郭曉娟 蔣潤(rùn)花 秦貫豐 楊曉西

（東莞理工學(xué)院 能源與化工系，廣東東莞 523808）

微型燃?xì)廨啓C(jī)變工況性能實(shí)驗(yàn)研究

郭曉娟 蔣潤(rùn)花 秦貫豐 楊曉西

（東莞理工學(xué)院 能源與化工系，廣東東莞 523808）

開展了30 kW回?zé)崾轿⑿腿細(xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱“微燃機(jī)”）的變工況實(shí)驗(yàn)性能研究。重點(diǎn)討論了環(huán)境溫度35.6℃，大氣壓力下燃料耗量、效率、余熱量、煙溫、功熱比等參數(shù)隨負(fù)荷的曲線變化關(guān)系，并與設(shè)計(jì)標(biāo)況相應(yīng)的曲線關(guān)系做對(duì)比分析。研究表明：兩種工況變負(fù)荷情況下，隨著輸出功減少，效率明顯降低，排煙溫度和余熱量均減小。環(huán)境溫度35.6℃，輸出功為額定負(fù)荷的50%時(shí)，效率值僅降低2.23%，但當(dāng)輸出功為額定負(fù)荷的1/10時(shí)效率值降低了52.85%。排煙溫度保持在129.90℃～250.05℃，余熱量34.05～94.03 kW之間。當(dāng)環(huán)境溫度高出設(shè)計(jì)溫度20℃時(shí)，相同出功量天然氣耗量明顯增大，效率降低，兩種工況效率差值隨著出功增加而增大，效率差值在3.07%～8.12%之間；余熱量增加30%左右，功熱比降低30%～40%。微型燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度高出設(shè)計(jì)溫度20℃時(shí)最大凈輸功僅為額定功率63.07%。

微型燃?xì)廨啓C(jī)；分布式能源；變工況；余熱利用

東莞市是全球最大的制造業(yè)基地之一，制造業(yè)總產(chǎn)值占規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值的90%以上，外資企業(yè)兩萬多家，民營(yíng)企業(yè)三十多萬家。企業(yè)的能源負(fù)荷尤其是電力負(fù)荷較大，以現(xiàn)有的市政配套難以滿足需求［1］。分布式能源系統(tǒng)是在用戶當(dāng)?shù)鼗蚩拷脩舻牡攸c(diǎn)生產(chǎn)電、熱、冷能，提供給用戶使用，通常系統(tǒng)規(guī)模比較小，具有安全可靠、能源利用率高、運(yùn)營(yíng)機(jī)制激動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可有效解決東莞市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源供給不足的矛盾［2-3］。分布式能源系統(tǒng)中，動(dòng)力子系統(tǒng)的性能影響各種能量的輸出，處于主導(dǎo)地位［4］。分布式能源動(dòng)力系統(tǒng)有汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、小型或微型燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林機(jī)等。以微型燃?xì)廨啓C(jī)（單機(jī)功率為30～300 kW）為驅(qū)動(dòng)力的分布式能源系統(tǒng)具有獨(dú)有的特色，與常規(guī)發(fā)電裝置相比具有如下優(yōu)點(diǎn):廢氣排放少、維護(hù)少、運(yùn)行靈活、實(shí)用多種燃料（天然氣、沼氣、生物制氣）。但是大氣環(huán)境參數(shù)對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)的性能影響較大［5］。本文以Capstone C30微燃機(jī)為研究對(duì)象，擬研究機(jī)組在環(huán)境溫度約35℃，環(huán)境壓力101.325 kPa，相對(duì)濕度50%時(shí)效率、燃料耗量、余熱量、煙氣溫度隨負(fù)荷的變化規(guī)律，并與標(biāo)準(zhǔn)工況下（環(huán)境溫度15℃、相對(duì)濕度60%、環(huán)境壓力101.325 kPa［6］）相應(yīng)的曲線規(guī)律做對(duì)比分析，探討環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度高20℃時(shí)，系統(tǒng)性能參數(shù)變化規(guī)律。獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可為分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)控策略提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方案

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置需考慮系統(tǒng)工質(zhì)（包括空氣側(cè)、天然氣側(cè)、排煙側(cè)）進(jìn)出溫度、壓力、流量等參數(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速以及煙氣溫度等重要參數(shù)。詳細(xì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1:

天然氣流量采用數(shù)顯羅茨流量計(jì)，可測(cè)量累計(jì)流量和瞬時(shí)流量；累計(jì)流量可顯示小數(shù)點(diǎn)后四位。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有環(huán)境溫度和濕度的測(cè)量?jī)x表，另外燃?xì)廨啓C(jī)自帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可監(jiān)測(cè)入口空氣溫度和壓力。設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為額定輸出功率30 kW的0.1～1.0倍的10個(gè)測(cè)點(diǎn)（3，6，9，12，15，18，21，24，27，30 kW）進(jìn)行變工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。在燃?xì)廨啓C(jī)輸電線上安裝一個(gè)電表，用于校核對(duì)比設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率與實(shí)際輸出數(shù)值是否一致。溫度表和壓力表均為精度為0.5的指針顯示儀表。煙氣余熱量可采用燃料熱量與燃?xì)廨啓C(jī)輸功量的差值計(jì)算獲得。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)變工況實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功的討論

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率在0～18.00 kW區(qū)間時(shí)，微燃機(jī)實(shí)際輸出功率基本達(dá)到了設(shè)定輸出功率的數(shù)值。但是在設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為21.00 kW，24.00 kW，27.00 kW，30.00 kW時(shí)，實(shí)際輸出功率達(dá)不到設(shè)定功率，實(shí)際輸功分別為18.84 kW，18.63 kW，18.56 kW，18.76 kW。這說明燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功率受大氣環(huán)境尤其是大氣溫度所限達(dá)不到設(shè)定值，僅為額定功率的63.07%。根據(jù)本臺(tái)機(jī)器出廠理論性能曲線，燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功可通過下式計(jì)算:

其中，P為燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸出功；N0為燃?xì)廨啓C(jī)額定功率，30 kW；PT為燃?xì)廨啓C(jī)最大輸出功率大氣溫度修正，Pp為大氣壓力修正，經(jīng)擬合PT～T，Pp～p為直線關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式分別為PT=0.31T-5.30（擬合R=0.99927），Pp=-0.30 p+29.94（擬合R=0.99995），其中T為環(huán)境溫度，℃，p為環(huán)境壓力，kPa。PC為壓縮機(jī)功耗修正，一般取2.00 kW；PB為煙氣背壓修正。實(shí)驗(yàn)中煙氣壓力測(cè)點(diǎn)非常低，忽略背壓修正。PI為入口壓力損失修正，一般為2.00～2.50 kW。本實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度35.6℃，環(huán)境壓力為99.0 kPa；代入修正公式計(jì)算得PT=5.91 kW，Pp=0.67 kW，入口壓力取2.50 kW；最大輸功理論值為18.92 kW，與實(shí)測(cè)值18.84 kW基本吻合。

2.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)變工況性能曲線

圖2 不同環(huán)境溫度燃?xì)夂牧颗c功率的曲線關(guān)系

圖3 不同環(huán)境溫度功率與效率曲線關(guān)系

2.2.1 不同環(huán)境溫度功率與效率的關(guān)系

由圖2可知，環(huán)境溫度15℃，燃料耗量隨輸出負(fù)荷呈直線遞增規(guī)律；而35.6℃時(shí)，在功率為18.00 kW前，燃料耗量與負(fù)荷也遵循直線遞增規(guī)律，這與文獻(xiàn)［6］的研究結(jié)果一致。但設(shè)定微燃機(jī)輸出功率大于18.00 kW時(shí)，燃料耗量基本保持不變，21 kW，24 kW，27 kW，30 kW均為9.691 2 m3/h，9.588 6 m3/h，9.645 2 m3/h，9.643 6 m3/h。這可能與燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功有關(guān)，當(dāng)35.6℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功理論計(jì)算值為18.92 kW，燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)定出功超過此值，燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際出功量即為當(dāng)前環(huán)境溫度的最大凈輸功量，故燃料耗量不變。

由圖3可知，不同的環(huán)境溫度下，燃?xì)廨啓C(jī)的效率均隨輸出功率的減少而下降。例如15℃時(shí)，輸出功率30 kW的效率為26%，當(dāng)15 kW時(shí)，效率降低為23.20%，當(dāng)出功3 kW時(shí)，效率僅為11.50%。環(huán)境溫度高出20℃時(shí)，同樣功率負(fù)荷，效率明顯降低，且效率差值隨著出功增加。在30 kW時(shí)差距最大，約為8.12%；在15 kW時(shí)，約為5.72%，在3 kW時(shí)，約為3.07%。

圖4 不同環(huán)境溫度余熱負(fù)荷隨功率變化曲線

圖5 不同環(huán)境溫度煙氣溫度隨功率變化曲線

圖6 不同環(huán)境溫度功熱比隨負(fù)荷變化曲線

2.2.2 不同環(huán)境溫度功率與余熱量、煙氣溫度、功熱比的關(guān)系

燃?xì)廨啓C(jī)的余熱量與煙氣溫度是影響余熱利用的兩個(gè)重要參數(shù)。圖4示出了兩環(huán)境溫度下的余熱量。在相同的發(fā)電量情況下，35.6℃時(shí)比15℃時(shí)余熱量要大。比如發(fā)電3 kW時(shí)，余熱量分別為35.05 kW和24.00 kW，相差31.5%；發(fā)電15 kW時(shí)，余熱量分別為77.64 kW和51.87 kW，相差33.18%。同樣，由于燃?xì)廨啓C(jī)最大凈輸功的影響，在設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷21 kW～30 kW之后，余熱量基本保持不變，導(dǎo)致圖3中在兩個(gè)環(huán)境溫度下30 kW時(shí)余熱量基本相等。

圖5顯示了環(huán)境溫度35.6℃和15℃煙氣溫度隨輸出功的變化關(guān)系。15℃時(shí)，煙氣溫度隨輸出功呈線性遞增，煙氣溫度保持在196.67℃～276.11℃之間；35.6℃時(shí)，煙氣溫度隨輸出功呈曲線遞增，煙氣溫度保持在128.90℃～250.00℃之間。圖6顯示了環(huán)境溫度35.6℃和15℃功熱比隨負(fù)荷的變化規(guī)律。兩種環(huán)境溫度下，功熱比均隨輸功的減小而減小。30 kW時(shí)，環(huán)境溫度35℃功熱比0.20，相比于15℃功熱比0.33降低約40%；隨著功率減小兩工況下功熱比差值減小，到6 kW時(shí)，環(huán)境溫度35.6℃功熱比0.13，相比于15℃功熱比0.19降低約29.80%。

3 結(jié)語

在設(shè)計(jì)分布式能源系統(tǒng)時(shí)，要考慮環(huán)境參數(shù)變化時(shí)微燃機(jī)最大凈輸功的問題。實(shí)驗(yàn)研究表明:

1）微型燃機(jī)最大凈輸功與環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、煙氣背壓、壓縮機(jī)耗功、空氣入口壓力損失有關(guān)。其中環(huán)境溫度是主要影響參數(shù)。環(huán)境溫度35.6℃，與設(shè)計(jì)工況溫度相差近20℃時(shí)，微燃機(jī)的最大凈輸功僅為額定功率的63.07%。

2）微燃機(jī)變負(fù)荷時(shí)，效率、煙溫、余熱量、功熱比均隨輸功減小而減小；環(huán)境溫度35℃時(shí)，效率為8.43%～17.88%，煙溫129.90℃～250.05℃，余熱量35.05～94.03 kW，功熱比0.08～0.20；

3）設(shè)計(jì)標(biāo)況溫度15℃時(shí)，煙溫196.67℃～276.11℃，余熱量24.00～90.85 kW，功熱比0.16～0.33。

研究所獲得的數(shù)據(jù)對(duì)于分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)控策略提供數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 郭曉娟，左遠(yuǎn)志.基于CDIO教育理念的《傳熱學(xué)》課程教學(xué)改革探討［J］.東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，18（3）:113-115.

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Experimental Study on Off.designPerformance of Microturbine

GUO Xiao.juan JIANG Run.hua Q IN Guan.feng YANG Xiao.x i
（College of Energy and Chemicals，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

The experiments on off-design performance of microturbine were carried out.The curve relations of performance parameters such as fuel consumption，efficiency，fuel gas heat，fuel gas temperature，power-heat ratio with the microturbine power input at the atmosphere temperature of 35.6℃were derived.The results were comparative analysis with nominal conditions at the atmosphere temperature of 15℃.It was found that at the atmosphere temperature of 35.6℃，with the decrease of microturbine power input，microturbine efficiency，flue gas temperature and flue gas heat reduce.When the engine power input was 15 kW（1/2 of nominal power input），the efficiency decreases2.23%；but when the power input was3 kW（1/10 of nominal power input），the efficiency decreases 52.85%.With the power input fluctuated with 3.0～30.0 kW，the fuel gas tempareture was with duration of 129.90℃～250.05℃and the fuel gas heat was with duration of 34.05～94.03 kW.Compared the results with the atmosphere temperature 15℃，with the same power input，the flue consumption increased remarkably，the efficiency decreased and the difference was 3.07%～8.12%with the power input changes；the flue gas heat increased 30%，power-heat ratio decrease 30%～40%.At the atmosphere temperature of35.6℃，the microturbine maximum of power input was only 63.7%of nominal power.

Microturbine；ditributed energy；off-design；usage of fuel gas heat

TK47

A

1009-0312（2014）01-0070-04

2013-06-13

東莞理工學(xué)院教改項(xiàng)目（E1327108）；東莞理工學(xué)院省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（1181912024）。

郭曉娟（1981—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，博士，主要從事能源系統(tǒng)與技術(shù)研究。