黃河清　沈致和　吳亞平（.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院　合肥　30009；.安徽省拓普能源科技管理股份有限公司　合肥　30009）

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分布式能源站系統(tǒng)仿真研究

黃河清1沈致和1吳亞平2
（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院合肥230009；2.安徽省拓普能源科技管理股份有限公司合肥230009）

【摘要】針對分布式能源系統(tǒng)主要的配置形式內(nèi)燃機(jī)+煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組進(jìn)行仿真模擬，分別對內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰機(jī)組進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過工程計算軟件EES計算得到空氣燃料比與環(huán)境溫度對分布式能源系統(tǒng)的一次能源率和節(jié)能率的影響變化規(guī)律，為實際工程的運(yùn)行起到一定的指引作用。

【關(guān)鍵詞】分布式能源；內(nèi)燃機(jī)；溴化鋰；一次能源利用率；節(jié)能率

0　引言

分布式能源系統(tǒng)的基本組成部分是發(fā)電設(shè)備和余熱利用設(shè)備以及管道連通系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。其中發(fā)電設(shè)備可以是內(nèi)燃發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型渦輪機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)或燃料電池以及與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電裝置中的一種或幾種，余熱利用設(shè)備一般有溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組或除濕裝置、電制冷機(jī)組等。

分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行原理就是以燃料燃燒的高品位的蒸汽/燃?xì)鈳影l(fā)電機(jī)發(fā)電或者利用燃料電池或其他技術(shù)供應(yīng)電力，燃料燃燒發(fā)電后的余熱（來自發(fā)電設(shè)備尾部煙氣排放或產(chǎn)生的熱量能源）來進(jìn)行二次利用，對余熱利用設(shè)備提供熱量來源，對附近建筑提供電力、冷量、熱量[1-3]。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1內(nèi)燃機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本文在建立燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型時，認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)理想工作過程為四沖程的定容加熱循環(huán)，同時考慮到了工質(zhì)與氣缸壁之間的熱交換和實際工程中的摩擦阻力以及進(jìn)、排氣閥的節(jié)流損失等對工質(zhì)循環(huán)工程的影響[4]。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的理想工作循環(huán)的T-S圖如圖1所示。圖中1為循環(huán)初始狀態(tài)點，它表示空氣和燃?xì)獾娜紵旌衔镞M(jìn)入內(nèi)燃機(jī)氣缸中。圖中1-2s為絕熱壓縮過程；2s-3為定容加熱過程；3-4s為絕熱膨脹過程；4s-1為定容放熱過程。實際運(yùn)行過程中工質(zhì)與氣缸壁之間熱交換和摩擦等的存在使得理想循環(huán)過程中的絕熱壓縮和膨脹過程變?yōu)椴豢赡娴亩嘧冞^程，兩者之間的差別在模型中通過基于溫度的絕熱效率修正[5]，并且模型分析均在穩(wěn)定工況下進(jìn)行，過程為T-S圖中1-2-3-4。

圖1　內(nèi)燃發(fā)電機(jī)定容加熱循環(huán)T-S圖Fig.1 The internal combustion generator constant volume heating cycle T-S diagram

（1）絕熱壓縮過程

混合物在壓縮過程結(jié)束時溫度T2s可以通過下面公式得出：

式中，εc為絕熱壓縮過程壓縮比，廠家提供數(shù)據(jù)為9.4；kC為絕熱指數(shù)。

式中：mmol為氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；Rm為氣體常數(shù)，取值8.314J/(mol·K)。

由于氣缸壁被周圍冷卻水所冷卻，所以膨脹和壓縮過程都不是絕熱過程。實際循環(huán)過程壓縮結(jié)束時氣體混合物溫度T2可以利用基于溫度的絕熱效率來計算。

式中，ηc為基于溫度的絕熱效率。

（2）定容加熱過程

在定容加熱過程中所加入的熱量q1為：

式中，m為燃料混合物質(zhì)量流量，kg/s；mg為天然氣燃料質(zhì)量流量，kg/s；HVlow為天然氣單位質(zhì)量低位發(fā)熱量，取值47.04MJ/kg。

（3）絕熱膨脹過程

燃燒產(chǎn)物在絕熱膨脹過程圖1中3-4結(jié)束時溫度T4s可以通過下面公式得出：

實際循環(huán)膨脹過程結(jié)束時燃燒產(chǎn)物的溫度T4同樣可以利用基于溫度的絕熱效率來計算：

式中，η'C為基于溫度的絕熱效率。

（4）定容放熱過程

定容放熱過程圖1中4-1放出的熱量為：

假定煙氣經(jīng)過煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組溫度降至T2yK，則煙氣余熱回收效率ηeg為：

于是煙氣回收余熱為：

（5）能量平衡和熱電效率

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)輸出軸功W可以利用下式計算：

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)能量平衡方程式為：

式中，qjacket為缸套冷卻水帶走熱量；qloss為熱輻射及機(jī)械摩擦損失熱量。

1.2煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷溫水機(jī)的數(shù)學(xué)模型

圖2為煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷溫水機(jī)以內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的排煙和高溫缸套水作為驅(qū)動熱源的循環(huán)流程圖[6]。

圖2　煙氣熱水型溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)系統(tǒng)制冷工況流程圖Fig.2 Flowchart of Flue gases and hot water type The lithium bromide chiller refrigeration system working condition

此循環(huán)的工作原理是：吸收器內(nèi)的溴化鋰稀溶液6S在溶液泵1的動力作用下進(jìn)入低溫?zé)峤粨Q器LE，在吸收了回吸收器的溴化鋰濃溶液3S部分熱量后進(jìn)入低溫水再生器LW，被來自內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的熱源缸套水1L加熱濃縮，產(chǎn)生的冷劑蒸汽6W進(jìn)入冷凝器CD。被濃縮后的溴化鋰中間溶液9S在溶液泵2的動力作用下經(jīng)過高溫?zé)峤粨Q器HE回收部分熱量后進(jìn)入煙氣再生器HG，在煙氣再生器中吸收從內(nèi)燃機(jī)的尾部排煙的大部分熱量，產(chǎn)生大量的冷劑蒸汽1W，放出冷劑蒸汽的溴化鋰濃溶液1S經(jīng)過回收部分熱量后進(jìn)去壓力較低的低壓再生器LG，由來自煙氣再生器的高溫冷劑蒸汽1W加熱產(chǎn)生部分低壓的冷劑蒸汽3W，冷劑蒸汽1W換熱之后成為冷劑水2W，冷劑蒸汽和冷劑水均進(jìn)入冷凝器由冷卻水冷卻成為冷劑水4W，經(jīng)過節(jié)流裝置后進(jìn)入蒸發(fā)器EP蒸發(fā)吸熱，達(dá)到制冷的目的。

質(zhì)量守恒方程：

能量守恒方程：

狀態(tài)方程：

式中：G表示溴化鋰溶液流量；X表示溴化鋰濃度；Q表示熱交換量；D表示冷劑流量。

2　常見的系統(tǒng)能效分析指標(biāo)

2.1一次能源利用率

一次能源利用率PER（Primary Energy Ratio）是分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最直觀的評價指標(biāo)[7]，它等于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電量、供熱量、制冷量之和與一次能源消耗量的比值。它基于熱力學(xué)第一定律，不考慮能量質(zhì)的差別，其計算公式如下：

其中：Qe代表系統(tǒng)的總發(fā)電量，kWh；Qc代表系統(tǒng)的總制冷量，kWh；Qh代表系統(tǒng)的總制熱量，kWh；Gh代表系統(tǒng)的總?cè)剂舷牧?，m3/h；Hu代表燃料的低位發(fā)熱量，kJ/m3。

2.2節(jié)能率

相對于沒有使用天然氣分布式能源的情況下，若要產(chǎn)生同樣的冷量、熱量與電量的話，需要使用市網(wǎng)電力提供所需電量，使用電制冷系統(tǒng)提供所需冷量，使用鍋爐提供所需熱量，即分部生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。分別求出分部生產(chǎn)系統(tǒng)提供所需冷量、熱量和電量而需要的能源消耗量即可得出分部生產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源消耗率。

其中，ηce表示火力發(fā)電廠發(fā)電效率與電網(wǎng)效率的乘積。

其中，COPec表示電制冷機(jī)的制冷效率。

其中，ηb表示鍋爐效率。

則由系統(tǒng)的總發(fā)電量Qe、系統(tǒng)的總制冷量Qc和系統(tǒng)的總制熱量Qh以及上述公式可以求出分部生產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗量Qf：

節(jié)能率是相對量，其定義為不同方式單位時間內(nèi)能源消耗量的差值與能源消耗量的比值，即：節(jié)能率=節(jié)能量/原能源消耗量。

分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)與分別生產(chǎn)所需電力、冷量、熱量的分部生產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗量的差值與分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)的能源消耗量的比值即為我們關(guān)心的分布式能源三聯(lián)供系統(tǒng)的節(jié)能率，用符號PES表示：

3　模擬及模擬結(jié)果與分析

3.1 EES方程解答器

EES是工程方程解答器的英文字母的首字母縮寫詞。EES的基本功能是解代數(shù)方程組。EES提供了很多對工程計算非常有用的內(nèi)置數(shù)學(xué)和熱物性函數(shù)。例如，EES中內(nèi)置有蒸汽性質(zhì)表，還有此文中用到的溴化鋰性質(zhì)表等。將上述數(shù)學(xué)模型及輸入條件輸入EES解答器，輸入條件如下：

天然氣低位熱值：32585kJ/kg；

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)壓縮比：εc=9.4；

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)絕熱效率：ηc=0.7；

絕熱效率：η'c=0.6；

內(nèi)燃機(jī)額定工況下的環(huán)境溫度為：t0=30℃；

環(huán)境影響系數(shù)：cGT=0.0069；

內(nèi)燃機(jī)額定排煙溫度為：T1Y=460℃；

發(fā)電機(jī)效率：ηgenerator=0.955；

缸套水理想進(jìn)出水溫為：T2L=80℃，T1L=90℃。

煙氣熱水型吸收式溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)為2臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)對應(yīng)的煙氣量與缸套水量下的機(jī)組型號，額定工況下：

煙氣再生器的壓力為：PHG=92kPa；

溴化鋰出口濃溶液的濃度為：X1S=60%；低壓再生器的壓力為：PLG=7.6kPa；

溴化鋰出口濃溶液的濃度為：X3S=63%；

冷凝器的冷劑水出水溫度：T4W-T3C=3；

經(jīng)節(jié)流閥后為5℃的飽和低溫低壓冷劑蒸汽：T5W=5；

吸收器壓力：PAS=PCD；

冷卻水額定進(jìn)出水溫為T1C=32℃；T3C=37℃；冷水的進(jìn)出水溫為T2R=7℃，T1R=12℃。

蒸發(fā)器的壓力為飽和低溫低壓冷劑蒸汽溫度對應(yīng)下的飽和壓力。

3.2空燃比的影響

空氣燃料比是內(nèi)燃機(jī)工作時進(jìn)去內(nèi)燃機(jī)的空氣與燃料質(zhì)量的比值，合肥地區(qū)的天然氣供應(yīng)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9288CH4、0.00067C2H6、0.01355N2、0.04615CO2及其他成分。根據(jù)天然氣的成分可得出1kg天然氣完全燃燒需要16.262kg空氣，即完全燃燒空燃比為16.262。下圖3與圖4分別是分布式能源系統(tǒng)一次能源利用效率和系統(tǒng)相對節(jié)能率隨空燃比的變化曲線圖。

圖3　系統(tǒng)一次能源利用效率隨空燃比的變化曲線Fig.3 Variation curve of system Primary Energy Ratio with air fuel ratio

圖4　系統(tǒng)相對節(jié)能率隨空燃比的變化曲線Fig.4 Variation curve of the system relative energy savings rate with air fuel ratio

由模擬結(jié)果可以看出，在空燃比大于完全燃燒時的空燃比值時（a≥16.262），隨著空燃比的增大，分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用效率和系統(tǒng)相對節(jié)能率呈逐漸下降的趨勢。在空燃比的設(shè)定中需不小于16.262，否則不完全燃燒會造成燃料的浪費，降低系統(tǒng)的能源利用效率?？杖急葟?6.262增加到25.262時，一次能源利用率下降了5.44%，相對節(jié)能率下降了其本身的5.86%，下降的幅度較大。

空燃比的增加，燃料的體積分?jǐn)?shù)將會下降，導(dǎo)致體積流量相同情況下的煙氣成分中燃料燃燒后產(chǎn)物的百分比很大程度上的下降，對煙氣成分的改變，影響之一是對煙氣的平均定容/定壓比熱有所改變，同時，燃料的體積減小燃燒時的高溫由多余常溫空氣的中和而降低，溫升幅度減小，絕熱膨脹時的溫差也將減小。從圖1內(nèi)燃機(jī)工作T-S圖中可以看出，溫差越小，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出功越小，同樣的發(fā)電機(jī)效率下，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的輸出功呈正比的關(guān)系，因此內(nèi)燃機(jī)的空燃比越大，發(fā)電效率越小。同時系統(tǒng)的一次能源利用效率與相對節(jié)能率均有不同程度的降低。

3.3環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度對于分布式能源設(shè)備機(jī)身的散熱影響較大，對內(nèi)燃機(jī)的工作效率和溴化鋰機(jī)組的效率影響較為明顯。下圖5與圖6分別是分布式能源系統(tǒng)一次能源利用效率和系統(tǒng)相對節(jié)能率隨環(huán)境溫度的變化曲線。

圖5　系統(tǒng)一次能源利用效率隨環(huán)境溫度的變化曲線Fig.5 Variation curve of system Primary Energy Ratio with the ambient temperature

圖6　系統(tǒng)相對節(jié)能率隨環(huán)境溫度的變化曲線Fig.6 Variation curve of the system relative energy savings rate with the ambient temperature

由模擬結(jié)果可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)（T≤30℃），隨著環(huán)境溫度的增大，分布式能源系統(tǒng)的一次能源利用效率和系統(tǒng)相對節(jié)能率的變化趨勢并不明顯，數(shù)值雖然有變化但變化幅度很小，但超過這個范圍后，系統(tǒng)的一次能源利用效率和系統(tǒng)相對節(jié)能率呈下降的趨勢，環(huán)境溫度從30℃增加到35℃，系統(tǒng)的發(fā)電效率下降了其本身的3.55%，相對節(jié)能率下降了其本身的4.68%，下降的幅度較大。環(huán)境溫度在超過40℃時，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)體溫度散熱較差，輻射熱較大，同時從廠家設(shè)計機(jī)體材料的角度看，內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)較差，另一方面由于溴化鋰?yán)錅厮畽C(jī)制冷工況下須有冷卻水換熱，冷卻水的溫度與環(huán)境溫度息息相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度超過40℃時，如不增加其他加大冷卻的措施，冷卻水的進(jìn)水溫度基本已經(jīng)達(dá)到冷凝器中的循環(huán)冷劑的額定溫度，無法進(jìn)行換熱，溴化鋰機(jī)組也無法進(jìn)行制冷，因此要求環(huán)境溫度不能過高，否則需要加大溴化鋰機(jī)組冷卻水冷卻負(fù)荷，或暫時停止分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行。

4　結(jié)論

文章通過對分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和溴化鋰機(jī)組的原理分析，建立了分布式能源系統(tǒng)的物理數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬分析。通過對環(huán)境溫度的影響擾動和空燃比的影響得出分布式能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)集中供能系統(tǒng)和單一電能生產(chǎn)系統(tǒng)，采用分布式能源系統(tǒng)可以提高能源利用率，節(jié)約大量的供能費用，但是其節(jié)能效率受空燃比和環(huán)境溫度的影響。

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Distributed Energy System Simulation Research

Huang Heqing1Shen Zhihe1Wu Yaping2
( 1.School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009;
2.Anhui Top New Energy Co., Ltd, Hefei, 230009 )

【Abstract】In this paper, the configuration of distributed energy system is mainly in the form of internal combustion flue gas hot water + lithium bromide units were simulated, respectively, for the internal combustion engine and lithium bromide units mathematical modeling. By engineering calculation software EES calculated result is an air-fuel ratio, respectively, and the ambient temperature affects the distributed energy system energy rate changes. It plays a role in the guidelines for the operation of the actual project.

【Keywords】Distributed energy; internal combustion engine; bromide; primary energy utilization; saving rate

中圖分類號TK01+9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-009-06

通訊作者：沈致和（1963.08-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：13905601348@163.com

收稿日期：2015-02-06