表达式如下：
[0026][0027]式中，W
w
表示沼气流携带的水蒸气的质量流量，单位为kg/d；H
w
表示水蒸汽在发酵温度下的汽化潜热值，单位为MJ/kg；c
g
表示水蒸气的比热，单位为kJ/(kg
·
K)；X
w
表示沼气中所含的水分子份数；
[0028]单个厌氧发酵罐的日沼气产量模型构建过程如下：
[0029]首先根据相应的甲烷体积产率和质量守恒求出甲烷动态产率：
[0030][0031]式中，γ
V
表示甲烷体积产气率，单位为m3/(m3·
d)；B0表示粪尿的极限甲烷产率，单位为m3/kg；S0表示发酵料液的进料底物浓度，单位为kg VS
·
m
‑3；HRT表示水力停留时间，单位为d；K表示动力学参数；μ
m
表示微生物最大生长比率，单位为1/d；v
bd
表示进料量，单位为m3/d；
[0032]而后根据质量守恒原理，得到日沼气产量的数学模型表达式：
[0033][0034]式中，m
bg
表示日产沼气质量，单位为kg/d；ρ
CH4
表示甲烷密度，单位为kg/m3；V
bg
表示日产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：包括养殖场子系统、降雨量子系统和投资收益率子系统；养殖场仿真子系统包括厌氧发酵罐模块、与厌氧发酵罐模块的输出端连通的沼气净化模块、与沼气净化模块的输出端连通的储气罐模块、与储气罐模块的输出端连接的发电机组模块、与发电机组模块的热水输出端连通的缸套水换热器模块、与缸套水换热器模块的输出端连接的蓄热水箱模块，蓄热水箱模块的输出端与厌氧发酵罐模块连通。2.根据权利要求1所述的一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：厌氧发酵罐模块包括用于利用养殖场的粪尿进行厌氧发酵并产生沼气的厌氧发酵罐和基于厌氧发酵罐建立的厌氧发酵罐模型，厌氧发酵罐模型包括发酵罐热平衡模型和日沼气产量模型；该养殖场厌氧发酵罐数量为4，单个厌氧发酵罐的热平衡模型表达式如下：ΔQ＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，ΔQ表示厌氧发酵罐内部热量变化，单位为kW；Q1表示厌氧发酵罐的加热盘管的加热量，单位为kW；Q2表示加热新进发酵料液的耗热量，单位为kW；Q3表示厌氧发酵罐的散热量，单位为kW；Q4表示沼气带走的显热损失，单位为kW；Q5表示水蒸气蒸发的耗热量，单位为kW；厌氧发酵罐的加热盘管的加热量Q1表达式如下：Q1＝aQ
bd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，a表示该厌氧发酵罐所需热量占蓄热水箱模块总加热量的比重；Q
bd
表示蓄热水箱模块为全部厌氧罐加热的热量，单位为kW；加热新进发酵料液的耗热量Q2表达式如下：Q2＝m
bd
c
bd
(T
bd
‑
T
m
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，m
bd
表示新进发酵料液的流量，单位为kg/d；c
bd
表示发酵料液的比热，单位为kJ/(kg
·
K)；T
bd
表示厌氧发酵罐内的发酵温度，单位为K；T
m
表示发酵料液进入厌氧发酵罐之前的温度，单位为K；厌氧发酵罐散热量Q3表达式如下：Q3＝Q
bf
+Q
br
+Q
bw
＝∑K
i
S
i
(T
bd
‑
T
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，Q
bf
表示厌氧发酵罐的罐顶散热量，单位为kW；Q
br
表示厌氧发酵罐的罐壁散热量，单位为kW；Q
bw
表示厌氧发酵罐的罐底散热量，单位为kW；K
i
表示厌氧发酵罐的罐顶、罐壁和罐底的综合传热系数，单位为W/(m2·
K)；S
i
表示厌氧发酵罐的罐顶、罐壁和罐底的综合传热面积，单位为m2；T
i
表示厌氧发酵罐的罐顶外、罐壁外和罐底外的综合温度，单位为K；沼气带走的显热损失Q4表达式如下：式中，表示沼气中甲烷的含量；v表示厌氧发酵罐的有效容积，单位为m3；γ
V
为甲烷的体积产率，单位为kg/(m3·
d)；T
a
表示外界空气温度，单位为K；水蒸气蒸发耗热量Q5表达式如下：
式中，W
w
表示沼气流携带的水蒸气的质量流量，单位为kg/d；H
w
表示水蒸汽在发酵温度下的汽化潜热值，单位为MJ/kg；c
g
表示水蒸气的比热，单位为kJ/(kg
·
K)；X
w
表示沼气中所含的水分子份数；日沼气产量模型构建过程如下：首先根据相应的甲烷体积产率和质量守恒求出甲烷动态产率：式中，γ
V
表示甲烷体积产气率，单位为m3/(m3·
d)；B0表示粪尿的极限甲烷产率，单位为m3/kg；S0表示发酵料液的进料底物浓度，单位为kg VS
·
m
‑3；HRT表示水力停留时间，单位为d；K表示动力学参数；μ
m
表示微生物最大生长比率，单位为1/d；v
bd
表示进料量，单位为m3/d。而后根据质量守恒原理，得到日沼气产量的数学模型表达式：式中，m
bg
表示日产沼气质量，单位为kg/d；表示甲烷密度，单位为kg/m3；V
bg
表示日产沼气体积，单位为m3/d；M
bd
表示厌氧发酵罐内发酵料液质量，单位为kg；ρ
bd
表示发酵料液密度，单位为kg/m3；ρ
bg
表示沼气密度，单位为kg/m3。3.根据权利要求1所述的一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：沼气净化模块包括用于除去沼气中的硫化氢和水蒸气的沼气净化装置和基于沼气净化装置建立的沼气净化模型；沼气净化模型表达式如下：式中，V'
bg
表示净化后的沼气流量，单位为m3/d；表示沼气中水的含量；表示沼气中硫化氢的含量。4.根据权利要求1所述的一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：储气罐模块包括储气罐和基于储气罐建立的储气罐模型；储气罐模型表达式如下：
V”bg
＝V'
bg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，V”bg
表示经过储气罐后的沼气流量，单位为m3/d。5.根据权利要求1所述的一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：发电机组模块包括内燃机发电机组和基于内燃机发电机组建立的发电机组模型；发电机组模型表达式如下：式中，P
e
表示内燃机发电机组的电功率，单位为kW；Q
h
表示内燃机发电机组排出的热水的热量，单位为kW；Q
g
表示内燃机发电机组排出的烟气的热量，单位为kW；V
e,bg
表示用于发电的沼气流量，单位为m3/d。6.根据权利要求1所述的一种计及降雨量的养殖场沼气热电联供仿真系统，其特征在于：储气罐模块与发电机组模块之间还设置有第一调节模块，第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：高立艾，温鹏，贾宇琛，李爱峰，张瑞强，周加栋，张晓彤，谢紫开，李晓宇，霍利民，
申请(专利权)人：河北聚碳生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：