譚永生

(中國水利電力物資集團有限公司，北京 西城 100043)

0 引言

能源短缺、環(huán)境污染等問題嚴重影響我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，高效、清潔的能源利用是新時代能源發(fā)展的必然趨勢[1-3]。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為一種高效的能源利用方式，與傳統(tǒng)供能方式相互補充、共同發(fā)展。以內燃機為動力機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有發(fā)電效率高、投資小、運行負載區(qū)間較寬等優(yōu)點[4]，但是負荷需求變化引起的變工況往往會導致整個系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟性等并不理想，變工況特性不是十分清晰。文獻[5]等構建了小型燃氣內燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并進行了實驗性能測試，結果表明該系統(tǒng)滿載運行時可實現(xiàn)發(fā)電量12 kW、制熱量28.1 kW和制冷量9 kW，且整體能源利用效率在70%以上。文獻[6]等以內燃機的輸出功率為變量，以一次能源利用率最高為目標，采用實驗研究分析了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的變工況運行性能，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)工作特性中的最佳點。本文同樣以實驗的方式進行內燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中各個主要設備的變工況研究，詳細分析了運行特性發(fā)生變化的主要原因；同時，考慮了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在不同季節(jié)時，其輸出的不同能量間匹配變化的關系。

1 冷熱電三聯(lián)供試驗臺

1.1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡介

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式供能系統(tǒng)，以小規(guī)模、模塊化、分散地布置在負荷端，同時向用戶提供冷能、熱能和電能。以內燃機為動力機的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，內燃機消耗燃油產(chǎn)生高品位熱能輸出機械功，冷卻水冷卻活塞缸套產(chǎn)生低溫余熱，并且燃料燃燒做功后產(chǎn)生高溫煙氣余熱。根據(jù)不同的內燃機功率以及應用場所，內燃機余熱有不同的回收利用方式，缸套水余熱主要通過板式換熱器制取生活熱水，排煙余熱既可通過余熱鍋爐制取供暖熱水或蒸汽，也可驅動溴化鋰吸收式熱泵或制冷機等[7-9]。

1.2 搭建試驗臺

內燃機冷熱電三聯(lián)供試驗臺如圖1所示，內燃機的余熱主要有排煙余熱和缸套水余熱兩部分，其通過煙氣熱水型換熱器回收排煙余熱，板式換熱器回收缸套水余熱。采用10.8 kW柴油發(fā)電機組，機組型號為GF3-10 kW，輸出功率為10 kW，額定轉速1 500 r/m，外形尺寸1 770×850×1 100 mm，機組重量520 kg，電子調速，封閉水冷卻，如圖2所示。

1—內燃發(fā)電機； 2—原裝冷卻水箱； 3—風機盤管； 4—板式換熱器； 5—煙氣熱水型換熱器； 6—發(fā)電機； 7—加水箱； 8—壓縮制冷機； 9—電熱水器； 10—電子爐。圖1 冷熱電三聯(lián)供試驗系統(tǒng)圖Fig.1 CCHP system

圖2 柴油內燃機Fig.2 Diesel internal combustion engine

1.2.1 電負載

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)用電設備有額定功率4 kW的電熱水器、額定功率2.2 kW的電壓縮式制冷機以及額定功率6 kW的電子爐(如圖3—5所示)，這些設備作為冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)輸出電能的模擬負載。電熱水器為自行設計加工，額定進出口水溫分別為55和60 ℃。

圖3 熱水器Fig.3 Heater

圖4 制冷機Fig.4 Refrigerator

圖5 電子爐Fig.5 Electron furnace

1.2.2 回收煙氣余熱

柴油在內燃機活塞中燃燒釋放能量，驅動發(fā)電機組發(fā)電，正常情況下，做功后的煙氣通過排氣孔排放到環(huán)境中。冷熱電三聯(lián)供采用煙氣熱水型換熱器進行煙氣余熱回收，回收的余熱用來供暖，如圖6所示。煙氣熱水型換熱器額定進出口水溫分別為55和60 ℃，熱水走管程，煙氣走殼程，同時布置的折流板可以增加煙氣流程。內燃機排煙口裝有消音器，將原有消音器拆下后，煙氣直接進入煙氣熱水型換熱器。

1.2.3 回收缸套水余熱

內燃機采用水冷式冷卻系統(tǒng)，主要有節(jié)溫器、散熱器、風扇、水泵和水套等組成[10]。冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)試驗臺中的內燃機有兩套水冷式冷卻系統(tǒng)，均保留有節(jié)溫器、水泵和水套。內燃機缸套水余熱采用板式換熱器回收并用來供暖，型號為BR0.045-1。圖7為原有冷卻系統(tǒng)，圖8為改進后的冷卻系統(tǒng)。

圖7 原有冷卻系統(tǒng)Fig.7 Original cooling system

圖8 改進后的冷卻系統(tǒng)Fig.8 Improved cooling system

2 實驗工況

依托冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，開展多種工況下的運行實驗，如熱電聯(lián)供、冷電聯(lián)供及冷熱電三聯(lián)供，其主要參數(shù)變化情況如表1所示。

表1 不同工況的參數(shù)選取Table 1 Selection of various variable working conditions

注：不同工況下，通過調節(jié)管路流量保證供暖水溫為60 ℃。

從內燃機運行特性、余熱回收裝置運行特性、制冷機運行特性及系統(tǒng)的能流特性等方面對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動力機實驗結果展開詳細分析。

3 實驗結果分析

3.1 內燃機運行特性

燃料在內燃機氣缸內燃燒推動活塞做功，做功后的高溫煙氣隨活塞的往復運動不斷從排氣孔排出。如圖9所示，隨著輸出功率的增加，相應內燃機單位時間內消耗燃油量上升，增加的燃油量主要有兩部分去向:一部分用于增加內燃機的輸出功率；一部分使內燃機缸套水余熱和排煙余熱量增加。由于內燃機為自然吸氣，活塞行程基本不變，進而導致吸氣量不變，煙氣余熱的增加主要體現(xiàn)在排煙溫度升高。

圖9 內燃機油耗隨輸出負荷的變化Fig.9 Fuel consumption of internal combustion engine varying with output load

隨著內燃機輸出功率的增加，其排煙溫度逐漸升高，如圖10所示。并且上升速度在8 kW后升高較快，這與內燃機油耗增加的趨勢基本相符。當輸出功率10.2 kW時，油耗為3.66 L/h，排煙溫度達到最大值392 ℃。

圖10 排煙溫度隨功率的變化Fig.10 Exhaust gas temperature varying with power

內燃機通過燃料在氣缸內燃燒，驅動曲柄往復運動，輸出機械功；同時，燃燒后高溫煙氣及冷卻氣缸的冷卻水帶走剩余主要熱量。圖11展示了內燃機輸出功與熱間變化關系，圖12展示了余熱占一次能源輸入量的比例(余熱占比)變化關系。從圖中看出兩個關鍵點：

圖11 內燃機輸出功與熱間的變化關系Fig.11 Relationship between output power and heat of internal combustion engine

圖12 余熱占比隨功率的變化Fig.12 Ratio of heat to heat varying with power

1) 隨內燃機輸出功率增加，煙氣余熱及冷卻水余熱均增加，但冷卻水余熱占比保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，主要因為氣缸內的可燃氣體通過氣缸將熱量傳送給氣缸外的冷卻水，并且隨著氣缸內活塞的高速往復運動，內燃機不斷進行吸氣、排氣過程，造成短時間內通過氣缸傳遞的熱量較少，單位容積內燃料越多，煙氣中余熱量則越多。

2) 內燃機冷卻水余熱量在低負荷時高于排煙余熱量，而在其他負荷時低于排煙余熱量。其主要原因是內燃機采用壓燃點火的原理，氣缸內必須保證一定的溫度，即氣缸必須具有一定的溫度以支持內燃機順利點火。功率較低時減去輸出功，排煙帶走的熱量相對較少些；功率較高時排除輸出功，總體輸入熱量較多，維持順利點火所需熱量比例基本不變，近而排煙帶走的熱量增加相對較多些。

圖13 發(fā)電效率隨功率的變化Fig.13 Power generation efficiency varying with power

內燃機發(fā)電機組發(fā)電效率隨著輸出負荷的增大，呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，在負載8 kW時達到最大發(fā)電效率，如圖13所示。呈現(xiàn)出這種變化趨勢的主要原因在于內燃機為自然吸氣，受氣缸大小與循環(huán)周期的影響，內燃機進氣量基本為定值，輸出功率較低時，氧氣過量，燃料的燃燒為完全反應過程，隨燃油量不斷增加，受氧氣量的限制，逐漸轉變?yōu)槿剂喜煌耆磻^程，放熱量降低；并且隨著輸出功率的增加，燃燒室受限，燃燒后的氣體無法充分的膨脹做功，導致?lián)p失進一步增大。因此，內燃機輸出效率的增加使發(fā)電效率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

圖14 一次能源利用率隨功率的變化Fig.14 Primary energy efficiency varying with power

分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中一次能源利用分為電能和回收利用余熱熱能，同時通過調節(jié)余熱回收裝置可使聯(lián)供系統(tǒng)試驗臺排煙度較穩(wěn)定，因此回收余熱熱能主要受內燃機的影響。如圖14所示，依據(jù)熱力學第一定律，一次能源利用率為輸出電能與余熱熱能之和占輸入燃料熱量的比例。總體來看，由于燃料與空氣配比的關系，隨內燃機輸出功率的增加總能利用效率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。內燃機在輸出功率為0時，由于有排煙余熱和冷卻水余熱的產(chǎn)生及回收利用，所以內燃機在發(fā)電效率為0時，一次能源利用率并不為0；并且，當功率超過8 kW時，總能利用率曲線并沒有出現(xiàn)類似發(fā)電效率曲線迅速下降的趨勢，主要是因為沒有及時轉化為機械能的熱能被作為余熱回收利用。

3.2 余熱回收裝置運行特性

煙氣熱水型換熱器進口煙氣溫度隨著內燃機功率的增加迅速上升，出口煙氣溫度雖有小幅度上升，但是幅度很小，如圖15所示。其主要原因在于為保證供暖熱水的溫度穩(wěn)定，水流量增加，從而出口煙氣溫度變化不大。

圖15 換熱器進出口煙溫的變化Fig.15 Change of smoke temperature at inlet and outlet of heat exchanger

圖16 冷介質流量隨功率的變化Fig.16 Cold medium flow varying with power changes

內燃機缸套水余熱通過板式換熱器進行回收：供暖循環(huán)水作為冷介質，內燃機缸套水作為熱介質。忽略散熱損失的前提下，可認為這部分余熱全部回收利用。圖16展示的是冷介質流量隨內燃機功率的變化情況，其中冷介質經(jīng)過板式換熱器時溫升5 ℃，出口溫度為60 ℃。從圖中可看出，冷介質隨內燃機功率的增加，其流量也相應增加。在5～7 kW時，流量增加較緩慢，主要是因為內燃機發(fā)電效率增加，缸套水余熱量上升緩慢；隨后在8～10 kW時，冷介質流量增加較快，主要是因為隨著內燃機功率的增加發(fā)電效率下降，但耗油量增加，缸套水余熱量增加迅速。

3.3 制冷子系統(tǒng)運行特性

從制冷機出口水溫和環(huán)境溫度的變化出發(fā)，研究制冷機運行性能參數(shù)，即制冷系數(shù)(coefficient of performance, COP)的變化情況。

制冷機出口水溫越低，即風機盤管進口水溫降低有助于增加換熱系數(shù)，進而較低的冷水溫度可提高制冷效果。如圖17所示，出口水溫從8 ℃降低到5 ℃，制冷機COP相應的從4.48降低到3.43。在冷凝器工作環(huán)境不變時，降低出口水溫，必須同時降低蒸發(fā)器壓力，這樣會增加壓縮機功耗，即消耗電能增加。

圖17 制冷機COP隨出口水溫的變化Fig.17 Refrigerator COP varying with outlet water temperature

在保證制冷機額定出口水溫時，夏季溫度越高，相應的室內冷量需求越大，制冷機運行負荷越大。隨著環(huán)境溫度的升高，制冷機中冷凝器內冷劑與環(huán)境溫差減小，換熱效果減弱；依據(jù)能量守恒原則，蒸發(fā)器吸熱量減少；為滿足相同的冷負荷，運行時間增長，功耗增加。如圖18所示：環(huán)境溫度在28～35 ℃時，制冷機COP變化較小；環(huán)境溫度較低時，制冷機COP較高；當環(huán)境溫度達到40 ℃時，制冷機COP僅為2.7，可見較高的環(huán)境溫度制約了制冷機的高效運行。

3.4 聯(lián)供系統(tǒng)能流特性

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)可輸出3種不同形式的能量，即冷能、熱能和電能。根據(jù)用戶不同的需求，三者之間可具有不同的對應關系。以10 kW小型分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)為基礎，在設計工況及變工況下，分析系統(tǒng)不同形式輸出能之間的關系。

在冬季，設計工況下多能聯(lián)供系統(tǒng)可實現(xiàn)熱電聯(lián)供，冬季運行能流圖如圖19所示。內燃機發(fā)電機組通過利用燃料燃燒做功輸出21.1%的電能，與此同時煙氣熱水型換熱器回收輸入能中占比30.82%的內燃煙氣余熱；板式換熱器回收全部的內燃機缸套水余熱，占比21.19%，熱損失主要包括內燃機散熱損失、低溫排煙損失及摩擦損失等。在夏季，設計工況下多能聯(lián)供系統(tǒng)可實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供，夏季運行能流圖如圖20所示。即除了內燃機發(fā)電機組正常運行外，還包括制冷機輸出冷量，制冷機壓縮機功率為2 250 W、環(huán)境溫度為36 ℃時COP為3.8，輸出冷功率8 550 W，聯(lián)供系統(tǒng)回收余熱用于生活熱水。在春秋季節(jié)，聯(lián)供系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求選擇運行或停止。

圖18 制冷機COP隨環(huán)境溫度的變化Fig.18 Refrigerator COP varying with environment temperature

圖19 冬季運行能流圖Fig.19 Winter running energy flow diagram

圖20 夏季運行能流圖Fig.20 Summer energy flow diagram

變工況下，在冬季冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)同樣輸出熱電，通過調節(jié)內燃機的功率及熱水器功率，滿足用戶的變負荷需求。當用戶熱負荷增加，電負荷減小，即出現(xiàn)熱電比增大至回收余熱不足的情況，可以通過電熱水器調節(jié)，犧牲一部分高品位電能用來滿足熱負荷，如圖21所示。其能量匹配對應關系如下：

Z=α+X-Y

(1)

式中：Z為冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的輸出熱功率，W；X為冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電功率，W；Y為 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的輸出電功率，W；α為聯(lián)供系統(tǒng)回收余熱量，kJ/s。

圖21 冬季系統(tǒng)輸出功熱圖Fig.21 Winter system output work & heat diagram

變工況下，冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在夏季主要輸出冷電，通過調節(jié)制冷機及內燃機功率，滿足用戶的變負荷需求。其能量匹配對應關系如下：

式中：C為聯(lián)供系統(tǒng)的最大輸出冷功率，kW；E為聯(lián)供系統(tǒng)的最大輸出功率，kW；β為聯(lián)供系統(tǒng)中制冷機的COP。

夏季時，內燃發(fā)電機組的輸出電能主要有兩個去向，一部分驅動電壓縮式制冷機制冷；另一部分用于滿足用戶的生活用電。如圖22所示，若小型分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電功率較低時，其電能全部用于驅動制冷機，則輸出電量為0；當制冷機達到額定功率時，剩余電能全部作為用戶的生活用電，并且隨著發(fā)電功率的提高而增加。小型分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)通過制冷機輸出冷量，滿足用戶冷負荷需求。如圖23所示，制冷機額定功率2 250 W，以COP為3.8為例，隨著發(fā)電功率的增加，制冷功率最大為8 550 W。

圖22 夏季系統(tǒng)輸出電功率圖Fig.22 Summer system output power diagram

圖23 夏季系統(tǒng)輸出冷功率圖Fig.23 Summer system output cooling diagram

4 結論

通過對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究分析，得出了聯(lián)供系統(tǒng)中內燃機、制冷機等設備的運行特性以及聯(lián)供系統(tǒng)的能量匹配關系，針對以上內容的研究分析主要得出以下結論：

1) 內燃機余熱分為冷卻水余熱和排煙余熱兩部分，溫度不同，品位也不同，冷卻水溫度較低可以用作供暖；排煙溫度受功率變化影響較大，可以用來供暖、產(chǎn)蒸汽及驅動溴化鋰吸收式機組等。同時，排煙余熱占比較大，合理利用有助于提高能源的利用效率。

2) 小型分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收裝置主要有煙氣熱水型換熱器、板式換熱器，其中煙氣熱水型換熱器運行性能良好，可實現(xiàn)較低的排煙溫度，而板式換熱器能回收全部的缸套水余熱。

3) 小型分布式多能聯(lián)供系統(tǒng)最大輸出電功率10.2 kW、最大制熱功率35.5 kW、最大制冷功率8 550 W；同時在夏季運行時，由于采用電壓縮式制冷機制冷，三聯(lián)供系統(tǒng)輸出的電功率和冷功率互相影響。