變工況條件下微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行仿真分析

楊 青

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 研究背景

近年來,微型燃?xì)廨啓C(jī)得到了快速發(fā)展,目前已成為成熟且具有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電設(shè)備。微型燃?xì)廨啓C(jī)由于具有體積小、質(zhì)量輕、污染少、發(fā)電效率高、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn),且建造和運(yùn)行成本都相對較低,因此在分布式發(fā)電領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-2]。與此同時,微型燃?xì)廨啓C(jī)組還適用于備用發(fā)電、并網(wǎng)發(fā)電、削峰填谷等多種場景。

微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能與自身各個部件的運(yùn)行特性、機(jī)組的運(yùn)行工況等均有密切聯(lián)系,筆者通過耦合微型燃?xì)廨啓C(jī)不同部件的數(shù)學(xué)模型,建立有回?zé)峒盁o回?zé)醿煞N類型的微型燃?xì)廨啓C(jī)仿真模型,基于變工況條件,分析不同功率等級微型燃?xì)廨啓C(jī)電熱能量輸出的變化情況[3-5],并利用仿真結(jié)果分析微型燃?xì)廨啓C(jī)不同工況下的能量輸出情況。筆者所用方法是研究基于微型燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的一種可行方法[6]。

2 微型燃?xì)廨啓C(jī)建模

2.1 參數(shù)

筆者建立不同功率等級的微型燃?xì)廨啓C(jī)模型,包括100 kW、200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī),以及500 kW、1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī),對應(yīng)的市場主流廠家產(chǎn)品參數(shù)見表1。微型燃?xì)廨啓C(jī)模型考慮煙氣余熱,可以在三聯(lián)供系統(tǒng)中滿足熱能的匹配要求[7-8]。

表1 微型燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)

2.2 壓氣機(jī)

壓氣機(jī)用于對進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣進(jìn)行加壓,其進(jìn)氣道出口壓強(qiáng)P1為:

P1=P0(1-ec)

(1)

式中:P0為壓氣機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)口壓強(qiáng),取101.325 kPa;ec為壓氣機(jī)進(jìn)氣道壓損率,取1%～5%。

壓氣機(jī)出口溫度T2為:

(2)

式中:T1為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度,取288.15 K;π為不同功率等級相應(yīng)的壓氣機(jī)壓比;K為壓縮過程中定壓比熱容與定容比熱容之比,與溫度有關(guān),在288.15 K溫度下,值為1.4;ηc為壓氣機(jī)絕熱效率,軸流式壓氣機(jī)一般取0.86～0.89,離心式壓氣機(jī)一般取0.70～0.84。

離心式壓氣機(jī)主要適用于氣體流量小、功率小的設(shè)備,因此研究中選取離心式壓氣機(jī)的絕熱效率。

壓氣機(jī)實(shí)際做功Wc為:

Wc=GaCpa(T2-T1)

(3)

式中:Ga為空氣流量;Cpa為空氣定壓比熱容。

壓氣機(jī)出口壓強(qiáng)P2為:

P2=P1π

(4)

空氣的定壓比熱容Cpa可由擬合式計算得到,擬合式為:

Cpa=1.05-0.365(T/1 000)+0.85(T/1 000)2-0.39(T/1 000)3

(5)

式中:T為空氣溫度。

2.3 透平

透平出口煙氣溫度T4為:

(6)

式中:πt為透平膨脹比;ηt為透平膨脹比效率;T3為透平進(jìn)口煙氣溫度。

透平輸出功Wt為:

Wt=GgCpg(T3-T4)

(7)

式中:Gg為煙氣流量;Cpg為透平進(jìn)出口煙氣的平均定壓比熱容。

2.4 燃燒室

燃燒室在計算中假設(shè)甲烷能夠完全燃燒。甲烷完全燃燒消耗一部分氧氣,產(chǎn)生一部分水蒸氣和二氧化碳,由甲烷燃燒的熱量提高混合氣的溫度。

甲烷完全燃燒化學(xué)式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O

燃燒室內(nèi)溫升ΔT為:

T=mηbLHVCH4/(Cpairf+1.125CpH2O+2.75CpCO2-2CpO2)

(8)

式中:m為完全燃燒程度,當(dāng)m取1時,燃料完全燃燒;ηb為燃燒效率,一般取0.95～0.99;f為空燃比;LHVCH4為甲烷低位熱值,取49 925 kJ/kg;Cpair為空氣燃燒時平均定容比熱容,取1.029 kJ/(mol·K);CpH2O為水蒸氣燃燒時平均定容比熱容,取2.246 4 kJ/(mol·K);CpCO2為二氧化碳燃燒時平均定容比熱容,取1.169 5 kJ/(mol·K);CpO2為氧氣燃燒時平均定容比熱容,取1.054 1 kJ/(mol·K)。

燃燒室出口溫度,即透平進(jìn)口煙氣溫度T3為:

T3=ΔT+T2

(9)

燃燒室出口壓力P3為:

P3=P2a(1-eb)

(10)

式中:P2a為燃燒室進(jìn)口壓力;eb為燃燒室壓損率,取2%～8%。

2.5 回?zé)崞?/h3>

回?zé)崞鳠峤粨Q方程如下:

T2a-T2=α(T4-T2)=T4-T4a

(11)

式中:T2a為回?zé)崞鞒隹诳諝鉁囟?T4a為回?zé)崞鞒隹跓煔鉁囟?α為回?zé)崞骰責(zé)岫?即實(shí)際回?zé)崤c極限回?zé)岬谋戎?管式回?zé)崞鞯幕責(zé)岫炔淮笥?.8。

(T4-T4a)Cp4η=Cp3(T2a-T2)

(12)

式中:Cp3為回?zé)崞骼涠斯べ|(zhì)比熱容;Cp4為回?zé)崞鳠岫斯べ|(zhì)比熱容;η為微型燃?xì)廨啓C(jī)中換熱器效率較高值,取0.9。

T4a=T4-Cp3(T2a-T2)/(Cp4η)

(13)

P2a=P′2(1-er1)

(14)

式中:P′2為空氣側(cè)進(jìn)口壓強(qiáng);er1為空氣側(cè)壓損率,取1%～5%。

2.6 變工況條件擬合

采用擬合方法計算變工況條件下微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作參數(shù)[9-11]。擬合出口煙氣溫度指微型燃?xì)廨啓C(jī)出口煙氣溫度與設(shè)計工況之比,擬合煙氣流量指微型燃?xì)廨啓C(jī)煙氣流量與設(shè)計工況之比,擬合發(fā)電效率指微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率與設(shè)計工況之比,擬合發(fā)電功率指微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率與設(shè)計工況之比。

(15)

(16)

(17)

在變工況過程中,將額定功率分為四段進(jìn)行擬合,以2%的跨度變化對微型燃?xì)廨啓C(jī)的變工況性能進(jìn)行研究分析。

3 仿真分析

3.1 仿真模型驗(yàn)證

參考典型C200微型燃?xì)廨啓C(jī)組參數(shù),發(fā)電效率為33%,回?zé)崞鳠煔獬隹跍囟葹?53 K,排氣流量為1.3 kg/s。采用仿真模型獲得燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率為32.34%,回?zé)崞鳠煔獬隹跍囟葹?52 K,煙氣流量為1.31 kg/s?？梢?筆者所建仿真模型計算結(jié)果與典型產(chǎn)品參數(shù)一致,建模準(zhǔn)確合理。

3.2 200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)

200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖1所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于120 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于120 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

圖1 200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)出口煙氣溫度與余熱量變化

200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時效率與燃料流量變化如圖2所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于120 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于120 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

圖2 200 kW回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)效率與燃料流量變化

3.3 500 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)

500 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖3所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于300 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于300 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

500 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時效率與燃料流量變化如圖4所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于300 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于300 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

圖3 500 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)出口煙氣溫度與余熱量變化

圖4 500 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)效率與燃料流量變化

3.4 1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)

1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖5所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于600 kW時,煙氣出口溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于600 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時效率與燃料流量變化如圖6所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率高于600 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內(nèi)。而當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率低于600 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時性能下降較明顯。

圖5 1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)出口煙氣溫度與余熱量變化

圖6 1 000 kW無回?zé)嵛⑿腿細(xì)廨啓C(jī)效率與燃料流量變化

4 結(jié)束語

對三種不同功率等級的微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行運(yùn)行仿真分析,確認(rèn)當(dāng)功率低于約60%額定功率運(yùn)行時,微型燃?xì)廨啓C(jī)效率會出現(xiàn)大幅度下降。微型燃?xì)廨啓C(jī)在越低功率工況下運(yùn)行,效率下降速率就越快。另一方面,微型燃?xì)廨啓C(jī)在低功率工況運(yùn)行時,由于效率很低,因此會使余熱量在能量輸出中所占的比例提高,但總體余熱總量相較于額定運(yùn)行時仍下降很多。

通過分析可知,在規(guī)劃應(yīng)用基于微型燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)時,需要綜合考慮用戶的冷熱需求、燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況、燃?xì)廨啓C(jī)的效率變化對電熱輸出的影響,進(jìn)而制訂合理的設(shè)計方案和運(yùn)行策略。