同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 肖利濤 秦朝葵

小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)余熱回收特性實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 肖利濤 秦朝葵

將汽油內(nèi)燃機(jī)改裝成燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，搭建小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。對小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)余熱和煙氣余熱及排放特性進(jìn)行了研究。隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)余熱回收量增長，但其所占總能量比例降低，系統(tǒng)整體能源利用率在80%以上。發(fā)動機(jī)CO排放隨著過?？諝庀禂?shù)增加而降低，NOx排放量在過剩空氣系數(shù)為1.16達(dá)到最大值。

CCHP系統(tǒng) 余熱回收特性 煙氣排放

0 前言

隨著能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，全世界能源領(lǐng)域一直都在關(guān)注未來能源發(fā)展的走向和策略，實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為世界能源建設(shè)追求的目標(biāo)。近年來美國西部和馬來西亞全國性大停電、中國臺灣省發(fā)生的3次大停電事故、印度大停電造成了災(zāi)難性的后果，為當(dāng)前的電力生產(chǎn)和供應(yīng)模式進(jìn)一步提出警示和要求，因而發(fā)展分布式能源系統(tǒng)的推動力越來越大。在大電站建設(shè)周期長、投資高、環(huán)境污染嚴(yán)重的情況下，鼓勵建設(shè)潔凈、容量小、現(xiàn)場型熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)裝置，無疑是一種良好的選擇。目前許多發(fā)達(dá)國家已采用分布式能源，且其綜合利用效率提高到了90%以上，大大超過傳統(tǒng)用能方式的效率。冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(Combined Cooling Heat & Power，CCHP)以其投資小、排放低、能量傳輸損耗低和能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，成為未來分布式供能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。CCHP系統(tǒng)包括原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、熱回收和制冷裝置，通過統(tǒng)一管理進(jìn)行制冷、供熱及供電過程，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用的新型能源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能源利用率的提高和減少CO2及有害氣體的排放。一般的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中，燃料熱量約1/3通過煙氣散失，還有約1/3通過缸套水、中冷水及輻射熱散失，且燃燒后排出的煙氣中含有大量氣化潛熱較高的水蒸氣(10%~11%)。如果能充分回收利用煙氣冷凝余熱和缸套水余熱，整個機(jī)組的一次能源利用率可得到很大提高。

1 CCHP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺概述

在CCHP系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)原動機(jī)、余熱溫度水平等不同，CCHP系統(tǒng)有不同的形式。本實(shí)驗(yàn)原動機(jī)采用內(nèi)燃機(jī)形式，在原JL465Q1型汽油發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，選擇合適的進(jìn)氣系統(tǒng)，拆除發(fā)動機(jī)變速器等，改裝成天然氣發(fā)動機(jī)，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)動機(jī)的余熱主要有煙氣余熱和冷卻系統(tǒng)余熱，經(jīng)過換熱器的進(jìn)行熱回收?；厥盏臒崴诙究梢灾苯踊蚪?jīng)換熱后用于采暖和提供生活熱水，夏季則可以在冷水被加熱到90 ℃后，驅(qū)動熱水型溴冷機(jī)進(jìn)行制冷。實(shí)驗(yàn)臺架主要包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、溴冷機(jī)系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)CCHP系統(tǒng)示意

2 余熱回收系統(tǒng)

天然氣發(fā)動機(jī)只能將部分天然氣能量轉(zhuǎn)化為軸功從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，還有大部分的余熱量需要進(jìn)行熱回收，只有充分利用這部分熱量，CCHP機(jī)組才能體現(xiàn)出其優(yōu)勢。發(fā)動機(jī)余熱主要包括發(fā)動機(jī)缸套冷卻熱和煙氣余熱兩部分。本實(shí)驗(yàn)臺余熱回收系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 余熱回收系統(tǒng)示意

其中，冷卻液換熱器為SWEP(舒瑞普)釬焊板式換熱器E5Tx10H/1P，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、充液量小、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。煙氣余熱一級回收采用自行設(shè)計套管換熱器，如圖3(a)所示。二級回收采用AIREC(愛瑞科)模塊化非對稱流量板式換熱器2xAC21-20/C，其結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械強(qiáng)度高，且具有較高的換熱效率，如圖3(b)所示。

圖3 余熱回收系統(tǒng)換熱器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件及溫度測點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25±5 ℃；大氣壓力101.3 kPa；所需天然氣由上海天然氣管網(wǎng)供應(yīng)，燃?xì)膺M(jìn)口壓力2 kPa，燃?xì)膺M(jìn)口溫度15±5 ℃，其組分根據(jù)色譜分析如下表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)用天然氣組分(%)

天然氣的熱值可以根據(jù)各單一氣體熱值按混合法則公式計算，計算出實(shí)驗(yàn)所用天然氣低熱值為34.9 MJ/m3。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速保持在3 000±50 r/min范圍內(nèi)。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱分為冷卻系統(tǒng)余熱和煙氣余熱，冷卻系統(tǒng)余熱屬于低溫余熱，煙氣余熱屬于中溫余熱，所回收的余熱主要用于供熱或者溴化鋰制冷，在溴化鋰制冷中，要求的熱水溫度為90 ℃，熱水流量為3.1 t/h。因此本實(shí)驗(yàn)測試了在此條件下發(fā)電機(jī)分別帶動0~12組負(fù)載時圖4中各溫度監(jiān)測點(diǎn)的值。

圖4 余熱回收溫度測點(diǎn)示意

3.2 冷卻系統(tǒng)和煙氣余熱回收特性分析

各個換熱設(shè)備的余熱回收量可用式(1)計算：

式中：Gw——熱水流量，kg/s；

Cw——水的比熱，kJ/(kg·℃)；

Tin、Tout——換熱器進(jìn)出口水溫，℃。不同負(fù)載(0~12組)下各溫度測點(diǎn)的值及熱水流量和天然氣消耗量，見下表2。

表2 余熱回收系統(tǒng)溫度及流量數(shù)據(jù)單位：℃

計算得到各個換熱器的余熱回收量，如圖5所示。其中冷卻系統(tǒng)余熱回收量在負(fù)載增加到4組前，一直呈增長趨勢，然后負(fù)載再增加時，冷卻系統(tǒng)熱回收量基本維持不變，這是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)中冷卻液和缸套的換熱已達(dá)上限。煙氣板換和煙氣套管的熱回收量一直隨著負(fù)載的增加而增加，這是因?yàn)殡m然排煙溫度變化不大，但煙氣的流量在負(fù)載增大時呈增長的趨勢。因此，總的熱回收量隨著負(fù)載的增加總體上是增長的。

圖5 不同負(fù)載時各換熱器余熱回收量

當(dāng)熱水流量變化時，余熱回收量變化情況如圖6所示。熱水流量增加，則換熱器中水側(cè)流速增加，這使得換熱器水側(cè)對流換熱系數(shù)有所增加，從而使得余熱回收量有所增加。

圖6 變流量時各換熱器余熱回收量(10組負(fù)載時)

當(dāng)負(fù)載增加時，發(fā)電量增加，發(fā)動機(jī)為了維持出力則會吸入更多的天然氣，增加了輸入功率。從而整個的天然氣耗量在增長，煙氣的熱回收量有一定的增長，但占的百分比逐漸減少，發(fā)電量占比增加，余熱耗量相對穩(wěn)定，在這個過程中整個機(jī)組的效率可達(dá)80%以上。

3.3 煙氣排放特性分析

煙氣排放是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的一個重要指標(biāo)，其排放受到燃燒系統(tǒng)和燃料性質(zhì)等多方面因素的影響。實(shí)驗(yàn)主要測試了天然氣發(fā)動機(jī)排放中的CO、CO2、NOx等隨過剩空氣系數(shù)變化的關(guān)系，過?？諝庀禂?shù)α采用式(2)確定：

式中，RO2′和O2′為煙氣中3原子氣體和氧氣的容積成分均由煙氣分析儀得到。

圖7為CO、NO和NOx隨過?？諝庀禂?shù)變化關(guān)系。

圖7 CO、NO和NOx隨過剩空氣系數(shù)變化

從圖中可以看出，NOx在過剩空氣系數(shù)為1.16時有最大值，這是由于發(fā)動機(jī)中NOx的生成主要受缸內(nèi)的壓力及溫度控制，而過?？諝獾拇嬖谠黾恿巳?xì)夥肿优c空氣分子碰撞的可能性，促使燃燒完全，通常過?？諝庀禂?shù)>1，而如果過剩空氣系數(shù)太大，則會使煙氣體積增大，帶走更多熱量，爐膛溫度降低。CO則隨過?？諝庀禂?shù)增加而減少，在過?？諝庀禂?shù)低時，此時缸內(nèi)屬于富燃，產(chǎn)生的CO2多，過剩氧少，因空氣量的不足，產(chǎn)生大量的CO，隨著過剩氧的增加情況好轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

(1)余熱回收量隨著負(fù)載的增加而增長，在接12組負(fù)載時達(dá)23 kW；當(dāng)余熱回收系統(tǒng)的冷水流量增加時，機(jī)組的余熱回收量有所增加；在負(fù)載增加時，熱回收量雖也增長，但其所占總能量比例降低，機(jī)組整體能源利用率在 80%以上；

(2)發(fā)動機(jī)CO排放隨著過?？諝庀禂?shù)增加而降低，NOx隨過?？諝庀禂?shù)先增加后減少，在過?？諝庀禂?shù)為1.16達(dá)到最大；

(3)負(fù)荷變動對系統(tǒng)的余熱回收率有一定影響，只有在一定的負(fù)荷變動范圍內(nèi)，小型燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)CCHP系統(tǒng)才具有一定的優(yōu)越性。

Study on Features of Waste Heat Recovery in CCHP System Based on Small-Scale Gas Engine

School of Mechanical and Energy Engineering Tongji University Xiao Litao Qin Chaokui

The features are studied in the cooling system of CCHP based on small-scale gas engine. The recovery amount of waste heat increases with the increasing of the load, but its proportion to the total energy is reduced and the energy efficiency in such system is over 80%. The CO emission of engine decreases with the increasing of excess air factor and the NOxemission achieves the maximum value when the excess air factor is 1.16.

CCHP system, features on waste heat recovery, fume emission