楊　昆，武海濱，朱曉軍，許裕栗，甘中學(xué)

(新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊　065001)

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內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的性能分析

楊昆，武海濱，朱曉軍，許裕栗，甘中學(xué)

(新奧科技發(fā)展有限公司 煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065001)

首先對(duì)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及微燃機(jī)在發(fā)電效率、余熱特性、變負(fù)荷特性、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)性能等方面進(jìn)行了分析，通過分析，得出了不同動(dòng)力裝置的適用場(chǎng)合；以北京市某小型賓館為應(yīng)用對(duì)象，擬采用內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和微燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為該賓館的供能系統(tǒng)，在滿足賓館用能需求的前提下，分析比較了這兩種系統(tǒng)在變負(fù)荷條件下的天然氣耗量、一次能源利用率等方面，最后分析了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)高效發(fā)展的瓶頸問題，通過分析得到以下結(jié)論：從燃?xì)夂牧亢鸵淮文茉蠢寐蕛煞矫鎭砜?，?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在該類型的建筑中更具優(yōu)勢(shì)；冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與用戶間的供需不匹配問題是制約其高效率發(fā)展的重要瓶頸。

內(nèi)燃機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；微燃機(jī)；冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

目前，以能源互聯(lián)網(wǎng)為焦點(diǎn)的新一代能源革命正在興起，其主要特點(diǎn)之一是支持大規(guī)模分布式能源系統(tǒng)的接入[1]，這在一定程度上促進(jìn)了分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined Cooling，Heating and Power System，簡(jiǎn)稱CCHP)是分布式能源系統(tǒng)中應(yīng)用前景明朗，同時(shí)也是最具實(shí)用性和發(fā)展活力的形式之一[2]，由于其實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，也更便于可再生能源的有效利用，成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。對(duì)CCHP系統(tǒng)的研究主要集中在了系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)配置[3-7]、系統(tǒng)能量調(diào)控與運(yùn)行管理[8-11]、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與運(yùn)行方法[12-16]以及新技術(shù)在冷熱聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用[17-19]等方面。

1　性能比較

1.1發(fā)電效率

為了對(duì)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的發(fā)電效率有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)，選取了內(nèi)燃機(jī)(Caterpillar)[22]、燃?xì)廨啓C(jī)(Solar)和微燃機(jī)(Capstone)[23]中比較典型的設(shè)備進(jìn)行分析，不僅比較了不同動(dòng)力設(shè)備發(fā)電效率的相對(duì)大小，同時(shí)，對(duì)相同動(dòng)力裝置同系列設(shè)備的發(fā)電效率隨規(guī)模增大的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，如圖1～圖3所示。

圖1　內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率變化趨勢(shì)

圖2　燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率變化趨勢(shì)

圖3　微燃機(jī)發(fā)電效率變化趨勢(shì)

由圖1～圖3可得：內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率較高，通常在30%～45%之間，而燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的發(fā)電效率要小于內(nèi)燃機(jī)，分別在20%～35%和25%～35%之間；無論是內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)還是微燃機(jī)，其發(fā)電效率隨規(guī)模的變化規(guī)律基本相同，均是首先隨著規(guī)模的增大而增大，然后逐漸趨于平穩(wěn)。

動(dòng)力裝置發(fā)電效率隨規(guī)模的變化規(guī)律是探討CCHP系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)模的重要依據(jù)，在CCHP系統(tǒng)規(guī)模較小時(shí)，隨著其規(guī)模的不斷增大，動(dòng)力裝置的發(fā)電效率增加較快，是影響CCHP系統(tǒng)性能的重要因素，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模后，動(dòng)力裝置的發(fā)電效率趨于穩(wěn)定，對(duì)CCHP系統(tǒng)性能影響較小，其他影響因素占據(jù)主導(dǎo)地位。

1.2余熱特性

內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的余熱特性如圖4～圖7所示。

圖4　內(nèi)燃機(jī)缸套水余熱特點(diǎn)

圖5　內(nèi)燃機(jī)排煙余熱特點(diǎn)

圖6　燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱特點(diǎn)

圖7　微燃機(jī)排煙余熱特點(diǎn)

由圖4～圖7可得：內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的余熱特點(diǎn)不同，內(nèi)燃機(jī)余熱包括缸套冷卻水余熱和排煙余熱，而燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的余熱主要是排煙；內(nèi)燃機(jī)的排煙流量和缸套冷卻水流量均隨著規(guī)模的增大而逐步增加，而溫度隨著其規(guī)模的變化基本穩(wěn)定，燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)排煙流量和溫度隨規(guī)模的變化規(guī)律與內(nèi)燃機(jī)一致，均隨著規(guī)模的增大而逐步升高，排煙溫度基本保持穩(wěn)定；燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度最高，約為460～540℃，其次為內(nèi)燃機(jī)，其排煙的溫度約為400～450℃，微燃機(jī)由于采用了回?zé)嵫h(huán)使得排煙溫度較低，一般低于300℃。

1.3變負(fù)荷特性

CCHP系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象通常為小型的能源用戶，其冷熱電負(fù)荷的變化較大，動(dòng)力裝置常常會(huì)處于部分負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，其變負(fù)荷特性對(duì)CCHP系統(tǒng)性能的影響較大，因此研究動(dòng)力裝置的變負(fù)荷特性具有重要意義。左政，等[21]以3 MW的內(nèi)燃機(jī)(G3616)和燃?xì)廨啓C(jī)(Centaur40)為研究對(duì)象，分析了在變負(fù)荷下這兩種設(shè)備的發(fā)電效率和熱效率的變化規(guī)律(如圖8所示)。

圖8　內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)(3 MW)的發(fā)電效率和熱效率在不同負(fù)荷率下的變化規(guī)律

由圖8可得，在3 MW的機(jī)組功率下，無論是內(nèi)燃機(jī)還是燃?xì)廨啓C(jī)，其發(fā)電效率均隨著負(fù)荷率的降低而降低，且下降幅度較緩；從余熱利用的角度分析，燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率高于內(nèi)燃機(jī)，這是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的余熱主要是溫度較高的排煙，而內(nèi)燃機(jī)的余熱分為排煙和缸套冷卻水兩部分，其中缸套冷卻水的溫度較低(85～100℃)，利用受限[2]；燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率隨著負(fù)荷率的降低而降低，而內(nèi)燃機(jī)的熱效率隨著負(fù)荷率的降低略有上升，這是因?yàn)殡S著負(fù)荷率的降低，內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)口空氣流量減小，排煙溫度上升，使得熱效率有所提高。

微燃機(jī)的變負(fù)荷特性如圖9所示[24]。

圖9　微燃機(jī)的發(fā)電效率在不同負(fù)荷率下的變化規(guī)律

由圖9可得：微燃機(jī)的發(fā)電效率隨著負(fù)荷率的降低而降低，呈現(xiàn)出與燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)相同的變化規(guī)律。

1.4環(huán)境影響

以天然氣為燃料的CCHP系統(tǒng)產(chǎn)生的污染物主要為氮氧化物(NOx)，因此對(duì)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的NOx排放的分析，首先要搞清楚NOx的生成機(jī)理及影響因素。

NOx的生成機(jī)理主要包括熱力型、快速型和燃料型[25]。其中，熱力型和快速型的NOx生成機(jī)理都是針對(duì)空氣中的N2在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，而燃料型NOx是指那些含N的燃料在燃燒過程中生成NOx，燃用天然氣的CCHP系統(tǒng)中，燃料型的NOx不在討論范圍之內(nèi)，又因?yàn)榭焖傩蚇Ox所占的比例較小[25]，因此主要討論熱力型。

熱力型NOx是指，在高溫燃燒過程中，空氣中的氮和氧進(jìn)行反應(yīng)生成氮氧化物，其生成機(jī)理被廣泛接受的是“捷爾杜維奇機(jī)理”(Zeldovich Mechanism)，其生成反應(yīng)為[25]：

O22O

O+N2NO+N

N+O2NO+O

N+OHNO+H

式中kf1，kf2，kf3，kb1，kb2，kb3分別為上述三個(gè)反應(yīng)的正向和逆向反應(yīng)速率常數(shù)。

在燃燒過程中，影響NOx生成的因素主要包括三方面[25, 26]：氧原子的濃度、反應(yīng)溫度與高溫滯留時(shí)間。高溫、富氧和高溫滯留時(shí)間長(zhǎng)這三者缺一，就可以抑制NOx的生成。

從抑制NOx生成的因素出發(fā)，內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)都采取相應(yīng)的措施來降低NOx的生成，其中內(nèi)燃機(jī)主要采取稀燃和富燃后催化處理等措施[27]，燃?xì)廨啓C(jī)主要采用燃燒時(shí)注水和蒸汽、預(yù)混、催化燃燒等[28]，微燃機(jī)采取的主要措施包括預(yù)混和回?zé)岬萚27]。

動(dòng)力裝置的排放性能，常用一定含氧量下，污染物的排放量來進(jìn)行描述，經(jīng)過處理后，內(nèi)燃機(jī)的排放大約在35～225 ml/l，燃?xì)廨啓C(jī)在9～42 ml/l，微燃機(jī)的排放濃度小于9 ml/l[27]。

圖10　內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)初裝費(fèi)用的變化趨勢(shì)

圖11　內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的變化趨勢(shì)

1.5經(jīng)濟(jì)性能

動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性能對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性有重要影響，圖10和圖11表示出了內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)在2000年和2020年單位kW的初裝費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[27]。

由圖10～圖11可得：隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的初裝費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都將下降，且隨著動(dòng)力裝置規(guī)模的增大，單位kW的初裝費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用會(huì)更低；隨著微燃機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，到2020年100 kW級(jí)的微燃機(jī)初裝費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用甚至比內(nèi)燃機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。

2　適用場(chǎng)合

通過以上分析，由于內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的發(fā)電效率、余熱特性、變負(fù)荷特性、環(huán)境性能以及經(jīng)濟(jì)性能等的差異，因此針對(duì)不同負(fù)荷特征的建筑應(yīng)選擇合適的動(dòng)力裝置。圖12表示出了幾種典型建筑的冷(熱)電負(fù)荷關(guān)系[2]。

圖12　不同類型建筑的冷(熱)負(fù)荷比

由圖12可得：飯店、醫(yī)院等類建筑的熱(冷)電負(fù)荷比例較大，生活熱水負(fù)荷也較大，因此采用內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的方式較為合理；而對(duì)于辦公樓和商場(chǎng)類的建筑，熱(冷)電負(fù)荷比例較小，生活熱水負(fù)荷也較小，因此選擇燃?xì)廨啓C(jī)CCHP系統(tǒng)更為合理；而微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)更適用于那些以輸出電為目的的建筑類型，例如，一些商場(chǎng)和輕工業(yè)設(shè)施等[2, 27]。

3　工程案例

3.1負(fù)荷分析

北京某地區(qū)擬建一賓館，規(guī)劃占地面積約為10 000 m2，其中包括客房、餐廳以及會(huì)議室等，其全年的冷(熱)電及生活熱水負(fù)荷如圖13～圖15所示，具體模擬詳見參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[11]。

圖13　賓館全年冷熱逐時(shí)負(fù)荷

圖14　賓館全年電逐時(shí)負(fù)荷

圖15　賓館全年生活熱水逐時(shí)負(fù)荷

3.2系統(tǒng)分析

擬采用圖16所示的CCHP系統(tǒng)作為該賓館的供能系統(tǒng)，在滿足賓館冷(熱)電和生活熱水負(fù)荷的前提下，分析內(nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的天然氣耗量和一次能源利用率等。

圖16　CCHP系統(tǒng)示意圖

天然氣進(jìn)入動(dòng)力裝置燃燒，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，排煙用于驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)夏季制冷、冬季供暖，若排煙量不足，則由天然氣補(bǔ)燃，生活熱水由吸收式制冷機(jī)提供(若動(dòng)力裝置為內(nèi)燃機(jī)，則生活熱水首先由缸套冷卻水提供，不足時(shí)由吸收式制冷機(jī)提供)。

系統(tǒng)中各設(shè)備的性能參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)設(shè)備性能參數(shù)[5, 21, 24, 29, 30]

注：表示電負(fù)荷率；表示冷負(fù)荷率；表示燃?xì)夂牧?Nm3/h)

3.3性能分析

內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)和微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)在滿足該賓館負(fù)荷前提下的天然氣耗量如圖17所示。

圖17　系統(tǒng)的天然氣耗量

由圖17可得：無論是冬季、夏季或過渡季，內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的天然氣耗量都比微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的天然氣耗量低，這主要是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率相對(duì)于微燃機(jī)較高，同時(shí)賓館類型的建筑有生活熱水負(fù)荷，內(nèi)燃機(jī)的缸套冷卻水可以得到有效利用，同時(shí)微燃機(jī)的排煙溫度也較低，熱效率不高，因此在滿足同樣負(fù)荷的基礎(chǔ)上消耗的天然氣更多。

CCHP系統(tǒng)的熱力性能常用一次能源利用率(Primary energy rate，PER)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即系統(tǒng)的輸出能量與輸入能量的比值，在能量的計(jì)算過程中，將電、冷、熱及熱水同等看待，直接相加[5]。CCHP系統(tǒng)分別采用內(nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)的系統(tǒng)一次能源利用率如圖18所示。

圖18　一次能源利用率曲線

由圖18可得：不管是內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)，還是微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)，系統(tǒng)的一次能源利用率呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即在冬夏季較高，而在過渡季較低；內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率比微燃機(jī)一次能源利用率高，這主要是因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率較高，余熱利用率高，同時(shí)具有較好的變負(fù)荷特性。

3.4系統(tǒng)存在的問題

CCHP系統(tǒng)在能量的梯級(jí)利用方面效果顯著，但是由于CCHP系統(tǒng)受終端用戶和外部環(huán)境的影響很大，系統(tǒng)供能和用戶需求間的供需不匹配問題已經(jīng)成為CCHP系統(tǒng)向前高效發(fā)展的最大瓶頸，在此以內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的生活熱水平衡為例來加以說明，如圖19所示。

圖19　內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)生活熱水供需平衡圖

由圖19可得：以月為單位來看，內(nèi)燃機(jī)的缸套冷卻水完全可以滿足賓館的生活熱水負(fù)荷，但是每個(gè)月還需要生活熱水的補(bǔ)燃，造成這種結(jié)果的原因是賓館生活熱水需求在不同時(shí)刻的差異較大，如圖20所示。用戶生活熱水需求的時(shí)間差異性導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)產(chǎn)生的缸套冷卻水不能實(shí)時(shí)滿足賓館的生活熱水負(fù)荷，大部分時(shí)刻滿足，某些時(shí)刻卻不能滿足，需要補(bǔ)燃，這種供需不匹配是限制了CCHP系統(tǒng)高效發(fā)展的重要問題。

圖20　典型日生活熱水負(fù)荷

4　結(jié)論

(1) 三種動(dòng)力裝置的發(fā)電效率由高到低的順序依次為內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)，且隨著規(guī)模的增加，發(fā)電效率先增加后趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)拋物線形式。

(2)三種動(dòng)力裝置的余熱特點(diǎn)不同，內(nèi)燃機(jī)包括缸套冷卻水余熱和排煙余熱，燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)主要是排煙余熱；余熱利用效率燃?xì)廨啓C(jī)要高于內(nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)。

(3)三種動(dòng)力裝置的發(fā)電效率均隨著負(fù)荷率的下降而降低；燃?xì)廨啓C(jī)和微燃機(jī)的熱效率隨著負(fù)荷率的降低而下降，而內(nèi)燃機(jī)的熱效率隨著負(fù)荷率的降低而有上升趨勢(shì)。

(4)從環(huán)境影響來看，微燃機(jī)的環(huán)境性能最優(yōu)，其次是燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)；從經(jīng)濟(jì)性能來看，三種動(dòng)力裝置的初裝費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都將不斷降低，微燃機(jī)在未來的發(fā)展中更具優(yōu)勢(shì)。

(5)以北京某賓館為對(duì)象，供能系統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)和微燃機(jī)CCHP系統(tǒng)，得到，在滿足該賓館冷(熱)電及生活熱水負(fù)荷的前提下，內(nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)消耗的天然氣量較少，且一次能源利用率較高；從全年來看，CCHP系統(tǒng)的一次能源利用率在冬夏季較高，而在過渡季較低。

(6)CCHP系統(tǒng)在能源梯級(jí)利用方面的作用突出，但是供需不匹配問題是其繼續(xù)向前高效發(fā)展的重要瓶頸。

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(本文編輯：楊林青)

Performance Analysis of the Combined Cooling Heating and Power System (CCHP) based on Internal Combustion Engine, Gas Turbine and Micro Gas Turbine

YANG Kun， WU Hai-bin，ZHU Xiao-jun，XU Yu-li， GAN Zhong-xue

(ENN Science & Technology Development Co., Ltd，State Key Laboratory of Coal-based Low Carbon Energy，Langfang 065001，Hebei，China)

The power generation efficiency, characteristic of waste heat and variable load, environmental performance and economic performance of internal combustion engine, gas turbine and micro gas turbine are analyzed. Through the analysis, the applicability of different power plant is obtained. Taking a small hotel in Beijing as the object of application, the combined cooling heating and power system (CCHP) based on internal combustion engine and micro gas turbine is used to meet the load demand of the hotel. The consumption of natural gas and primary energy rate of the two systems are compared, and the bottleneck of the high efficiency development of the CCHP system is analyzed in the end. Through the analysis, the following conclusions are obtained: from the gas consumption and primary energy rate, the CCHP system of internal combustion engine has more advantages in this type of building, mismatch between supply and demand is the main bottleneck which restricts the high efficient development of of the CCHP system.

internal combustion engine gas turbine micro gas turbine CCHP applicability

10.11973/dlyny201604015

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(No. 2014CB249200)

楊昆(1988)，男，碩士，從事分布式能源方向研究。

TK47

A

2095-1256(2016)04-0476-07

2016-05-13