太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)熱力性能研究

王異林 蘇博生 方 芳 李 暉 張曉東 何宏舟

（1.集美大學(xué)海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院 廈門(mén) 361021；2.福建省能源清潔利用與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 361021；3.福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心 廈門(mén) 361021；4.福建省海洋可再生能源裝備高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 361021）

0 前言

鑒于化石能源短缺危機(jī)的威脅以及全球污染和氣候變化的問(wèn)題，能源行業(yè)正在經(jīng)歷巨大變化，通過(guò)增加化石能源消耗來(lái)滿足能源需求的概念不可持續(xù)，利用可再生能源成為全球經(jīng)濟(jì)脫碳的主要策略，基于可再生能源的分布式能源系統(tǒng)被認(rèn)為是一種有效的解決方案[1-3]。基于可再生能源的分布式能源系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的是，利用原本作為輔助燃料的可再生能源，替代化石能源作為主要燃料，擺脫了對(duì)化石能源的依賴(lài)，對(duì)環(huán)境更加友好。

在可再生能源中，生物質(zhì)是最有前途的能源之一，因?yàn)槠渌稍偕茉丛谡＿\(yùn)行模式下存在不能產(chǎn)生足夠的熱量（風(fēng)力、光伏、水力），在當(dāng)?shù)厥艿教嘞拗疲ǖ責(zé)幔?，不穩(wěn)定（太陽(yáng)能熱）等問(wèn)題[4]。沼氣是由生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種可再生燃料，典型的沼氣含有55%～75%的甲烷成分，除此之外還包含二氧化碳、飽和水蒸氣、硫化氫等其他氣體以及部分粉塵[5,6]，經(jīng)過(guò)脫硫凈化等工序后可作為基于可再生能源分布式能源系統(tǒng)的一種穩(wěn)定燃料。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，每年各種生物質(zhì)可能源化利用量高達(dá)3.26×10 tce[7]，同時(shí)生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)也在不斷進(jìn)步，二者為我國(guó)沼氣的生產(chǎn)提供了有利條件，沼氣年產(chǎn)量從2015年的158億立方米迅速發(fā)展到2020年的440億立方米[8]，由此可見(jiàn)，沼氣分布式能源系統(tǒng)在我國(guó)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

沼氣分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，將沼氣作為發(fā)電裝置的燃料，發(fā)電裝置的排氣余熱用于制冷和沼氣池的保溫。雖然沼氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在一定程度上提高了沼氣的利用率，但全年仍需大量化石燃料為沼氣池的保溫供熱。太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的清潔可再生能源，因此，利用太陽(yáng)能為沼氣池的保溫提供熱量具有節(jié)約化石燃料的巨大潛力。M R Darwesh[9]進(jìn)行了太陽(yáng)能作為沼氣消化裝置熱源的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)使用37℃、40℃和45℃三種設(shè)定溫度時(shí)，太陽(yáng)能對(duì)沼氣生產(chǎn)（為牛糞溶液加熱）的貢獻(xiàn)率分別為75.21%、60%和53.58%。此外，將臥式和立式沼氣池內(nèi)的設(shè)定溫度從37℃提高到45℃，其日平均沼氣產(chǎn)量分別可以提高87.12%和59.45%，目前的研究表明，太陽(yáng)能已降低了61.28%的能耗。由此可見(jiàn)，將太陽(yáng)能等清潔能源與沼氣分布式能源互補(bǔ)利用具有減少化石燃料燃燒、改善環(huán)境等諸多潛力。

目前，生物質(zhì)能與太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔可再生能源的互補(bǔ)利用備受關(guān)注。Bahram Ghorbani[10]設(shè)計(jì)并提出了一種基于沼氣的混合工廠，用于同時(shí)生產(chǎn)生物甲烷、生物甲醇、生活熱水和制冷。擬建的混合動(dòng)力裝置由沼氣提質(zhì)裝置、生物甲醇合成裝置、堿性電解裝置、拋物面槽式太陽(yáng)能集熱裝置、有機(jī)朗肯循環(huán)和氨水吸收制冷循環(huán)六個(gè)單元組成，這些操作單元集成在一起交換燃料和能量。生物甲烷在提質(zhì)單元中產(chǎn)生，沼氣提質(zhì)單元也為生物甲醇合成提供所需的二氧化碳。此外，生物甲醇合成所需的氫氣由堿性電解裝置提供。拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)所需的熱能，從而為所有運(yùn)行單元提供所需的動(dòng)力。擬建的工廠可生產(chǎn)128.4kgmole/h 的生物甲醇（純度為99.99%）和193.4kgmole/h 的生物甲烷（純度為99.65%）作為主要產(chǎn)品，以及2783kW 的制冷量和241930kgmole/h 的生活熱水作為副產(chǎn)品。Ting Wu[11]提出了一種沼氣-太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同能源之間的轉(zhuǎn)換，協(xié)同滿足多種負(fù)荷需求。在此系統(tǒng)內(nèi)，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和電鍋爐產(chǎn)生的熱量可為厭氧消化產(chǎn)生沼氣提供合適的溫度，從而提高其效率。與天然氣-風(fēng)能-太陽(yáng)能綜合能源系統(tǒng)相比，擬議的綜合能源系統(tǒng)可提供具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，有更高的互補(bǔ)性。Lizhi Zhang 等[12]進(jìn)行了太陽(yáng)能、生物質(zhì)能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由以沼氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)和光伏板驅(qū)動(dòng)，并以中國(guó)濟(jì)南的一個(gè)小型農(nóng)場(chǎng)為例，驗(yàn)證了所提出的RES-CCHP 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性，其結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有節(jié)能、減本和環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，一次節(jié)能率、年總成本節(jié)約率和碳減排率分別為20.94%、11.73%和40.79%。雖然上述系統(tǒng)有很好的節(jié)能減本效果和環(huán)境效益，但沼氣直接燃燒過(guò)程中化學(xué)能損失嚴(yán)重，這并不利于繼續(xù)推進(jìn)我國(guó)沼氣高值化利用，且沼氣和太陽(yáng)能的互補(bǔ)利用依然局限于沼氣和太陽(yáng)能的單獨(dú)利用層面。因此仍需探索一種沼氣與太陽(yáng)能深度互補(bǔ)的高效利用技術(shù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)，將沼氣在直接燃燒前通過(guò)太陽(yáng)能進(jìn)行熱化學(xué)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)沼氣與太陽(yáng)能之間的能質(zhì)互補(bǔ)，且對(duì)合成氣與內(nèi)燃機(jī)排氣以“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”為原則進(jìn)行合理有效利用，來(lái)實(shí)現(xiàn)沼氣化學(xué)能與物理能的綜合梯級(jí)利用。

本文第一節(jié)對(duì)所提出的新系統(tǒng)以及參比系統(tǒng)進(jìn)行描述；第二節(jié)建立數(shù)學(xué)模型以及選取系統(tǒng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；第三節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，并在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下對(duì)新系統(tǒng)和參比系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比分析；第四節(jié)分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；最后，在第五節(jié)對(duì)文章進(jìn)行總結(jié)。

1 系統(tǒng)描述

1.1 新系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)

圖1為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)，基于以下兩個(gè)概念：

（1）太陽(yáng)能供熱促進(jìn)沼氣熱化學(xué)升級(jí)，合理利用沼氣的化學(xué)能，提升太陽(yáng)能的能量品位。

（2）對(duì)合成氣、內(nèi)燃機(jī)缸套水和排出煙氣的余熱進(jìn)行有效回收利用，合理利用沼氣的物理能。

如圖1所示，新系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能集熱器為沼氣和水蒸氣的重整反應(yīng)提供熱量，生成主要成分為CO、H2的燃料總熱值更高的合成氣。合成氣通入內(nèi)燃機(jī)燃燒發(fā)電，內(nèi)燃機(jī)的煙氣余熱一部分用于制冷，一部分用于與合成氣的余熱一起產(chǎn)生水蒸氣。制冷機(jī)排出的煙氣余熱用于和缸套水余熱一起向外界供熱。

圖1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)思路圖Fig.1 Diagram of distributed energy supply system for solar powered biogas reforming

1.2 新系統(tǒng)描述

新系統(tǒng)由混合器、預(yù)熱器、碟式太陽(yáng)能集熱器、重整反應(yīng)器、省煤器、汽化器、儲(chǔ)氣罐、內(nèi)燃機(jī)、制冷機(jī)、加熱器和供熱器組成。本系統(tǒng)制冷系統(tǒng)采用中溫單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，單效吸收式制冷機(jī)熱源出口溫度為170℃[13]，COP 為1.2[13]。內(nèi)燃機(jī)選取顏巴赫4 系列內(nèi)燃機(jī)，其參數(shù)[14]如表1所示。

表1 所選內(nèi)燃機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of selected internal combustion engines

圖2為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)流程圖，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的具體流程為：由汽化器產(chǎn)生的水蒸氣和脫硫凈化后的沼氣在混合器里按比例混合，混合后的氣體通入預(yù)熱器預(yù)熱后，通入重整反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)，由碟式太陽(yáng)能集熱器聚集的太陽(yáng)能為其提供反應(yīng)所需熱量。生成的高溫合成氣先作為預(yù)熱器的熱源，為沼氣與水蒸氣的混合氣體的預(yù)熱提供熱量，之后再作為省煤器的熱源，為水的一次加熱提供熱量。經(jīng)過(guò)省煤器的合成氣與空氣一起通入內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行燃燒做功。內(nèi)燃機(jī)向外界供電，發(fā)電余熱分為兩部分，一部分儲(chǔ)存在煙氣中，一部分儲(chǔ)存在內(nèi)燃機(jī)的缸套水中。煙氣余熱先作為汽化器的熱源，對(duì)省煤器排出的水進(jìn)行二次加熱，使之由液相變?yōu)榉€(wěn)定的氣相。再在作為單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱源進(jìn)行制冷，制冷機(jī)排出的煙氣再作為加熱器的熱源對(duì)缸套水進(jìn)行加熱，最后排出系統(tǒng)。被加熱后的缸套水通過(guò)供熱器向外界供熱。在整個(gè)流程中，合成氣的余熱通過(guò)加熱混合氣和水進(jìn)行梯級(jí)利用；煙氣余熱通過(guò)加熱水、制冷和加熱缸套水進(jìn)行梯級(jí)利用；水到水蒸氣通過(guò)合成氣對(duì)其一次加熱、煙氣對(duì)其二次加熱實(shí)現(xiàn)。

圖2 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of distributed power supply system for solar powered biogas reforming

1.3 參比系統(tǒng)描述

1.3.1 參比系統(tǒng)—沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

如圖3所示，在沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，脫硫凈化后的沼氣直接和空氣一起通入內(nèi)燃機(jī)燃燒做功，內(nèi)燃機(jī)向外界供電，發(fā)電機(jī)余熱儲(chǔ)存在煙氣和缸套水中。內(nèi)燃機(jī)排煙先作為單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱源進(jìn)行制冷，之后再作為加熱器的熱源加熱缸套水，然后排出系統(tǒng)。缸套水在供熱器里放熱降溫，為外界供熱，再進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)循環(huán)。

圖3 沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of the cooling,heating and power supply system of the internal combustion engine driven by methane

新系統(tǒng)與沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）新系統(tǒng)將沼氣在燃燒前進(jìn)行熱化學(xué)升級(jí)，合理利用沼氣化學(xué)能，并對(duì)合成氣的余熱進(jìn)行有效利用。

（2）沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)排煙溫度與單效溴化鋰制冷機(jī)制冷所需熱源溫度相差較大，出現(xiàn)溫度斷層，對(duì)煙氣余熱利用不合理。新系統(tǒng)則利用斷層溫度生產(chǎn)水蒸氣，對(duì)煙氣余熱的利用更加合理有效。

1.3.2 參比系統(tǒng)—太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)

碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理是，利用系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，膨脹做功，向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s，再次從熱源吸收熱量，循環(huán)上述過(guò)程，最終產(chǎn)生源源不斷的熱能，在每次循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)吸收的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而工質(zhì)做功過(guò)程中通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[15]。在該系統(tǒng)流程中，太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)碟式太陽(yáng)能集熱器轉(zhuǎn)化為熱能，輸送給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸送給發(fā)電機(jī)；發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸送到外界。

新系統(tǒng)與太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)相比的特點(diǎn)：太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能直接發(fā)電，而新系統(tǒng)利用太陽(yáng)能間接發(fā)電，太陽(yáng)能先通過(guò)為重整反應(yīng)提供熱量轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，再通過(guò)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能能量品位的提升。

圖4 太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of solar disk Stirling power generation system

2 數(shù)學(xué)模型建立及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

本系統(tǒng)采用Aspen Plus[16]軟件對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真模擬，利用軟件模塊對(duì)預(yù)熱器、反應(yīng)器、省煤器和加熱器等裝置在額定條件下進(jìn)行模擬?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程通過(guò)RGIBBS 反應(yīng)器模塊進(jìn)行模擬[17]，基于嚴(yán)格的化學(xué)平衡，并采用RK-SOAVE 方程的物性方法。為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，忽略工質(zhì)在系統(tǒng)設(shè)備和管路中的壓降，且假設(shè)所有工質(zhì)在系統(tǒng)中無(wú)泄漏且在管路系統(tǒng)中與外界沒(méi)有熱量交換[18]。表2歸納了系統(tǒng)模擬過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的選取情況。其中，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)，通過(guò)冷卻系統(tǒng)帶走的熱量品位較低，輸出缸套水溫度約為80℃～100℃，內(nèi)燃機(jī)排氣溫度一般為400℃～600℃[19]，根據(jù)何曉紅[20]整理的內(nèi)燃機(jī)排氣溫度隨額定功率以及氣缸數(shù)的分布情況與不同廠家燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷卻水出口溫度隨額定功率的分布情況，內(nèi)燃機(jī)排煙溫度可定為500℃，冷卻水出口溫度可定為90℃。重整反應(yīng)合理有效的反應(yīng)溫度大約在550℃～900℃[18]，重整反應(yīng)溫度可定為750℃。碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)的額定（峰值）發(fā)電效率為20%～32%[21-23]，本文選取其發(fā)電效率中值，為26%。太陽(yáng)能通過(guò)碟式集熱器集熱為重整反應(yīng)提供熱量，重整反應(yīng)的溫度設(shè)為750℃，根據(jù)蘇博生[18]建立及驗(yàn)證后的碟式太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型以及總結(jié)出的特性規(guī)律，當(dāng)反應(yīng)溫度為750℃時(shí)碟式太陽(yáng)能集熱器的集熱效率可定為0.805。

表2 系統(tǒng)整體模擬參數(shù)選取Table 2 Selection of overall simulation parameters of the system

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.2.1 能量利用率

本系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能在沼氣直接燃燒前對(duì)其進(jìn)行熱化學(xué)升級(jí)，避免了沼氣直接燃燒造成的巨大熱損失，且本系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)所排煙氣與重整反應(yīng)生成的高溫合成氣的溫度，和系統(tǒng)運(yùn)行及生產(chǎn)冷、熱、電熱源溫度要求，實(shí)現(xiàn)了能量合理有效的梯級(jí)利用。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，不考慮熱、電兩種產(chǎn)品在品位上的差別，只是單純利用數(shù)量關(guān)系計(jì)算，定義系統(tǒng)能量利用率ηq為：

其中，Q表示能量，kW；下標(biāo)“e”表示發(fā)電；“c”表示制冷；“h”表示供熱；“b,in”表示輸入的沼氣；“rad,in”表示入射到碟式太陽(yáng)能集熱器上的總太陽(yáng)能，Qrad,in=（Qsol,in/ηsol），Qsol,in表示輸入到系統(tǒng)中的太陽(yáng)能，ηsol為碟式太陽(yáng)能集熱器的集熱效率；“c,in”表示單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)從外界環(huán)境吸收的熱量。

2.2.2 太陽(yáng)能凈發(fā)電效率

為了說(shuō)明新系統(tǒng)中太陽(yáng)能熱貢獻(xiàn)的相對(duì)發(fā)電性能，定義太陽(yáng)能對(duì)電能的凈效率[29,30]，ηsol為：

其中，Wnew為新系統(tǒng)發(fā)電量；Wref,CCHP為參比系統(tǒng)—沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電量；Qrad,in為入射到碟式太陽(yáng)能集熱器上的總太陽(yáng)能。

2.2.3 ?效率

由于本系統(tǒng)有多種不同形式能量的輸入和輸出，所以定義等效系統(tǒng)?效率來(lái)評(píng)價(jià)新系統(tǒng)的性能，定義系統(tǒng)?效率[24]ηex為：

其中，E表示?；Ec=Qc（Ta/Tc-1），Ta表示環(huán)境溫度，Tc表示吸收式制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度，通常為5℃；Eh=Qh（1-Ta/Th），Th表示供熱溫度；W表示系統(tǒng)發(fā)電量；Ef為沼氣的?值，甲烷的?值近似1.04LHV（甲烷的低位熱值），所以可以認(rèn)為系統(tǒng)中沼氣（甲烷占比60%，二氧化碳占比40%）的?值也近似1.04LHV（沼氣的低位熱值）；Esol表示太陽(yáng)熱?，用碟式太陽(yáng)能集熱器集熱溫度Tsol與環(huán)境溫度Ta之間最大可用功來(lái)計(jì)算，在Tsol溫度下的太陽(yáng)熱?Esol=Qsol（1-Ta/Tsol）。

2.2.4 化石能源節(jié)約率

由于本系統(tǒng)輸入端和輸出端有多種不同形式的能量，因此，可以通過(guò)保證新系統(tǒng)和參比系統(tǒng)輸入的沼氣與太陽(yáng)能的量一致，對(duì)比輸出端的差異來(lái)體現(xiàn)新系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)。而輸出端有冷、熱、電三種能量形式，可以將這三種能量形式折算成一種能量形式，便于新系統(tǒng)與參比系統(tǒng)比較。通過(guò)將分布式供能系統(tǒng)與現(xiàn)有分產(chǎn)系統(tǒng)比較，可得到分布式供能系統(tǒng)的節(jié)能率，節(jié)能率越高表示系統(tǒng)性能越好。在本文中，分別將新系統(tǒng)和參比系統(tǒng)中的輸出端折算為用分產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)所消耗的能量Qpes，如式所示[31]：

其中，Qe表示系統(tǒng)發(fā)電量；Qc表示系統(tǒng)制冷量；Qh表示系統(tǒng)供熱量。下標(biāo)“new”表示新系統(tǒng)，“ref”表示參比系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)標(biāo)“GB／T33757.1-2017”，產(chǎn)電的分產(chǎn)系統(tǒng)為燃煤電站，ηe為燃煤電站發(fā)電效率，取0.35；供熱的分產(chǎn)系統(tǒng)為天然氣鍋爐，ηh為鍋爐的供熱效率，取0.8[18]。制冷的分產(chǎn)系統(tǒng)為電制冷機(jī)，COPe為電制冷機(jī)平均性能系數(shù)，取5.0[32]。新系統(tǒng)與參比系統(tǒng)的Qpes差別越大，表示新系統(tǒng)節(jié)約化石燃料的能力越大，定義化石燃料節(jié)約率ηffes為：

3 系統(tǒng)仿真模擬

3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)工況模擬

表3給出了在表2給出的參數(shù)設(shè)定下各關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。

表3 設(shè)計(jì)點(diǎn)關(guān)鍵流股狀態(tài)參數(shù)表Table 3 Key flow strand state parameters at design points

表3中的各關(guān)鍵點(diǎn)與圖2太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)的具體流程圖上的關(guān)鍵點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。如圖5所示，內(nèi)燃機(jī)所排煙氣溫度為500℃（對(duì)應(yīng)流股10），煙氣余熱首先用于對(duì)水進(jìn)行二次加熱，在汽化器內(nèi)釋放238.2kW 的熱量使水汽化為穩(wěn)定的水蒸氣，此時(shí)，煙氣溫度降為349.6℃（對(duì)應(yīng)流股11）；之后煙氣余熱作為單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的熱源，在單效溴化鋰制冷機(jī)中釋放271.9kW 的熱量用于制冷，此時(shí)，煙氣溫度降為170℃（對(duì)應(yīng)流股12）；然后煙氣余熱作為加熱器的熱源，在加熱器中釋放117.3kW 的熱量用于加熱缸套水，此時(shí)，煙氣溫度降為90℃（對(duì)應(yīng)流股13）；最后，煙氣用于其他（本研究不涉及）或者直接排向外界。太陽(yáng)能為重整反應(yīng)提供反應(yīng)熱，反應(yīng)過(guò)程吸收716kW 的熱量，反應(yīng)后生成的主要成分為CO和H2的合成氣，溫度為750℃（對(duì)應(yīng)流股7），合成氣的余熱先作為預(yù)熱器的熱源預(yù)熱水蒸氣和沼氣的混合氣，在預(yù)熱器內(nèi)釋放298.4kW 的熱量，使混合氣的溫度升高到730.8℃（對(duì)應(yīng)流股6），此時(shí)合成氣溫度降為207℃（對(duì)應(yīng)流股8）；然后合成氣余熱作為省煤器的熱源，在省煤器中釋放33.4kW 的熱量對(duì)水進(jìn)行一次加熱，水的溫度升為99.9℃（對(duì)應(yīng)流股3），合成氣溫度降為142.6℃（對(duì)應(yīng)流股9）；最后，合成氣通入內(nèi)燃機(jī)燃燒做功。水轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的水蒸氣一共經(jīng)過(guò)兩次加熱，第一次是在省煤器中吸收合成氣余熱，溫度升為99.9℃（對(duì)應(yīng)流股3）；第二次加熱2 是在汽化器中吸收內(nèi)燃機(jī)排煙的余熱，溫度升為180℃（對(duì)應(yīng)流股4）。

圖5 內(nèi)燃機(jī)、合成氣、水的溫度變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature change of internal combustion engine,syngas and water

3.2 新系統(tǒng)與參比系統(tǒng)性能對(duì)比分析

表4為新系統(tǒng)和參比系統(tǒng)在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下的性能參數(shù)對(duì)比。在新系統(tǒng)和參比系統(tǒng)中，假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)沼氣輸入的量為每日10000 立方米，兩系統(tǒng)輸入沼氣的能量相同，均為2490.53kW；新系統(tǒng)水碳比為1；輸入的太陽(yáng)熱能相同，均為715.77kW。此外，在模擬計(jì)算中，單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的性能系數(shù)COP 為1.2，由于制冷機(jī)中的吸收器和冷凝器都與外界環(huán)境存在熱交換，根據(jù)制冷機(jī)的能量守恒，可以計(jì)算出在新系統(tǒng)中環(huán)境向吸收式制冷機(jī)輸入能量65.28kW，在參比系統(tǒng)中環(huán)境向吸收式制冷機(jī)輸入能量93.32kW。

表4 設(shè)計(jì)點(diǎn)新系統(tǒng)與參比系統(tǒng)的性能參數(shù)表Table 4 Performance parameters of the new system and the reference system at design point

在新系統(tǒng)中，沼氣總熱值（2490.53kW）通過(guò)熱化學(xué)互補(bǔ)提升至合成氣總熱值（3139.48kW），在沼氣進(jìn)行熱化學(xué)升級(jí)的過(guò)程中燃料總熱值提升了648.86kW，相當(dāng)于輸入系統(tǒng)的715.77kW 的太陽(yáng)熱能中，648.86kW（90.70%）通過(guò)沼氣重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能。在生產(chǎn)電能方面，新系統(tǒng)生產(chǎn)的電能為1321.72kW，而參比系統(tǒng)生產(chǎn)的電能為1279.74kW，其中，沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)1048.56kW，太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)231.18kW，相比之下新系統(tǒng)多生產(chǎn)41.98kW（3.28%）。在生產(chǎn)冷能方面，新系統(tǒng)生產(chǎn)326.40kW，參比系統(tǒng)生產(chǎn)466.58kW，雖然在新系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣可用余熱多余參比系統(tǒng)，但新系統(tǒng)的煙氣余熱先用于水的汽化，再進(jìn)行制冷，使得煙氣余熱中可用于制冷的熱量減少，導(dǎo)致新系統(tǒng)的產(chǎn)冷量小于參比系統(tǒng)。在生產(chǎn)熱能方面，新系統(tǒng)生產(chǎn)的熱能為650.89kW，參比系統(tǒng)生產(chǎn)的熱能為513.64kW。因?yàn)樾孪到y(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能對(duì)沼氣進(jìn)行熱化學(xué)升級(jí)，太陽(yáng)能先轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，當(dāng)合成氣在內(nèi)燃機(jī)中燃燒做功時(shí)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)移到內(nèi)燃機(jī)的排煙和缸套水中，且被煙氣加熱后缸套水作為供熱的熱源，因此使得新系統(tǒng)產(chǎn)熱量相較于參比系統(tǒng)增加了137.25kW（26.72%）。在能量利用率方面，新系統(tǒng)為66.73%，相較于參比系統(tǒng)65.07%提升了1.66 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明新系統(tǒng)沼氣和太陽(yáng)能利用更加充分。在?效率方面，新系統(tǒng)為44.87%，相較于參比系統(tǒng)43.81%提升了1.06 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明新系統(tǒng)沼氣和太陽(yáng)能利用更加有效。在太陽(yáng)能凈發(fā)電效率方面，由于太陽(yáng)熱能在沼氣熱化學(xué)升級(jí)過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺獾幕瘜W(xué)能，提升了太陽(yáng)能的能量品位，所以新系統(tǒng)太陽(yáng)能凈發(fā)電效率30.72%相較于太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)額定發(fā)電效率中值26%提高了4.72 個(gè)百分點(diǎn)。在化石燃料節(jié)約率方面，若利用分產(chǎn)系統(tǒng)分別生產(chǎn)等量的電、冷、熱，新系統(tǒng)可以替代4655.24kW 的化石燃料，參比系統(tǒng)可以替代4391.77kW 的化石燃料，最終，新系統(tǒng)較參比系統(tǒng)節(jié)省化石燃料263.47kW，化石燃料節(jié)約率為5.99%。

4 系統(tǒng)性能分析

在新系統(tǒng)中，重整器里的水碳比與重整反應(yīng)溫度是兩個(gè)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的參數(shù)。因此，以水碳比和重整反應(yīng)溫度為自變量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析及特性規(guī)律研究。在根據(jù)以下分析總結(jié)設(shè)定系統(tǒng)水碳比和重整反應(yīng)溫度時(shí)，可依據(jù)基于水碳比的沼氣重整過(guò)程積碳特性分析圖[18]，避免實(shí)際水碳比落入積碳區(qū)。

4.1 能量利用率

圖6為系統(tǒng)能量利用率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖，從圖中可得：（1）系統(tǒng)水碳比越小，系統(tǒng)能量利用率越高，同時(shí)，系統(tǒng)能量利用率還隨著重整反應(yīng)溫度的降低而升高。因此，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)小系統(tǒng)水碳比以及降低重整反應(yīng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量利用率的一定提升。（2）新系統(tǒng)能量利用率的范圍是69.4%～70.3%，相較于參比系統(tǒng)（66.8%）可以提升2.6～3.5 個(gè)百分點(diǎn)，因此，新系統(tǒng)能量利用更為充分。

圖6 系統(tǒng)能量利用率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖Fig.6 The energy utilization rate of the system changes with the ratio of water to carbon and reforming reaction temperature

4.2 太陽(yáng)能凈發(fā)電效率

圖7為太陽(yáng)能凈發(fā)電效率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統(tǒng)水碳比越小，碟式太陽(yáng)能凈發(fā)電效率越大，同時(shí)，碟式太陽(yáng)能凈發(fā)電效率還隨重整反應(yīng)溫度（碟式太陽(yáng)能集熱器集熱溫度）的升高而升高。因此，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)小系統(tǒng)水碳比以及提高重整反應(yīng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)碟式太陽(yáng)能凈發(fā)電效率的一定提升。（2）新系統(tǒng)碟式太陽(yáng)能凈發(fā)電效率的范圍是30.77%～32%，相較于參比系統(tǒng)（26%，碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)的額定峰值發(fā)電效率中值）可以提升4.77～6 個(gè)百分點(diǎn)。且新系統(tǒng)碟式太陽(yáng)能凈發(fā)電效率的值均處于碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)的額定峰值發(fā)電效率范圍（20%～32%）的高水平值，因此，新系統(tǒng)在提升太陽(yáng)能凈發(fā)電效率方面具有很好的優(yōu)勢(shì)。

圖7 太陽(yáng)能凈發(fā)電效率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖Fig.7 Changes of solar net power generation efficiency with water/carbon ratio and reforming reaction temperature

4.3 ?效率

圖8為系統(tǒng)?效率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統(tǒng)水碳比越小，?效率越大，同時(shí)，系統(tǒng)?效率還隨著重整反應(yīng)溫度的升高而增大。因此，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)小系統(tǒng)水碳比以及升高重整反應(yīng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)?效率的一定提升。（2）新系統(tǒng)?效率的范圍是44.79%～45.34%，相較于參比系統(tǒng)（43.81%）可以提升0.98～1.53 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明新系統(tǒng)可以有效提升系統(tǒng)可用能的利用效率。

圖8 系統(tǒng)?效率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖Fig.8 Changes of system exergy efficiency with water-carbon ratio and reforming reaction temperature

4.4 化石燃料節(jié)約率

圖9為系統(tǒng)化石燃料節(jié)約率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖。從圖中可得：（1）系統(tǒng)水碳比越低，可達(dá)到的化石燃料節(jié)約率越高，在水碳比一定的情況下，化石燃料節(jié)約率隨重整反應(yīng)的升高而增大。因此，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)水碳比和重整反應(yīng)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)化石燃料節(jié)約率的一定提升。（2）從700℃到800℃，化石燃料節(jié)約率曲線間的間距越來(lái)越小，所以對(duì)于某一固定水碳比，選擇合適的重整溫度可使化石燃料節(jié)約率達(dá)到最優(yōu)值。（3）隨著水碳比的降低，最佳化石燃料節(jié)約率對(duì)應(yīng)的重整反應(yīng)溫度逐漸增大。

圖9 系統(tǒng)化石燃料節(jié)約率隨水碳比及重整反應(yīng)溫度的變化圖Fig.9 Changes of fossil fuel saving rate with water/carbon ratio and reforming reaction temperature

5 結(jié)論

本文提出了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整的分布式供能系統(tǒng)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并運(yùn)用軟件Aspen Plus 進(jìn)行仿真模擬，將所提出的新系統(tǒng)與沼氣驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及太陽(yáng)能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能對(duì)比，并對(duì)其差異性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整，使之轉(zhuǎn)化為燃料總熱值更高的合成氣，進(jìn)而提升系統(tǒng)的產(chǎn)電量。在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況下，新系統(tǒng)產(chǎn)電增加率可達(dá)1.19%～4.59%。且通過(guò)對(duì)合成氣余熱以及內(nèi)燃機(jī)排煙余熱的合理有效利用，系統(tǒng)能量利用率可提升2.6～3.5 個(gè)百分點(diǎn)。

（2）通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)沼氣重整，使太陽(yáng)能的熱能品位在重整反應(yīng)過(guò)程中提升至合成氣的化學(xué)能品位，進(jìn)而提升碟式太陽(yáng)能的凈發(fā)電效率，可達(dá)30.77%～32%。同時(shí)，新系統(tǒng)的?效率提升了0.98～1.53 個(gè)百分點(diǎn)。

（3）通過(guò)沼氣與太陽(yáng)能的有效熱化學(xué)互補(bǔ)，提升了分布式供能系統(tǒng)中能源利用的轉(zhuǎn)換效率，并節(jié)約了短缺的化石能源。新系統(tǒng)化石燃料節(jié)約率可達(dá)4.29%～7.61%。