燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)余熱利用研究

摘 要：對(duì)燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)中的余熱產(chǎn)生情況和利用方式進(jìn)行分析，探討了各種余熱利用設(shè)備的配置原則，以此實(shí)現(xiàn)能源利用效率的最大化。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；內(nèi)燃機(jī)；余熱利用

燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)簡(jiǎn)稱CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），是天然氣高效利用的最佳途徑，通過(guò)能源梯級(jí)利用的方式，就近滿足用戶冷、熱、電、生活熱水等各種負(fù)荷的需求。具有能效利用合理、損耗小、污染少、運(yùn)行靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。

據(jù)測(cè)算，燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)中，燃料的能量轉(zhuǎn)化為電能的比列僅占到約35%。剩余能量中，隨煙氣排出的約為30%，隨發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水帶走的約為25%，設(shè)備機(jī)身散發(fā)等途經(jīng)損失約為10%?？傮w來(lái)看，通過(guò)煙氣和換熱器損失的能量比做的有用功還要多。為了提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，必須對(duì)這部分能量加以綜合利用，這便是能源梯級(jí)利用的由來(lái)。

如何對(duì)系統(tǒng)發(fā)電后的余熱進(jìn)行有效回收利用，成為推動(dòng)燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文對(duì)不同種類余熱利用設(shè)備的特點(diǎn)和選用原則進(jìn)行了分析和討論。

1 余熱能量分析

燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)的動(dòng)力裝置主要分為燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)。

（1）燃?xì)廨啓C(jī)屬于旋轉(zhuǎn)葉輪式流體機(jī)械，通過(guò)壓氣機(jī)將空氣逐級(jí)增壓，送到燃燒室與噴入的燃?xì)饣旌先紵筛邷馗邏旱臍怏w，并在透平中膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其發(fā)電效率約20～38%。采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，將燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣引入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)后，發(fā)電效率可提高到約50%。燃?xì)廨啓C(jī)的余熱形式為煙氣，煙氣溫度400～650℃。余熱利用可考慮回收煙氣用來(lái)制冷，煙氣也可以進(jìn)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再供熱或制冷。

（2）內(nèi)燃機(jī)屬于往復(fù)活塞式運(yùn)動(dòng)機(jī)械，燃料與空氣混合后，在汽缸內(nèi)燃燒爆炸，推動(dòng)活塞做功，并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其發(fā)電效率約35～47%。下表列出了GE公司主流內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)。

從表中可以看出，內(nèi)燃機(jī)將天然氣化學(xué)能轉(zhuǎn)化的效率約90%，但其中僅一半轉(zhuǎn)化為電能，另一半則是以余熱的形式存在。

內(nèi)燃機(jī)的余熱形式為煙氣、冷卻水，其中煙氣溫度400～600℃，缸套冷卻水80～110℃，中冷器、潤(rùn)滑油冷卻水40～65℃。余熱利用可考慮回收煙氣和各部件冷卻水用于制冷或供熱。

2 余熱利用方式

余熱利用方式可分為熱交換式和吸收式。其中熱交換式是通過(guò)利用余熱的焓，將其能量交換出來(lái)，轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，主要設(shè)備有余熱鍋爐、板式換熱器等；吸收式是通過(guò)利用余熱的，綜合考慮其熱量及品質(zhì)，將低品位的能量轉(zhuǎn)化到另一介質(zhì)中存在，主要設(shè)備有吸收式制冷、吸收式熱泵等。

余熱鍋爐是利用燃?xì)廨啓C(jī)做功后排出的尾氣，對(duì)水進(jìn)行加熱產(chǎn)生蒸汽。根據(jù)不同的蒸汽參數(shù)，可以用來(lái)推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)，也可用于生產(chǎn)工藝中的加熱，或是供生活取暖用。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，液體（或氣體）與液體通過(guò)板片進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)能量由余熱傳遞到熱媒水，供生活熱水或空調(diào)使用。

吸收式冷（熱）水機(jī)組種類較多，根據(jù)所需余熱的種類不同，可分為熱水型機(jī)組、蒸汽型機(jī)組、煙氣型機(jī)組、煙氣熱水型機(jī)組等，并且可根據(jù)需要增加燃?xì)庋a(bǔ)燃設(shè)施作為輔助驅(qū)動(dòng)熱源。其主要原理是以水為制冷劑、溴化鋰溶液為吸收劑，利用溴化鋰對(duì)水蒸氣極強(qiáng)的吸附能力，讓水在真空環(huán)境下蒸發(fā)吸熱，從而根據(jù)需要制取冷、熱水，供空調(diào)系統(tǒng)使用。

3 余熱利用設(shè)備配置原則

余熱利用設(shè)備的配置，需要綜合考慮發(fā)電機(jī)組種類、熱效率、余熱品質(zhì)、冷熱需求等參數(shù)，將不同特性的設(shè)備系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用。下圖為典型的內(nèi)燃機(jī)組余熱綜合利用系統(tǒng)原理。

在配置方式上，應(yīng)遵循以下原則：

（1）匹配負(fù)荷原則。分布式能源系統(tǒng)的核心特點(diǎn)是能源在用戶端就近利用，減少長(zhǎng)距離輸送的損失。所用燃機(jī)及余熱利用設(shè)備的容量按照平均負(fù)荷配置。盡量做到電量自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)，余熱最大化利用。在負(fù)荷高峰期可采用常規(guī)用電設(shè)備進(jìn)行調(diào)峰，如電空調(diào)、熱泵等。

（2）余熱優(yōu)先原則。按照以熱定電的原則，優(yōu)先保證機(jī)組余熱優(yōu)先利用，以此配置發(fā)電機(jī)組容量，確保發(fā)電量、余熱量與需求匹配良好，沒(méi)有發(fā)電能力閑置或余熱量的浪費(fèi)，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能源綜合利用效率的最大化。

（3）靈活搭配原則。需要緊密結(jié)合建筑功能，分析冷、熱負(fù)荷的特點(diǎn)，特別是過(guò)渡季負(fù)荷的變化，靈活選用直接或間接的換熱工藝。對(duì)于一般公共建筑，考慮直接供冷供熱的余熱吸收式空調(diào)機(jī)組，雖然只能提供常規(guī)冷熱需求，但是熱效率更高。如果有蒸汽需求則要考慮采用余熱蒸汽鍋爐，這種間接連接的供能方式，可以供應(yīng)蒸汽，也可通過(guò)板式換熱器供熱，還可與蒸汽型吸收式機(jī)組配合供冷，負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)，但是綜合效率不及直接連接方式。

（4）簡(jiǎn)潔高效原則。能源轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)越多，損耗越大，同時(shí)工藝復(fù)雜，對(duì)控制的要求也越高。簡(jiǎn)潔合理的工藝流程，配以高水平的自控和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能提升設(shè)備的可靠性，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

4 結(jié)論

燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)的余熱主要以煙氣和冷卻水的形式存在，其能量占到天然氣燃燒能量的一半。隨著環(huán)保要求逐漸嚴(yán)格，提高能源利用效率，降低燃料消耗，已成為行業(yè)的共識(shí)，也是燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用冷熱電聯(lián)供的方式，將余熱梯級(jí)利用后，綜合能源利用效率可提升到70%以上。

余熱利用設(shè)備有熱交換型和吸收型，各自有不同的特點(diǎn)和適用范圍。而燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，取決于如何將系統(tǒng)自發(fā)電以及發(fā)電余熱的效率最大化發(fā)揮。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合負(fù)荷需求情況，針對(duì)不同余熱利用設(shè)備的特性進(jìn)行合理組合搭配。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉凡（1987-），男，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，長(zhǎng)期從事發(fā)電廠熱機(jī)設(shè)備管理工作。