微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)建模及熱力學(xué)分析

謝 娜，韓高巖，呂洪坤，國(guó)旭濤，孫五一，劉 虎

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展了十多年，是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。該供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合了發(fā)電、制冷和供熱的多種能源，采用以天然氣為主的一次能源，利用燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，并回收排煙的低品質(zhì)余熱進(jìn)行制冷、供暖或供生活熱水，從而實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)系統(tǒng)，提高一次能源的利用率，提高系統(tǒng)的效率，具有能效高、損耗小、污染小的優(yōu)點(diǎn)。近幾年，國(guó)內(nèi)的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度較快，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、能源站、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)中心、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、大學(xué)城、辦公大樓等，其中微型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微燃機(jī)”）冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用還處在發(fā)展階段[2-3]。因此，微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的研究工作對(duì)于推動(dòng)我國(guó)分布式能源的發(fā)展具有實(shí)際意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者分別對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。黃河清等人[4]對(duì)分布式能源系統(tǒng)（內(nèi)燃機(jī)+煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組）進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過(guò)EES 軟件計(jì)算了空氣燃料比和環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響；秦朝葵等人[5]搭建了微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供實(shí)驗(yàn)機(jī)組，通過(guò)原理、公式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析；史航等人[6]對(duì)微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，確定了各組件的熱力學(xué)過(guò)程和損失計(jì)算方法。

在學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文基于Ebsilon 穩(wěn)態(tài)仿真平臺(tái)，針對(duì)某辦公大樓的微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，結(jié)合微燃機(jī)的相關(guān)性能曲線進(jìn)行建模，計(jì)算了在不同工況下系統(tǒng)的一次能源利用率和效率，并用該模型對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行分析，可對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)工作原理

某辦公大樓微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)選用美國(guó)CAPTON-C200 型微燃機(jī)，額定輸出功率為200 kW；熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組，額定制冷量為212 kW；熱水換熱器，額定供熱量262 kW。其主要原理是天然氣進(jìn)入微燃機(jī)透平做功，燃燒后排放的280 ℃高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱水換熱器制取90 ℃熱水，夏季工況下，系統(tǒng)為冷電聯(lián)供系統(tǒng)，熱水進(jìn)入熱水型溴化鋰機(jī)組進(jìn)行余熱回收制冷，溴化鋰機(jī)組由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器、溶液泵、冷劑泵、抽排氣裝置等組成。冬季工況下，系統(tǒng)為熱電聯(lián)供系統(tǒng)，熱水不進(jìn)入溴化鋰機(jī)組，通過(guò)旁路進(jìn)入大樓供熱管網(wǎng)，系統(tǒng)如圖1 所示。

2 模型搭建

2.1 仿真模型假定

圖1 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

本仿真模型包括微燃機(jī)機(jī)組、溴化鋰制冷機(jī)組和熱水換熱器的仿真。其中，微燃機(jī)是基于廠家的特性數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行模擬的。而溴化鋰吸收式制冷機(jī)組和熱水換熱器的仿真模型為了簡(jiǎn)化，進(jìn)行如下假定[7-8]：

（1）系統(tǒng)處于熱平衡和穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

（2）吸收器和發(fā)生器出口的溴化鋰-水溶液處于飽和狀態(tài)。

（3）冷凝器和蒸發(fā)器出口的制冷劑處于相應(yīng)壓力下的飽和狀態(tài)。

（4）節(jié)流前后工質(zhì)的焓值不變。

（5）吸收器的壓力等于蒸發(fā)器的壓力，發(fā)生器的壓力等于冷凝器的壓力。

（6）不考慮溶液泵和冷劑泵做功。

（7）因?yàn)楣艿垒^短、有保溫，不考慮管道阻力及散熱損失。

2.2 模型搭建

首先，在Ebsilon 軟件界面選擇設(shè)備，包括燃?xì)廨啓C(jī)Gas turbine 元件、熱水換熱器Heat exchanger 元件、發(fā)生器Rectifier 元件、冷凝器Condenser 元件、節(jié)流閥Control valve 元件、蒸發(fā)器Evaporator 元件、吸收器Absorber 元件、溶液熱交換器Air preheater 元件、溶液泵Pump 元件等。其次，進(jìn)行必要的參數(shù)輸入來(lái)完成系統(tǒng)質(zhì)量、能量平衡計(jì)算，本系統(tǒng)計(jì)算需要輸入的參數(shù)分兩部分，物流部分包括：微燃機(jī)進(jìn)口空氣的溫度、壓力，微燃機(jī)進(jìn)口天然氣的溫度、壓力、熱值，熱水換熱器進(jìn)口煙氣的溫度，熱水換熱器出口煙氣的溫度、壓力，熱水換熱器進(jìn)口熱水的溫度、壓力、流量，冷卻水進(jìn)口的溫度、壓力、流量，冷卻水出口的溫度，冷凍水進(jìn)口的溫度、壓力、流量，冷凍水出口的溫度；設(shè)備部分包括：冷凝器的冷凝壓力，蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力，吸收器的吸收溫度，發(fā)生器的發(fā)生溫度，溶液熱交換器的換熱溫差等。

結(jié)合微燃機(jī)的性能曲線，軟件可以計(jì)算出微燃機(jī)的輸出功率、排煙溫度和排煙流量，進(jìn)而可以計(jì)算微燃機(jī)煙氣的可利用余熱。仿真模型不考慮設(shè)備的熱量損失，則夏季冷電聯(lián)供時(shí)，發(fā)生器的吸熱量等于熱水換熱器的換熱量；冬季熱電聯(lián)供時(shí)，系統(tǒng)的供熱量等于熱水換熱器的換熱量。仿真模型中的微燃機(jī)和溴化鋰機(jī)組通過(guò)控制器元件建立關(guān)系，通過(guò)調(diào)整發(fā)生器產(chǎn)生的蒸氣流量使發(fā)生器的吸熱量等于熱水換熱器的換熱量。設(shè)計(jì)工況的模擬流程見(jiàn)圖2。微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)工況系統(tǒng)各物流主要節(jié)點(diǎn)的熱力參數(shù)，見(jiàn)表2。通常軟件模擬的誤差要求在3%～5%，由表1 可知，本次系統(tǒng)模型的模擬值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差小于5%，可以認(rèn)為此模型合理。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學(xué)評(píng)價(jià)方法已經(jīng)比較成熟[9-10]，主要是熱量分析法[11]和分析法[12-13]。

熱量分析法是基于熱力學(xué)第一定律，評(píng)價(jià)指標(biāo)為一次能源利用率，可按下式計(jì)算，即：

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：VH為燃料的高位發(fā)熱量；e 為氣體燃料的比。

圖2 設(shè)計(jì)工況下模擬流程

表2 設(shè)計(jì)工況下各物流主要熱力參數(shù)

對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)體系，輸入與輸出之間的 平衡按式（4）計(jì)算：

式中：Ein和Eout分別為穿過(guò)體系邊界的輸入和輸出；Iint為內(nèi)部損失。

式中：Eg和Ey分別為體系在能量轉(zhuǎn)變過(guò)程中的收益和支付。

式中：E1和E2分別表示天然氣物理、空氣物理；e 表示天然氣的比化學(xué)；M1表示天然氣流量；E20表示冷凍水進(jìn)入系統(tǒng)的；E17表示冷卻水進(jìn)入系統(tǒng)的；W 表示微燃機(jī)電功率；E4表示煙氣排出系統(tǒng)的；E21表示冷凍水流出系統(tǒng)的；E19表示冷卻水流出系統(tǒng)的；Iint則表示系統(tǒng)的內(nèi)部損失；Iout表示系統(tǒng)的外部損失。

3 熱力學(xué)分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

實(shí)際運(yùn)行中，環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響較大。通過(guò)Ebsilon 對(duì)微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)模型進(jìn)行變工況計(jì)算。環(huán)境溫度在24～38 ℃，辦公樓需要供冷，此時(shí)系統(tǒng)為冷電聯(lián)供，主要設(shè)備包括微燃機(jī)、熱水換熱器和溴化鋰制冷機(jī)組。當(dāng)環(huán)境溫度在（-10）～24℃，系統(tǒng)切換為熱電聯(lián)供，供應(yīng)生活熱水或制熱，主要運(yùn)行的設(shè)備只有微燃機(jī)和熱水換熱器。圖3 所示為冷電聯(lián)供時(shí)微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與環(huán)境溫度的關(guān)系，圖4 所示為冷電聯(lián)供時(shí)煙氣可利用余熱、制冷量和微燃機(jī)發(fā)電量與環(huán)境溫度的關(guān)系。從圖3、圖4可知，環(huán)境溫度從24 ℃變化到38 ℃，輸入系統(tǒng)的燃料總熱量從652.4 kW 降低為591.2 kW，微燃機(jī)的熱效率從0.304 降低為0.292，發(fā)電量從198.3 kW 降低到172.6 kW，制冷量從226.5 kW升高為229.1 kW，系統(tǒng)的一次能源利用率從0.652 升高到0.68。結(jié)合式（1）可知，雖然微燃機(jī)的熱效率降低，發(fā)電量降低，但是輸入系統(tǒng)的燃料總熱量降幅更大，即系統(tǒng)輸出能量的總和比輸入系統(tǒng)的燃料總熱量的降幅小，因此系統(tǒng)的一次能源利用率升高。

圖3 微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與環(huán)境溫度的關(guān)系（冷電聯(lián)供）

圖4 煙氣可利用余熱、制冷量、燃料總熱量和微燃機(jī)發(fā)電量與環(huán)境溫度的關(guān)系（冷電聯(lián)供）

圖5 微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與環(huán)境溫度的關(guān)系（熱電聯(lián)供）

圖6 煙氣可利用余熱、燃料總熱量、微燃機(jī)發(fā)電量與環(huán)境溫度的關(guān)系（熱電聯(lián)供）

圖5 所示為熱電聯(lián)供時(shí)微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與環(huán)境溫度的關(guān)系，圖6 所示為熱電聯(lián)供時(shí)煙氣可利用余熱、制冷量和微燃機(jī)發(fā)電量與環(huán)境溫度的關(guān)系。從圖5、圖6 可知，環(huán)境溫度從-10 ℃變化到24 ℃，輸入系統(tǒng)的燃料總熱量從625 kW 增加到654.5 kW，微燃機(jī)的熱效率從0.32 降低到0.304，發(fā)電量基本保持不變，供熱量從210.53 kW 升高為285.2 kW，系統(tǒng)的一次能源利用率從0.664 升高到0.742。結(jié)合式（1）可知，系統(tǒng)輸出能量的總和比輸入系統(tǒng)的燃料總熱量的增幅大，因此系統(tǒng)的一次能源利用率升高。當(dāng)環(huán)境溫度大于8 ℃時(shí)，系統(tǒng)的一次能源利用率大于70%。

由于環(huán)境溫度升高會(huì)影響微燃機(jī)天然氣和空氣的進(jìn)量，所以對(duì)微燃機(jī)的發(fā)電量影響較大。當(dāng)環(huán)境溫度低于25 ℃時(shí)，微燃機(jī)的發(fā)電量基本不變。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)工況可知，在冷電聯(lián)供下，系統(tǒng)能提供的制冷量大于設(shè)計(jì)冷負(fù)荷（212 kW），為了保證系統(tǒng)有較大的能源利用率，應(yīng)充分利用系統(tǒng)制取的冷量，可通過(guò)蓄冷罐蓄存多余的冷量；在熱電聯(lián)供下，當(dāng)環(huán)境溫度低于12 ℃時(shí)，系統(tǒng)能提供的供熱量小于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷（262 kW），為了保證大樓的熱需求供應(yīng)，需要通過(guò)鍋爐、熱泵等設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 微燃機(jī)負(fù)荷率變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響

微燃機(jī)負(fù)荷率變化后，煙氣可利用的余熱也隨之改變，進(jìn)而影響系統(tǒng)的制冷或制熱情況。系統(tǒng)在冷電聯(lián)供模式下，取環(huán)境溫度為32 ℃，當(dāng)微燃機(jī)負(fù)荷率在30%～100%變化時(shí)，微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與微燃機(jī)發(fā)電負(fù)荷率的關(guān)系如圖7 所示，煙氣可利用余熱、制冷量隨微燃機(jī)發(fā)電量的變化情況見(jiàn)圖8。微燃機(jī)從滿(mǎn)負(fù)荷降低到30%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，微燃機(jī)熱效率從0.30 降低到0.24，發(fā)電量從183.21 kW 降低到54.96 kW，制冷量從228.77 kW 降低到82.37 kW，系統(tǒng)一次能源利用率從0.669 降低為0.603。從圖7 可知，當(dāng)微燃機(jī)負(fù)荷率在1.0～0.8 時(shí)，微燃機(jī)熱效率基本保持不變；負(fù)荷率在0.3～0.5 時(shí)，微燃機(jī)熱效率和系統(tǒng)一次能源利用率下降較快。因此，微燃機(jī)應(yīng)盡量在0.8～1.0 的負(fù)荷率下運(yùn)行。

圖9、圖10 所示為系統(tǒng)在熱電聯(lián)供模式下，取環(huán)境溫度為0 ℃，當(dāng)微燃機(jī)負(fù)荷率在0.3～1.0變化時(shí)，微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率、供熱量與微燃機(jī)發(fā)電負(fù)荷率的關(guān)系。微燃機(jī)從滿(mǎn)負(fù)荷降低到30%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，微燃機(jī)熱效率從0.319降低到0.259，發(fā)電量從200 kW 降低到60 kW，供熱量從229.6 kW 降低到66.2 kW，系統(tǒng)一次能源利用率從0.685 降低為0.544。

3.3 系統(tǒng)典型工況 分析

圖7 微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與微燃機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系（冷電聯(lián)供）

圖8 煙氣可利用余熱、制冷量與微燃機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系（冷電聯(lián)供）

圖9 微燃機(jī)效率、系統(tǒng)一次能源利用率與微燃機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系（熱電聯(lián)供）

基于Ebsilon 軟件分別對(duì)微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)典型工況（供冷、供熱）進(jìn)行 分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 供熱量與微燃機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系（熱電聯(lián)供）

表3 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)分析

表3 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)分析

3.4 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

表4 是1 組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，將這組數(shù)據(jù)作為微燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)模型的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列在表5。實(shí)際運(yùn)行工況下，微燃機(jī)輸出功率為190.1 kW，仿真模擬計(jì)算得到的微燃機(jī)輸出功率為191.7 kW，偏差0.8%，可見(jiàn)模擬計(jì)算可靠，計(jì)算結(jié)果具有參考價(jià)值。

表4 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

表5 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況仿真計(jì)算結(jié)果

計(jì)算可知，系統(tǒng)溴化鋰機(jī)組的制冷效率較低，此時(shí)系統(tǒng)的一次能源利用率只有57.3%，主要是由于當(dāng)時(shí)辦公樓的冷負(fù)荷小，使得冷凍水入口溫度較低。如果保持其他數(shù)據(jù)不變，只提高冷凍水入口溫度，當(dāng)冷凍水入口溫度為11.1 ℃時(shí)，系統(tǒng)可以提供的制冷量約為223 kW。

可見(jiàn)，電負(fù)荷大、冷負(fù)荷較小使得系統(tǒng)的發(fā)電量、制冷量不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)的一次能源利用率較低。假設(shè)通過(guò)蓄冷罐蓄存多余的制冷量，提高冷凍水回水溫度，可使系統(tǒng)一次能源利用率提高到65.2%，提高約13.8%。增加蓄冷罐，可以大大提高系統(tǒng)的靈活性[15-16]。比如，在大樓冷（熱）負(fù)荷小的時(shí)候，機(jī)組可以停機(jī)，此時(shí)利用蓄冷罐供冷（熱），電網(wǎng)供電，避免微燃機(jī)機(jī)組在低負(fù)荷功率下運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；或者利用分時(shí)峰谷電差價(jià)，以運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)制定運(yùn)行策略，可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

通過(guò)Ebsilon 軟件，結(jié)合微燃機(jī)的性能曲線，對(duì)微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算，分別采用熱量分析法和分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

（1）某200 kW 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)分為熱電聯(lián)供和冷電聯(lián)供2 種模式。冷電聯(lián)供時(shí)，環(huán)境溫度從24 ℃變化到38 ℃，系統(tǒng)一次能源利用率為65.2%～68%；熱電聯(lián)供時(shí)，環(huán)境溫度從-10℃變化到24℃，系統(tǒng)一次能源利用率為66.4%～74.2%。在冷電聯(lián)供下，系統(tǒng)能提供的制冷量大于設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，為了保證系統(tǒng)有較大的能源利用率，應(yīng)充分利用系統(tǒng)制取的冷量，可通過(guò)蓄冷罐蓄存多余的冷量；在熱電聯(lián)供下，系統(tǒng)能提供的供熱量小于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，為了保證大樓的熱需求供應(yīng)，需要通過(guò)鍋爐、熱泵等調(diào)峰設(shè)備進(jìn)行調(diào)峰。

（2）當(dāng)微燃機(jī)負(fù)荷率在30%～100%變化，系統(tǒng)冷電聯(lián)供（取環(huán)境溫度為32 ℃）運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)一次能源利用率為60.3%～66.9%；系統(tǒng)熱電聯(lián)供（取環(huán)境溫度為0 ℃）運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)一次能源利用率為54.4%～68.5%。

（4）通過(guò)搭建的微燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)際運(yùn)行工況存在冷負(fù)荷較小的問(wèn)題，若通過(guò)蓄冷罐蓄存多余冷量，系統(tǒng)的一次能源利用率可提高13.8%。