天然氣熱電聯(lián)供高效余熱回收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

王 華， 閻維平， 孟 巖， 趙子?xùn)|， 王志峰， 宿新天

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定市金能換熱設(shè)備有限公司，河北 保定 071000)

天然氣熱電聯(lián)供高效余熱回收系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

王 華1， 閻維平1， 孟 巖1， 趙子?xùn)|1， 王志峰1， 宿新天2

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.保定市金能換熱設(shè)備有限公司，河北 保定 071000)

為了提高熱電聯(lián)供系統(tǒng)余熱利用率，為大型工程提供可靠技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)目前熱電聯(lián)供技術(shù)研究多于理論分析而少有應(yīng)用實(shí)踐研究的現(xiàn)狀，搭建一個(gè)高效余熱回收的天然氣內(nèi)燃機(jī)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)，分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缸套水余熱回收性能、煙氣余熱回收性能與能效分析，并與常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果表明：新型熱電聯(lián)供系統(tǒng)充分回收系統(tǒng)余熱，提高系統(tǒng)的綜合利用率和相對(duì)節(jié)能率;實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)利用，有很大的節(jié)能潛力。

余熱回收； 熱電聯(lián)供； 實(shí)驗(yàn)； 節(jié)能

0 引言

熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的綜合梯級(jí)利用以及面向用戶需求就地生產(chǎn)，降低遠(yuǎn)距離輸送損耗和提高能源利用率，減少污染物排放，打破傳統(tǒng)單一供電、供熱或供冷的方式，提高能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有小型化、削峰填谷、緩和電力緊張、能源安全、輸送距離近、能量損失小、節(jié)能環(huán)保、負(fù)荷變化靈活對(duì)效率影響小等顯著優(yōu)點(diǎn)[1-4]，具有廣闊市場(chǎng)應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)或微型燃?xì)廨啓C(jī)為主要?jiǎng)恿ρb置，其中內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組因技術(shù)成熟、價(jià)格低廉和發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于聯(lián)供系統(tǒng)[5-6]。

天然氣是高品質(zhì)清潔燃料，燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣，水蒸氣的汽化潛熱占天然氣低熱值的比例達(dá)到10%～11%，當(dāng)煙氣中水蒸氣冷凝到30～40 ℃時(shí)才取得較好的熱回收效果，但是在我國(guó)的集中供熱領(lǐng)域，熱網(wǎng)回水溫度一般在50 ℃以上，天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用氣-水換熱器回收煙氣中的熱量，排煙溫度一般在80 ℃以上，達(dá)不到充分回收煙氣冷凝熱的目的，因此水蒸氣的汽化潛熱的有效利用對(duì)節(jié)能和提高經(jīng)濟(jì)性都有重要意義[7-9]。

內(nèi)燃機(jī)缸套冷卻水出口溫度一般低于100 ℃，這部分能量品位低，但數(shù)量較大，占輸入天然氣低熱值的30%～40%；缸套水換熱器很難對(duì)缸套水低品位余熱進(jìn)行高效利用，甚至棄用這部分熱量，從而未最大程度彰顯熱電聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能性[10-11]。

可采用煙氣-水換熱器和暖風(fēng)器組合的方式充分回收煙氣冷凝熱，高溫?zé)煔舛蔚娘@熱利用煙氣-水換熱器回收，中低溫?zé)煔舛蔚臐摕岷惋@熱利用暖風(fēng)器回收；采用煙氣-水換熱器、內(nèi)燃機(jī)缸套、熱用戶的水循環(huán)供熱技術(shù)，利用低品質(zhì)缸套水余熱。從而實(shí)現(xiàn)了水循環(huán)供熱和熱風(fēng)供熱，這種新型的能源系統(tǒng)稱為高效余熱回收的天然氣內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱高效的熱電聯(lián)供系統(tǒng))。新型系統(tǒng)增設(shè)一個(gè)暖風(fēng)器的同時(shí)減少一個(gè)缸套水換熱器，不會(huì)增加系統(tǒng)初投資，提高了系統(tǒng)的能源利用率。

本文搭建20 kW高效熱回收的天然氣內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)缸套水低品質(zhì)余熱利用性能、煙氣余熱回收性能分析，并與常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠運(yùn)行，提高了能源利用率。20 kW熱電聯(lián)供系統(tǒng)供熱面積可達(dá)到817 m2，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接推廣到示范工程應(yīng)用。

1 高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)

圖1給出典型常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程圖[12-17]。常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)煙氣余熱利用主要依靠在內(nèi)燃機(jī)排煙系統(tǒng)中安裝的煙氣-水換熱器，通過(guò)水的導(dǎo)熱介質(zhì)吸熱以提供采暖供熱熱水，換熱后的煙氣溫度在80 ℃左右；缸套水余熱利用一般采用缸套水換熱器，通過(guò)水的導(dǎo)熱介質(zhì)吸熱以提供生活熱水或供熱熱水等用途。

高效的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的原理如圖2所示，基于常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，本文提出的高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)由天然氣內(nèi)燃機(jī)組、煙氣-水換熱器、暖風(fēng)器、并網(wǎng)系統(tǒng)和熱用戶組成，其中采用空器冷卻器作為模擬熱用戶，圍繞正壓運(yùn)行，利用煙囪自吸力排煙，可不采用引風(fēng)機(jī)，節(jié)約廠內(nèi)用電。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用液態(tài)天然氣(LNG)，其熱值為3.3×104kJ/Nm3。

圖1 常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

圖2 高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程圖

天然氣在天然氣內(nèi)燃機(jī)中燃燒，產(chǎn)生的機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功進(jìn)行發(fā)電；內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)排煙管道輸送到煙氣-水換熱器，加熱用戶供暖回水，加熱后經(jīng)循環(huán)水管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，與缸套水混合換熱，發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻水出水對(duì)用戶進(jìn)行供熱，形成用戶得到熱量的水循環(huán)熱源。

煙氣在煙氣-水換熱器中熱交換后再經(jīng)煙氣管道輸送到暖風(fēng)器中與空氣進(jìn)行熱交換，經(jīng)排煙管道通過(guò)煙囪排向大氣，冷空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入暖風(fēng)器中加熱，加熱后的熱空氣直接通入到用戶，形成用戶得到熱量的熱風(fēng)熱源。

該系統(tǒng)為了深度回收煙氣余熱，在煙氣-水換熱器后加設(shè)暖風(fēng)器，暖風(fēng)器采用煙氣加熱空氣的方式回收了煙氣的汽化潛熱，降低了排煙溫度，同時(shí)收集了煙氣中部分水分；為了最大限度地增加低品質(zhì)缸套冷卻水余熱的利用，取消了缸套水換熱器，將內(nèi)燃機(jī)缸套、煙氣-水換熱器、用戶組成一個(gè)水循環(huán)利用系統(tǒng)，循環(huán)水與缸套冷卻水混合傳熱。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣內(nèi)燃機(jī)組余熱的充分回收，充分體現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，大大提高天然氣能源的利用率，提高聯(lián)供系統(tǒng)的能源綜合利用效率。

天然內(nèi)燃機(jī)組為源端設(shè)備，熱電聯(lián)供系統(tǒng)的主要設(shè)備，其他設(shè)備本文不做介紹。天然氣內(nèi)燃機(jī)組為康明斯HQC20GF型號(hào)機(jī)組，該機(jī)組為自然吸氣式4缸4沖程，其中額定工況性能參數(shù)：轉(zhuǎn)速 1 500 r/min，排煙溫度550 ℃，電力輸出20 kW等。

2 高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能

2.1 熱力性能計(jì)算

2.1.1 系統(tǒng)輸入熱量

天然氣輸入總熱量Qin[18]：

Qin=f·Hu

(1)

式中：f為內(nèi)燃機(jī)天然耗氣流量，Nm3/h；Hu為天然氣低位發(fā)熱量，kJ/Nm3，本實(shí)驗(yàn)所用天然氣低溫發(fā)熱量為3.3×104kJ/Nm3。

2.1.2 煙氣余熱利用

煙氣余熱回收熱量Qy為[19]：

Qy=Gy·(Ii-Io)+Qq

(2)

加熱熱水的有效吸收熱量為：

Qw1=Gw·Cpw·(tw1o-tw1i)

(3)

加熱空氣的有效吸收熱量為：

Qk=Gk·(Iko-Iki)

(4)

式中：Gy，Gk為排煙流量和空氣流量，Nm3/h；Gw為水流量，kg/h；Ii，Io為煙氣進(jìn)出口焓，kJ/m3；Iko，Iki為空氣加熱器空氣進(jìn)出口焓，kJ/m3；Qq為煙氣潛熱，kJ；Cpw為水的定壓比熱值，J/(k·℃)。

2.1.3 缸套水熱利用

缸套水利用熱量Qw[20]：

Qw=Gw·Cpw·(two-twi)·ηh

(5)

式中：Gw為水流量，kg/h；Cpw為水的定壓比熱，J/(k·℃)；twi，two分別為缸套水進(jìn)出口溫度，℃；ηh為缸套水換熱器效率，%，本文ηh取80%。

2.2 一次能源利用率

煙氣余熱回收利用率ηy為：

ηy=(Qw1+QK)/Qin

(6)

缸套水余熱回收利用率ηw為：

ηw=Qw/Qin

(7)

本熱電聯(lián)供系統(tǒng)一次能源利用率計(jì)算式為[21]：

(8)

式中：Pe為聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，kW；ηy為煙氣余熱利用率，%；ηw為缸套水熱利用率，%；PER為一次能源利用率，%。

2.3 相對(duì)節(jié)能率

熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能率[22]計(jì)算式：

(9)

式中：fre為分產(chǎn)系統(tǒng)的總?cè)剂狭浚琋m3；f為聯(lián)供系統(tǒng)輸入的一次燃料總量，Nm3；Hu為燃料低位發(fā)熱值，kJ/Nm3；ηeg為電網(wǎng)的平均效率，%；ηb為鍋爐的效率，%。本文分產(chǎn)系統(tǒng)采用火電廠為電力輸出，ηeg為33.3%鍋爐和城市熱網(wǎng)為供熱輸出，ηb為90%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

某典型時(shí)段，高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)試驗(yàn)中測(cè)得煙氣參數(shù)及熱電聯(lián)供系統(tǒng)水、空氣溫度如表1、圖3所示，此時(shí)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率20kW，煙氣-水換熱器進(jìn)出口溫度為50.5 ℃/67 ℃，缸套水進(jìn)出口溫度為67 ℃/84 ℃。暖風(fēng)器煙氣進(jìn)口即煙氣-水換熱器排除的煙氣溫度為52.2 ℃，暖風(fēng)器排出溫度約為38 ℃。

圖3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)水、空氣溫度

項(xiàng)目單位結(jié)果煙氣-水換熱器進(jìn)出口溫度℃5789/522暖風(fēng)器進(jìn)出口溫度℃522/38煙氣流量Nm3/h1015

根據(jù)表1、圖3所示實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及式(1)，計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率20 kW時(shí)熱力學(xué)參數(shù),如表2所示熱電聯(lián)供系統(tǒng)基本熱力參數(shù)。

由式(2)～(5)可得出熱電聯(lián)供系統(tǒng)余熱回收情況如表3所示，熱電聯(lián)供系統(tǒng)缸套水熱有效利用熱為23.14 kW，煙氣余熱回收熱量為26.45 kW，其中，煙氣-水換熱器回收煙氣余熱23.18 kW、煙氣余熱有效利用熱22.46 kW，暖風(fēng)器回收煙氣余熱量為4.54 kW、煙氣余熱有效利用熱為3.99 kW。

表2 熱電聯(lián)供系統(tǒng)基本熱力參數(shù)

表3 余熱能量利用計(jì)算結(jié)果

常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，通常依靠?jī)?nèi)燃機(jī)排煙系統(tǒng)中安裝的煙氣-水換熱器回收煙氣余熱用于供熱，排煙溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度，為100 ℃左右；缸套水余熱利用一般采用缸套水換熱器，通過(guò)水的導(dǎo)熱介質(zhì)吸熱以提供生活熱水或供熱熱水等用途。

根據(jù)以上情況，高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)與常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的參數(shù)與高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)相同，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電功率為 20 kW，煙氣入口溫度為578.9 ℃，缸套水進(jìn)出口溫度為67 ℃/84 ℃。

常規(guī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)缸套水熱有效利用熱為18.512 kW，相對(duì)于高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)降低4.628 kW；常規(guī)系統(tǒng)煙氣余熱回收熱量19.9 kW，相對(duì)于高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)余熱利用量降低6.55 kW。

由式(6)～(9)可得一次能源利用率和相對(duì)節(jié)能率，如圖4、圖5所示。高效熱電聯(lián)供一次能源利用率85.3%，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)增加13.7%，其中缸套水、煙氣余熱利用率分別增加5.66%和8.04%；高效熱電聯(lián)供相對(duì)燃料量為12.08 Nm3，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)增加1.36 Nm3；新型熱電聯(lián)供相對(duì)節(jié)能率為26.3%，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)增加9.3%。

圖4 余熱回收利用率和一次能源利用率

圖5 相對(duì)燃料量與節(jié)能率對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，即高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)，搭建20 kW高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本文的試驗(yàn)工況下:

(1)高效熱電聯(lián)供系統(tǒng)缸套水余熱回收為23.14 kW，煙氣余熱回收熱量為26.45 kW，與常規(guī)系統(tǒng)相比，缸套水余熱回收增加4.628 kW，煙氣余熱回收量增加6.55 kW。

(2)高效熱電聯(lián)供一次能源利用率85.3%，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)增加13.7%，其中缸套水、煙氣余熱利用率分別增加5.66%和8.04%；高效熱電聯(lián)供相對(duì)節(jié)能率為26.3%，相對(duì)于常規(guī)系統(tǒng)增加9.3%

該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究表明，充分回收系統(tǒng)余熱，提高了系統(tǒng)的綜合利用率，20 kW熱電聯(lián)供系統(tǒng)供熱面積可達(dá)到817 m2，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接推廣到示范工程應(yīng)用。

[1] 付林，李輝．天然氣熱電冷聯(lián)供技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008:2-13.

[2] 胡燕飛, 吳靜怡, 李勝. 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 37(1):5-9.

[3] 楊干, 翟曉強(qiáng), 鄭春元,等. 國(guó)內(nèi)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015,66(S2):1-9.

[4] 金紅光, 隋軍, 徐聰,等. 多能源互補(bǔ)的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)理論與方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(12):3150-3160.

[5] 皇甫藝, 吳靜怡, 王如竹,等. 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成式熱管理器的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(8):64-69.

[6] 曲順利. 天然氣分布式能源應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 煤炭化工，2017，40(2)：10-12.

[7] 任治俊，蔣建文，向文敏，等. 天然氣分布式能源項(xiàng)目系統(tǒng)優(yōu)化研究[J]. 中國(guó)能源，2017，39(1)：41-43.

[8] WU D W,WANG R Z. Combined cooling，heating and power: A review[J].Progress in Energy and Combustion Science，2006,32(5):459-495．

[9] 冉娜. 國(guó)內(nèi)外分布式能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J] ．經(jīng)濟(jì)論壇，2013(10):174-176.

[10] 蔣潤(rùn)花，楊曉西，楊敏林，等．內(nèi)燃機(jī)缸套水低溫余熱驅(qū)動(dòng)除濕機(jī)組實(shí)驗(yàn)研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào), 2014,35(12):2338-2342.

[11] 蔣潤(rùn)花, 楊曉西, 楊敏林,等．內(nèi)燃機(jī)分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 節(jié)能技術(shù)，2012，30(2):127-130.

[12] 張圣陶. 天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析及系統(tǒng)優(yōu)化[D].保定：華北電力大學(xué)，2015．

[13] 張士杰, 李宇紅, 葉大均. 燃機(jī)熱電冷聯(lián)供自備電站優(yōu)化配置研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(10):183-188.

[14] 趙峰, 張承慧, 孫波,等. 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的三級(jí)協(xié)同整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(15):3785-3793.

[15] 熊焰, 吳杰康, 王強(qiáng),等. 風(fēng)光氣儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電的冷熱電聯(lián)供優(yōu)化協(xié)調(diào)模型及求解方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(14):3616-3625.

[16] 王江江. 樓宇級(jí)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化及多屬性綜合評(píng)價(jià)方法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012．

[17] 荊有印, 白鶴, 張建良. 太陽(yáng)能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(20):82-87.

[18] 聶勇, 朱鵬. 燃?xì)忮仩t煙氣余熱利用與凝結(jié)水回收探討[J].區(qū)域供熱,2015(3):64-69.

[19] 代憲亞, 茅大鈞. 分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2017,32(1):55-64.

[20] JOHAR D K, SHARMA D, SONI S L, et al. Experimental investigation and exergy analysis on thermal storage integrated micro-cogeneration system[J]. Energy Conversion and Management, 2017,131(1):127-134.

[21] 李輝. 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐研究[D].北京：清華大學(xué)，2006.

[22] Li H, Fu L, GENG K C, et al. Energy utilization evaluation of CCHP systems[J].Energy & Building. 2006, 38(3): 253-257.

Experimental Study on Natural Gas Internal Combustion Engine

WANG Hua1， YAN Weiping1， MENG Yan1， ZHAO Zidong1， WANG Zhifeng1， SU Xintian2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2. Baoding Jinneng Heat Transfer Equipment Company, Baoding 071000, China)

In order to improve the waste heat utilization ratio of the cogeneration system and provide a reliable technical basis for large-scale projects as well, aiming at the situation of fewer researches on practical application of the cogeneration technology,an experimental platform of natural gas engine cogeneration system with high efficiency waste heat recovery is set up. The thermodynamic parameters were measured, and the cylinder water waste heat utilization heat performance and exhaust gas utilization performance of the experimental system are analyzed, and are then compared with those of the conventional cogeneration system. The results show that the new cogeneration system can fully make use of the waste heat of the recovery system, what’s more, it can improve the comprehensive utilization of the system and the relative energy saving rate. The realization of energy cascade utilization shows great potential for energy conservation.

waste heat recovery; cogeneration system; experimental study; energy conservation

2017-06-29。

保定市科技創(chuàng)新項(xiàng)目(15G07)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.009

TK01

A

1672-0792(2017)11-0049-05

王華(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊粴鉄犭娐?lián)供。