關(guān)于內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)的有效運(yùn)用分析

馬建龍

摘 要：在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的熱量中，缸套水余熱燃料占有較大比例，約為1/3左右，然而到目前為止，我國在內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)共系統(tǒng)方面的研究時(shí)日尚短，尤其是對于變工況、系統(tǒng)集成等各方面的研究相對不足，因此，對內(nèi)燃機(jī)的余熱利用進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)能夠有助于合理利用內(nèi)燃機(jī)能源，促進(jìn)分布式供能技術(shù)的普及。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)；運(yùn)用

中圖分類號：TK01；F403.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）32-0037-02

能源在日常生活中起到維持生存活動的作用。人們對能源的需求量隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而與日俱增。目前我國能源利用主要是煤炭，使用煤炭產(chǎn)生的二氧化碳較高，同時(shí)可產(chǎn)生大量的硫氧化物、氮氧化物等有害物質(zhì)，不利于環(huán)境保護(hù)，另外煤炭利用率不高，造成能源浪費(fèi)。

分布式能源系統(tǒng)是一種中小型終端功能系統(tǒng)，其主要通過能量梯級利用面向用戶，為用戶提供制冷、供熱、生活熱水和電力等多種形式的能量，符合節(jié)能和保護(hù)環(huán)境的要求，其有利于提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)；除此以外，分布式能源系統(tǒng)能夠提高供能的安全性，其具備的多種優(yōu)點(diǎn)使其能源利用中得到重視和推廣應(yīng)用[1]。在實(shí)際中，如何有效運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)具有重要的研究價(jià)值。

1 內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡述

內(nèi)燃機(jī)分布式電聯(lián)供系統(tǒng)屬于多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要的建立是基于能源的梯級利用為基礎(chǔ)，具備發(fā)電、供熱、制冷等功能。目前該系統(tǒng)中的動力系統(tǒng)所用的發(fā)電設(shè)備有內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)，在1～5 MW以內(nèi)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)的數(shù)量大約是燃?xì)廨啓C(jī)的2倍，而在1 MW的系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)則占據(jù)絕大部分[2]。另外，內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)共系統(tǒng)還裝置了余熱回收利用設(shè)備。其具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：

其一，節(jié)約能源。內(nèi)燃機(jī)通過將能源燃料轉(zhuǎn)化成為熱能，而釋放的熱能有多種不同的品質(zhì)，根據(jù)不同熱能的品質(zhì)可以將其轉(zhuǎn)化成為蒸汽熱能和二次電能，從而達(dá)到合理利用資源的目的，一般情況下，低品位的熱能主要用途是供暖和制冷，而高品位的熱能的用途主要是發(fā)電。通過結(jié)合熱能品位運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)能源梯級利用，節(jié)約能源。

其二，環(huán)保。通過冷熱電聯(lián)共系統(tǒng)能夠有助于提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)，且對余熱的利用率較高，因而排出的煙氣溫度相對較低，給環(huán)境造成的污染較小，起到減少環(huán)境污染的作用。

其三，系統(tǒng)安全性高。分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具備多種功能，包括電制冷、熱力制冷、自發(fā)電、市電等，各種功能互為備用，例如在熱力制冷的途徑中斷時(shí)可以采用電制冷，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。而系統(tǒng)同時(shí)具備供熱、制冷、發(fā)電功能，滿足不同需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)性能。

其四，平能能源負(fù)荷。我國的能源結(jié)構(gòu)不合理，且隨著季節(jié)的變化，人們對各階段的需求也有所不同，在冬季人們的需求主要是供暖、熱水等，這一時(shí)期人們對電量的需求量相對較低，而在夏季，人們的需求主要是制冷用電，因此該階段為用電的高峰期。由于冷熱電聯(lián)共系統(tǒng)具備制冷、供熱、發(fā)電多種功能，在任何階段均可以滿足人們的需求，從而起到平衡能源負(fù)荷的作用。

2 內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)的應(yīng)用分析

一般情況下，內(nèi)燃機(jī)在燃燒燃料后釋放出來的熱量并沒有安全轉(zhuǎn)化為有用功，除了一部分轉(zhuǎn)化為有用功外，還有冷卻系統(tǒng)、潤滑油、排氣以及其他散熱途徑帶走部分熱量，其中轉(zhuǎn)化為有用功的熱量是充分利用的部分，而其他的部分均為余熱[3]。對于余熱的處理，目前主要對排氣和冷卻系統(tǒng)的余熱進(jìn)行回收。典型的內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、制冷機(jī)組、熱交換器等。內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣可高達(dá)350～450 ℃，制冷機(jī)組可以利用這一部分的煙氣余熱轉(zhuǎn)化為冷量，或可以將這一煙氣余熱用于供暖或提供熱水。該系統(tǒng)的正常運(yùn)行的情況下，氣缸內(nèi)的溫度高達(dá)2 000～2 500 ℃，高溫燃?xì)馀c活塞、缸套等零件接觸后，容易導(dǎo)致這些零件材料強(qiáng)度降低或損壞，影響到整個(gè)設(shè)備的使用壽命。因此，需要將這些余熱及時(shí)散發(fā)，使這些部件在適宜溫度范圍內(nèi)正工作。

通常情況下，缸套水出口溫度不超過100 ℃，雖然經(jīng)過缸套水帶走的熱氣溫度相對其他帶走熱量方式來說品位較低，但其數(shù)量可觀，通過缸套水排出帶走的熱量在燃料燃燒釋放的總熱量中占比高達(dá)30%～40%[4]。對這一部分的余熱利用技術(shù)主要有升溫型熱泵技術(shù)和吸收式除濕技術(shù)。

2.2 升溫型熱泵技術(shù)

升溫型熱泵技術(shù)也叫吸第二類收式熱泵技術(shù)，該技術(shù)主要是將中溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，工作流程主要是利用大量的中低溫?zé)崮茯?qū)動，制取溫度更高、但熱量更少的高品位熱能，從而為熱能的利用提供條件。

一般情況下，第二類吸收式熱泵的性能系數(shù)為0.4～0.5，而單效升溫型熱泵的性能系數(shù)可達(dá)0.45，因而該技術(shù)可利用60～100 ℃的中低溫?zé)嵩催M(jìn)行驅(qū)動，并制取約150 ℃的熱能[5]。這一項(xiàng)技術(shù)尤其適用于含有大量的低溫余熱以及有蒸汽需求的環(huán)境下。

蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器、冷凝器、發(fā)生器是構(gòu)成升溫型熱泵主要部分，其工作的基本流程是蒸發(fā)器吸收大量的余熱，使冷媒劑氣化成為蒸汽，而吸收器通過吸收這些蒸汽，將其輸送至溶液熱交換器，溶液熱交換器中的吸收劑濃度較高，在吸收蒸汽后將會稀釋，并放出熱量，而稀釋后的溶液經(jīng)過溶液泵加壓，輸送到發(fā)生器，稀釋后的溶液在受到外界熱源加熱后，原來吸收的蒸汽將會釋放出來，使稀釋溶液形成濃溶液，從而形成一個(gè)良性循環(huán)過程。而釋放出的蒸汽進(jìn)入冷凝器后釋放出熱量，變成液體狀態(tài)，并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)流程中。

總的來說，整個(gè)熱泵系統(tǒng)的工作過程中主要是吸收熱量和釋放熱量的過程，而蒸發(fā)器、吸收器主要起到吸收熱量的作用，而冷凝器、吸收器則主要是釋放熱量。熱泵系統(tǒng)中的冷媒劑則通過吸收、釋放熱量完成利用熱能的循環(huán)過程，從而有效提高內(nèi)燃機(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能利用率。

2.3 吸收式除濕技術(shù)

在美國，吸收式除濕技術(shù)已經(jīng)成為分布式功能系統(tǒng)工程中重要的構(gòu)成部分。而近年來，我國也十分重視吸收式除濕技術(shù)的應(yīng)用，因而該技術(shù)在我國也得到較快發(fā)展。吸收式除濕裝置系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括常溫除濕部分和高溫再生部分以及吸收器溶液循環(huán)泵，發(fā)生器溶液循環(huán)泵。其中常溫除濕部分由吸收除濕器、吸收器溶液冷卻器、溶液換熱器、主風(fēng)機(jī)構(gòu)成，其工作流程主要是通過主風(fēng)機(jī)將待除濕空氣輸送至吸收器，而溶液吸收器則吸收空氣中的水蒸氣，并放出大量的熱量，使水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)并與吸收劑結(jié)合。釋放出的熱量使吸收液出口溫度上升，而溶液冷卻器則將吸收液進(jìn)行冷卻，降低入口溫度，維持入口溫度處于正常溫度范圍內(nèi)。

與此同時(shí)，溶液換熱器將一部分的溶液輸送到發(fā)生器，由發(fā)生器進(jìn)行脫水處理，并進(jìn)入下一循環(huán)。高溫再生部分由濃溶液發(fā)生器、發(fā)生器溶液加熱器、再生風(fēng)機(jī)構(gòu)成。溶液加熱器將吸收液進(jìn)行加溫，形成上升的吸收液飽和蒸氣壓，并進(jìn)入發(fā)生器，由再生風(fēng)機(jī)輸送到濕度相對較低的再生空氣進(jìn)行脫水處理。在脫水處理的過程中，循環(huán)溶液要經(jīng)過溶液加熱器的加熱使其溫度升高保證水分充分蒸發(fā)。吸收液經(jīng)除濕后與濃溶液混合，一部分用于吸收除濕循環(huán)，另一部分則進(jìn)行脫水再生。

吸收式除濕裝置系統(tǒng)在除濕時(shí)需要消耗一定的熱量以及一定量的冷，而在該系統(tǒng)裝置可以消耗的熱量有余熱和蒸汽，可以消耗的冷有空氣、冷水、冷卻水。而內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的大量的低溫余熱，可以用于吸收式除濕裝置系統(tǒng)，由其充分利用，替代空調(diào)制冷中的除濕作用，從而提高熱能利用率。

3 內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)應(yīng)用的未來展望

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對用電的需求量越來越大，雖然我國的電力在改革開放后也得到長足發(fā)展，但電力的增長并未能夠滿足人們的用電需求，電網(wǎng)的供電長期緊張，尤其在夏季，一些地區(qū)用電尤其緊張，如珠江三角地區(qū)、華北地區(qū)等，而電網(wǎng)為能夠緩解用電緊張狀態(tài)，采取限電的措施，但該方法并不能從根本上解決問題。而分布式能源系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢引起人們的關(guān)注，并得到推廣和應(yīng)用。

目前，一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)開始應(yīng)用分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)，主要包括北京、上海、廣東等地，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已建設(shè)超過40多座的分布式冷熱電聯(lián)功能系統(tǒng)，其主要以天然氣為主[6]。在珠江三角洲、長江三角洲等地區(qū)，其電力主要采用自備發(fā)電機(jī)組，各方面的技術(shù)相對落后，且能源利用率低，如果采用內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，能夠極大提高能源利用率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

在未來發(fā)展中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們對用電、制冷、供暖等方面的需求越來越大，巨大的市場將為內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的普及和應(yīng)用提供極為有利的條件，為其發(fā)展提供廣闊的前景。

4 結(jié) 語

在日常生活中，人們的各項(xiàng)活動均離不開能源。然而能源在有限的，同時(shí)我國的能源結(jié)構(gòu)不合理，以煤炭為主，而使用煤炭將會排放大量的二氧化碳，不利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)能夠釋放各種有毒物質(zhì)，給環(huán)境造成污染，因此，在能源的利用過程中，不僅要提高能源利用率，將能源利用最大化，還要減少利用能源時(shí)對環(huán)境的污染。

內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)作為一種能夠提高能源利用率、減少污染的技術(shù)，雖然在我國的研究時(shí)日尚短，在應(yīng)用方面還處于起始階段，但隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在未來將會有廣闊的發(fā)展前景。

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