王　勇，劉志嬙，周宇昊

（1.華電電力科學(xué)研究院國(guó)家能源分布式能源技術(shù)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江杭州310052）

分布式能源系統(tǒng)全工況特性實(shí)驗(yàn)研究與能耗分析

王勇1，劉志嬙2，周宇昊1

（1.華電電力科學(xué)研究院國(guó)家能源分布式能源技術(shù)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江杭州310052）

以天然氣內(nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)為例，進(jìn)行了全工況特性試驗(yàn)及能耗分析，結(jié)果表明：消耗燃?xì)獾牧髁颗c功率呈線性關(guān)系,機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行氣耗為3.92 kWh/Nm3、燃?xì)庀穆蕿?.25，溴化鋰機(jī)組的COP隨著功率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，制冷量與功率成正比例關(guān)系。一次能源利用率隨功率的增大而增大，滿負(fù)荷時(shí)一次能源利用率為76.9%。在低負(fù)荷時(shí)，相對(duì)節(jié)能率出現(xiàn)負(fù)值，滿負(fù)荷時(shí)，相對(duì)節(jié)能率為33.7%，與常規(guī)分供系統(tǒng)相比，CO2減排率為46%。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)；分布式能源；全工況性能；能耗分析

0　引言

為提高能源效率，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排，分布式能源受到廣泛關(guān)注，現(xiàn)已建分布式能源系統(tǒng)經(jīng)常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的全工況性能急劇惡化，分布式系統(tǒng)全工況特性顯得更加重要。

分布式能源與傳統(tǒng)能源相比從燃料、發(fā)電設(shè)備、運(yùn)行方式、評(píng)價(jià)體系都有很大區(qū)別，用傳統(tǒng)電站的的規(guī)范和設(shè)計(jì)思路復(fù)制于分布式能源是不妥的。對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行全面的能效分析，為我國(guó)分布式能源的發(fā)展提供參考是很必要的。分布式能源系統(tǒng)需求負(fù)荷時(shí)時(shí)變化，系統(tǒng)將常處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行狀態(tài)，因此研究分布式能源系統(tǒng)全工況性能對(duì)推動(dòng)分布式供能技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

本文研究以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力裝置的分布式能源系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行全工況實(shí)驗(yàn)研究及能耗分析。著重分析了分布式能源系統(tǒng)在變工況的條件下，機(jī)組性能的變化規(guī)律，一次能源利用率與節(jié)能率的變化，對(duì)以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力裝置的分布式能源系統(tǒng)的機(jī)組的選型與運(yùn)行優(yōu)化具有明顯的借鑒意義。

1　燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)分布式能源系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)的分布式能源系統(tǒng)由2臺(tái)315kW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、余熱利用設(shè)備為煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組及相關(guān)輔機(jī)組成，雙效型溴化鋰機(jī)組熱源為高溫?zé)煔夂蛢?nèi)燃機(jī)缸套水，煙氣額定溫度為400℃，缸套水的額定溫度為92℃。實(shí)驗(yàn)過程中，采用模擬電負(fù)荷作為內(nèi)燃機(jī)的模擬負(fù)荷，模擬功率可調(diào)節(jié)，從5kW開始測(cè)試，模擬負(fù)荷補(bǔ)償為5kW，大氣溫度為33℃，大氣壓力為101.8kPa。

以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的分布式能源系統(tǒng)流程圖如圖1所示，分布式系統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)，燃料為天然氣，天然氣在內(nèi)燃機(jī)中燃燒，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣進(jìn)入煙氣型溴化鋰機(jī)組進(jìn)行制冷，提供用戶所需的冷量，或內(nèi)燃機(jī)排出的煙氣直接進(jìn)入余熱鍋爐，加熱鍋爐給水產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽型溴化鋰機(jī)組。內(nèi)燃機(jī)缸套水作為煙氣型溴化鋰的另一路熱源提高溴化鋰的工作效率。理論上一次能源利用率為89.3%，與電網(wǎng)+電制冷的傳統(tǒng)能源相比節(jié)約率為36.15%。

1.1內(nèi)燃機(jī)參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)燃機(jī)為日本三菱的315kW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，型號(hào)為SGP M315，具體參數(shù)見表1。

表1　內(nèi)燃機(jī)主要參數(shù)

1.2溴化鋰機(jī)組的參數(shù)

RGD-YG煙氣型溴化鋰是以排煙余熱為驅(qū)動(dòng)源的雙效吸收式制冷機(jī)，其冷劑使用純水，水溶液吸收劑使用溴化鋰。制冷時(shí)從蒸發(fā)器產(chǎn)生冷水，采暖時(shí)從蒸發(fā)器和板換產(chǎn)生溫水。本機(jī)包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、低溫發(fā)生器、高溫發(fā)生器等。

表2　煙氣型溴化鋰主要參數(shù)

1.3天然氣參數(shù)

表3　天然氣主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用天然氣的實(shí)測(cè)低位發(fā)熱量為34.77MJ/m3。天然氣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

2　基于熱平衡法的能效指標(biāo)

分布式能源系統(tǒng)的組成設(shè)備多樣，有不同的技術(shù)方案，不同系統(tǒng)的組成，其能效計(jì)算的公式也不同，本文采用電網(wǎng)+電制冷的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)以及燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+雙效煙氣型溴化鋰機(jī)組的天然氣分布式能源，來建立分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用率及相對(duì)節(jié)能率的計(jì)算模型，節(jié)能率反應(yīng)的是輸入能量的使用情況，效率比較適合分布式能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)[2]。

此次實(shí)驗(yàn)的分布式能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)可通過下面的公式計(jì)算[1]：

式中Qe—分布式能源系統(tǒng)發(fā)電量，kW；

G—分布式能源系統(tǒng)天然氣消耗量，m3；

Hul—燃用天然氣低位熱值，MJ/m3。

式中Qh—分布式能源系統(tǒng)制熱量，kW；

COPhl—煙氣型溴化鋰機(jī)組制熱工況性能系數(shù)。

式中Qr—分布式能源系統(tǒng)回收熱量。

式中Qc—分布式能源系統(tǒng)制冷量,kW。

制冷工況的一次能源利用率為：

分布式能源系統(tǒng)制冷工況的相對(duì)節(jié)能率：

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1系統(tǒng)的流量與氣耗

如圖2所示，在消耗燃?xì)獾牧髁颗c功率呈線性關(guān)系，功率越高，機(jī)組的氣耗率越低，內(nèi)燃機(jī)功率為30kW時(shí)，燃?xì)獾牧髁繛?2Nm3/h,氣耗為1.41kWh/ Nm3，內(nèi)燃機(jī)的功率為315kW時(shí)，燃?xì)獾牧髁繛?0Nm3/h,氣耗為3.92kWh/Nm3。

3.2內(nèi)燃機(jī)效率與燃?xì)庀穆?/p>

如圖3所示，功率與內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的效率呈正比例關(guān)系，在功率為30kW時(shí)內(nèi)燃機(jī)的效率為14.9%，功率為315kW時(shí)內(nèi)燃機(jī)的效率為41.4%，燃?xì)庀穆逝c內(nèi)燃機(jī)功率成反比例關(guān)系，功率為30kW時(shí)燃?xì)庀穆蕿?.73，功率為315kW時(shí)燃?xì)庀穆蕿?.25，對(duì)于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組而言，滿負(fù)荷運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的效率高，燃料的消耗率低，經(jīng)濟(jì)性好。

3.3內(nèi)燃機(jī)效率與排氣溫度的關(guān)系

如圖4所示，內(nèi)燃機(jī)排氣溫度隨輸出功率的變化，隨之功率的增加，排氣溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)值和理論值的誤差比較，隨著內(nèi)燃機(jī)輸出功率的增加，實(shí)驗(yàn)值和理論值趨勢(shì)一致且理論值大于實(shí)驗(yàn)值，因?yàn)榕艢鉁囟葴y(cè)點(diǎn)設(shè)在管道中，煙氣從內(nèi)燃機(jī)出來有熱損失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值偏低，實(shí)驗(yàn)值排氣溫度最高為385℃。

3.4制冷量及COP隨功率的變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中冷熱媒水的流量為90m3/h保持恒定，內(nèi)燃機(jī)功率為90kW時(shí)，溴化鋰機(jī)組的制冷量為105.6kW，功率為90kW時(shí)，溴化鋰機(jī)組的制冷量為105.6kW，如圖5所示，隨著功率的升高，制冷量增加，呈線性關(guān)系，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)組功率增加，排煙流量增加，機(jī)組的排煙溫度上升，溴化鋰機(jī)組的高溫發(fā)生器的溫差增大，溴化鋰機(jī)組的加熱量增加，因此制冷量增加。

隨之內(nèi)燃機(jī)輸出功率的增加，溴化鋰機(jī)組的COP先增加后減小，當(dāng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的功率達(dá)到275kW時(shí)，COP存在最大值約為1.07，原因?yàn)楣β试黾?，溴化鋰機(jī)組的流量及溫度升高，溴化鋰機(jī)組的高溫發(fā)生器加熱量增加，制冷量隨之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加熱量一直增加，因此機(jī)組的性能系數(shù)COP先增加后減小。

3.5一次能源利用率和節(jié)能率的變化關(guān)系

如圖6所示，一次能源利用率與發(fā)電機(jī)組的效率、余熱回收率及煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組的性能參數(shù)有關(guān)，與內(nèi)燃機(jī)的容量無關(guān)，與需求側(cè)的冷熱負(fù)荷有很大關(guān)系，一次能源利用率隨功率的增大而增大，在功率為30kW時(shí)，一次能源利用率為20%，功率為315kW時(shí)，一次能源利用率為76.9%。與電網(wǎng)+電制冷的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，相對(duì)節(jié)能率也隨著功率的增加而增加，在功率為30kW時(shí)，相對(duì)節(jié)能率為-16%，在功率為315kW時(shí)，相對(duì)節(jié)能率為33.7%。可見系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一次能源利用率和相對(duì)節(jié)能率都很低。內(nèi)燃機(jī)組的發(fā)電效率越高，系統(tǒng)的一次能源利用率越大，系統(tǒng)節(jié)能。

以天然氣為主的分布式能源系統(tǒng)排放的煙氣中大部分為H2O，少量的CO2，基本無SOX和NOX，選取CO2對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的的環(huán)保型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表3　CO2減排率

4　結(jié)語

（1）機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行所需燃?xì)饬髁繛?0Nm3，機(jī)組的功率越大，發(fā)電效率越高，燃料的消耗率低，機(jī)組的氣耗率越低。效率隨著功率的增加而增加。

（2）輸出功率的增加，溴化鋰機(jī)組的COP先增加后減小，功率增加，溴化鋰機(jī)組的流量及溫度升高，溴化鋰機(jī)組的高溫發(fā)生器加熱量增加，制冷量隨之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加熱量一直增加，因此機(jī)組的性能系數(shù)COP先增加后減小。

（3）隨之功率的增加，排氣溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)值和理論值趨勢(shì)一致且理論值大于實(shí)驗(yàn)值，實(shí)驗(yàn)過程中內(nèi)燃機(jī)功率達(dá)到275kW時(shí)，排氣溫度達(dá)到最高為385℃。與常規(guī)分供系統(tǒng)相比，CO2減排率為46%。

（4）一次能源利用率、相對(duì)節(jié)能率與發(fā)電機(jī)組呈正比關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電效率較低時(shí)，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一次能源利用率為76.9%，與電網(wǎng)+電制冷的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，相對(duì)節(jié)能率也隨著功率的增加而增加分布式能源系統(tǒng)甚至出現(xiàn)不節(jié)能的情況。

[1]李海濤.分布式能源系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與優(yōu)化[D].保定:華北電力大學(xué)，2005.

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Istributed Energy System All Condition Characteristic Experim ental Study and Analysis of Energy Consum ption

WANG Yong1，LIU Zhi-qiang2，ZHOU Yu-hao1
（1.Huadian Electric Power Research Institute,The National Energy Distributed Energy Technologies Center,Hangzhou 310030,China；2.Zhejiang Zheneng Natural GasOperation Co.,Ltd,Hangzhou 310052,China）

Distributed energy system with natural gas internal combustion engine as an example,the full process characteristic testand energy consumption analysis,the results show that the consumption ofgas flow has a linear relation with power,full load operation of thegasconsumption is3.92 kWh/Nm3，gas consumption rate is0.25,lithium bromide COP with the increase of the power of theunitshowed a trend ofdecreaseafter the first increase,refrigerating capacity and power proportionalrelations.Primary energy utilization ratewith the increase ofpower,energy efficiency is76.9%at fullcapacity at a time.Atlow load,the relativeenergysaving rate isnegative,atfullcapacity,the relativeenergysaving rate is33.7%.

internal combustion engine；distributed energy；performance of the whole working condition；energy consumption analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.001

TU83，TM611.2

B

2095-3429（2016）05-0001-04

王勇（1983-），男，吉林敦化人，研究生，工程師，從事分布式能源負(fù)荷預(yù)測(cè)研究工作。

2016-07-08

2016-08-29