燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)熱電模式變工況運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究

李家豪，郭春梅，魏 璠，劉東浩

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是以天然氣為燃料，以能源梯級(jí)利用為原則，能夠滿足用戶冷、熱、電力負(fù)荷需求并位于用戶側(cè)附近的高效能源利用形式[1]. 內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)較燃?xì)廨啓C(jī)或微燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有啟動(dòng)響應(yīng)快、余熱利用形式多樣及發(fā)電效率更高的特點(diǎn)，在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)項(xiàng)目中占比逐年上升[2-3].

目前關(guān)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)全工況運(yùn)行性能研究以仿真研究和制冷工況下的運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)研究居多.P.J.Mago 等人[4]以四個(gè)不同氣候城市為例，研究了熱電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分別在兩種不同模式下的運(yùn)行性能；Heejin Cho 等人[5]研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在優(yōu)化程序算法下的運(yùn)行性能，研究了一次能耗、運(yùn)行成本和碳排放影響因素及三者相互影響關(guān)系；付林[6]、孔祥強(qiáng)[7]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行性能；蔣潤(rùn)花[8]、劉賢賢[9]先后研究了不同配置的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)制冷工況下變工況運(yùn)行特性.在實(shí)際運(yùn)行中，天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)仍存在變工況運(yùn)行性能下降和運(yùn)行策略不合理等問題，制約著其發(fā)展.楊干等人[10]指出國(guó)內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由于負(fù)荷設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少，負(fù)荷估算過大導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行效率急劇下降，加重了環(huán)境污染；尹祥等人[11]對(duì)國(guó)內(nèi)某啤酒廠分布式能源系統(tǒng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)行性能極大程度地偏離設(shè)計(jì)工況，并對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)敏感性分析.

綜上，現(xiàn)有冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究大多限于系統(tǒng)滿負(fù)荷工況的運(yùn)行特性或制冷模式下的變工況運(yùn)行特性，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題未提出相應(yīng)解決辦法.此外，考慮國(guó)內(nèi)冷熱電聯(lián)供項(xiàng)目變工況運(yùn)行性能不理想的情況，關(guān)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究仍是當(dāng)前冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)熱電模式下的變工況運(yùn)行性能研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.因此，本文對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在熱電模式下變工況運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并對(duì)其運(yùn)行問題提出相應(yīng)改進(jìn)建議，以期對(duì)其運(yùn)行優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).

1 冷熱電三聯(lián)供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冷熱電三聯(lián)供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用額定發(fā)電功率60 kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，實(shí)際穩(wěn)定輸出電量為50 kW；額定制冷量50 kW、制熱量55 kW 的溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組作為主要余熱回收設(shè)備，缸套水換熱器、煙氣冷凝換熱器及儲(chǔ)熱（冷）熱水箱等作為輔助熱回收設(shè)備；以額定放電功率50 kW 的負(fù)載機(jī)模擬系統(tǒng)電用戶，以風(fēng)機(jī)盤管模擬系統(tǒng)冷用戶或熱用戶.

燃?xì)饨Y(jié)合空氣進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)燃燒，輸出電量至負(fù)載機(jī)；排煙進(jìn)入吸收式熱泵生產(chǎn)熱水，降溫后進(jìn)入后部煙氣冷凝換熱器，二次降溫后排出系統(tǒng)；供熱回水進(jìn)入吸收式熱泵被一次加熱，再進(jìn)入煙氣冷凝換熱器二次加熱，之后經(jīng)分水器分為兩路，一路進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱，另一路進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管，輸出熱負(fù)荷后兩路再經(jīng)集水器回至吸收式熱泵入口；缸套水換熱器采用板式結(jié)構(gòu)，外部冷水先后經(jīng)過中冷器、缸套水換熱器后溫度上升，作為生活熱水負(fù)荷.系統(tǒng)原理如圖1 所示.

1.2 測(cè)試裝置

熱電模式下，系統(tǒng)承擔(dān)發(fā)電+制取生活熱水+空調(diào)供熱三種功能[12].實(shí)驗(yàn)中測(cè)量參數(shù)經(jīng)PLC 控制柜進(jìn)行傳輸采集.

圖1 內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

測(cè)試儀表有：LWQ-D2-25（FL）S/S/L/E/N/N 型氣體渦輪流量計(jì)用于測(cè)量天然氣流量，測(cè)量范圍4～40 m3/h，測(cè)量誤差為±1.5%；WZPB-230 PT100 溫度傳感器用于測(cè)量缸套水/冷熱水進(jìn)出口溫度、煙氣出口溫度，測(cè)量范圍0～160 ℃；UFT-18C 型超聲波流量計(jì)測(cè)量缸套水流量、冷熱水流量，測(cè)量范圍-30～160 ℃，準(zhǔn)確度為流量1 級(jí)；BP880 型壓差變送器及LVF 型節(jié)流裝置測(cè)量煙氣流量，準(zhǔn)確度為±0.2%FS.

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)中，通過改變負(fù)載機(jī)電量設(shè)置模擬不同用電負(fù)荷，共選取6 個(gè)工況，工況一到工況六發(fā)電功率設(shè)定分別為25，30，35，40，45，50 kW，每個(gè)工況測(cè)試時(shí)長(zhǎng)均為30 min.

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)電功率對(duì)天然氣耗量的影響

發(fā)電功率對(duì)天然氣耗量的影響如圖2 所示.結(jié)果表明：天然氣耗量隨著發(fā)電功率的增大而呈線性增長(zhǎng)，發(fā)電功率每增加1 kW，其增長(zhǎng)量約為0.275 m3/h.廠家提供的天然氣流量數(shù)據(jù)比本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量值低，但誤差在5%以內(nèi)；系統(tǒng)實(shí)測(cè)天然氣耗量的增長(zhǎng)趨勢(shì)與廠家提供的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同.

圖2 發(fā)電功率對(duì)天然氣耗量的影響

2.2 發(fā)電功率對(duì)系統(tǒng)效率的影響

2.2.1 發(fā)電功率對(duì)缸套水熱回收效率的影響

缸套水熱回收效率為缸套水回收熱量占系統(tǒng)輸入燃料總低位熱值的比例[13]，計(jì)算式如下

式中：Ql為系統(tǒng)輸入燃料總低位熱值，kW；G 為天然氣耗量，m3；Hl為天然氣低位熱值，取36 210 kJ/m3；Qgt為缸套水回收熱量，kW.

發(fā)電功率對(duì)缸套水回收熱量、缸套水熱回收效率的影響分別如圖3、圖4 所示.結(jié)果表明：缸套水回收熱量與缸套水熱回收效率隨著發(fā)電功率的增加均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，工況六時(shí)兩者略有降低.缸套水回收熱量與缸套水熱回收效率在工況一時(shí)最低，分別為11.3 kW和13.7%，工況五時(shí)最高，分別為28.7 kW 和20.7%.系統(tǒng)缸套水熱回收效率波動(dòng)較大，最大值與最小值相差9%，但總體占比接近20%，平均為17.6%.

2.2.2 發(fā)電功率對(duì)制熱效率的影響

制熱效率為吸收式熱泵機(jī)組制熱量占系統(tǒng)輸入燃料總低位熱值的比例[14]，計(jì)算式如下

式中：Qah為吸收式熱泵機(jī)組制熱量，kW.

發(fā)電功率對(duì)制熱量、制熱效率的影響分別如圖3、圖4 所示.結(jié)果表明：吸收式熱泵機(jī)組制熱量隨發(fā)電功率增加而增大，工況一時(shí)制熱量最小，為17.3 kW，工況六時(shí)制熱量最大，為29.8 kW.制熱效率隨發(fā)電功率先下降后上升，在工況一時(shí)系統(tǒng)制熱效率最高，為21%，在工況四時(shí)最低，為18.7%，到工況六時(shí)制熱效率為19.6%，制熱效率整體保持在20%左右，平均為19.6%.越接近額定功率，盡管缸套水回收熱量與制熱量也在提高，但制熱效率卻越來越低，更多的熱量集中到缸套水熱回收部分，工況五時(shí)缸套水回收熱量比制熱量多出2.7 kW，實(shí)驗(yàn)中制熱效率的降低是因?yàn)橄到y(tǒng)制熱量的增長(zhǎng)量低于系統(tǒng)輸入燃?xì)饪偟臀粺嶂翟鲩L(zhǎng)量.

對(duì)于冬季采暖工況，生活熱水負(fù)荷往往是一定的且少于空調(diào)供熱負(fù)荷.實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)制熱量為29.8 kW，僅為額定制熱量的54.2%，系統(tǒng)制熱量無法滿足空調(diào)供熱需求.實(shí)驗(yàn)中由缸套水回收熱量制取的生活熱水溫度在50～60 ℃范圍內(nèi)，滿足冬季空調(diào)熱水溫度的要求.針對(duì)系統(tǒng)供熱能力不足和能量分配不合理問題，提出抽取缸套水回收熱水用于空調(diào)供熱從而提高系統(tǒng)供熱能力的辦法，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化分配.

圖3 發(fā)電功率對(duì)系統(tǒng)各部分能量的影響

圖4 發(fā)電功率對(duì)系統(tǒng)各部分效率的影響

2.2.3 發(fā)電功率對(duì)發(fā)電效率的影響

發(fā)電效率為發(fā)電量與系統(tǒng)輸入燃料總低位熱值的比值[15]，發(fā)電功率對(duì)發(fā)電效率的影響如圖4 所示.結(jié)果表明：內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率在工況六最高，發(fā)電效率為32.7%，發(fā)電效率最低值出現(xiàn)在工況一，其值為30.3%，綜合6 個(gè)工況看，系統(tǒng)發(fā)電效率隨著發(fā)電功率的增大而升高，占比30%以上且總體穩(wěn)定，平均為31.45%.

2.2.4 發(fā)電功率對(duì)一次能源利用率的影響

一次能源利用率反映系統(tǒng)輸出能量占輸入能量的比例[16].計(jì)算式如下

式中：W 為系統(tǒng)發(fā)電量，kW.

發(fā)電功率對(duì)一次能源利用率的影響如圖4 所示.結(jié)果表明：隨著發(fā)電功率的增加，一次能源綜合利用率逐漸上升，到工況五時(shí)達(dá)到最大，之后略有降低，數(shù)值介于65%～72%之間.工況六時(shí)一次能源利用率的降低是因?yàn)橄到y(tǒng)輸出有效能增長(zhǎng)量低于輸入燃?xì)饪偟臀粺嶂翟鲩L(zhǎng)量.隨發(fā)電功率增加，系統(tǒng)輸出有效能與輸入燃?xì)饪偟臀粺嶂抵g差值呈增大趨勢(shì)，即發(fā)電功率越大，系統(tǒng)熱損失也越大，排放煙氣中仍含有部分顯熱與潛熱，進(jìn)一步回收利用煙氣余熱則可以提高系統(tǒng)能源利用效率[17].

2.2.5 發(fā)電功率對(duì)熱電比的影響

熱電比是系統(tǒng)產(chǎn)熱量與發(fā)電量的比值，反映系統(tǒng)產(chǎn)熱能力與發(fā)電能力的相對(duì)大小，其中，系統(tǒng)產(chǎn)熱量包含缸套水回收熱量與吸收式熱泵機(jī)組制熱量[18]，計(jì)算式如下

發(fā)電效率對(duì)熱電比的影響如圖5 所示.隨著發(fā)電功率的升高，整體數(shù)據(jù)有些波動(dòng)但變化不大，維持在1.15 左右，表明本系統(tǒng)在熱電供應(yīng)方面基本穩(wěn)定.

圖5 發(fā)電功率對(duì)熱電比的影響

3 結(jié) 論

本文建立了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了該系統(tǒng)在熱電模式下的運(yùn)行特性，得出以下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)天然氣耗量隨著發(fā)電功率增加而增長(zhǎng)，基本呈線性變化；制熱量隨發(fā)電功率增加而增加，從17.3 kW 到29.8 kW；缸套水回收熱量隨發(fā)電功率增加而緩慢增加，從11.3 kW 到28.7 kW，工況六時(shí)略微減少至28 kW.

（2）隨發(fā)電功率增加，發(fā)電效率保持在30%以上且緩慢增長(zhǎng)，缸套水回收熱效率逐漸上升后趨于平穩(wěn)，整體接近20%；制熱效率先下降而后上升，從21.0%到18.7%，而后增加到19.6%，整體保持20%左右；一次能源利用率和熱電比隨發(fā)電功率增加逐漸上升而后趨于平穩(wěn)，工況五時(shí)兩者存在最大值，分別為72%和1.21.系統(tǒng)制熱效率、一次能源利用率的降低是因?yàn)橄到y(tǒng)輸出有效能增長(zhǎng)量低于輸入燃?xì)饪偟臀粺嶂翟鲩L(zhǎng)量.

（3）發(fā)電功率越大，系統(tǒng)熱損失越大，進(jìn)一步回收利用煙氣余熱可提高系統(tǒng)一次能源利用率；實(shí)驗(yàn)中獲得的生活熱水溫度為50～60 ℃，滿足冬季空調(diào)熱水溫度要求，若供熱負(fù)荷需求突增，可抽取部分生活熱水用于空調(diào)供熱，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化分配.