【论文精选】内燃机型联供系统变电负荷工况实验和模拟-煤气与热力杂志

作者：刘贤贤
第一作者单位：山东建筑大学
摘自《煤气与热力》2018年9月刊
1 概述
冷热电三联供系统是目前分布式能源常用的形式之一，一次能源综合利用率达60%～80%，对于优化我国能源结构，充分利用天然气资源，实现能量梯级利用有重要的意义［1-3］。三联供系统常用的原动机有燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池等，由于燃气内燃机具有负载波动适应性强、启动时间短、便于移动等优点，广泛应用于投资低、负荷需求不高的场所［4］。内燃机型联供系统［5］使用天然气、沼气、汽油等作为燃料，通过燃料燃烧带动发电机发电，利用高温烟气余热驱动相应的制冷或制热机，同时回收缸套循环水余热，满足外界冷、热负荷及生活热水需求。
三联供系统的运行性能和多种因素有关，内燃机发电机作为整个内燃机型联供系统的核心设备，外界电负荷的变化直接影响系统的运行经济性、机组性能系数、余热回收效率等。本文以某一学校的内燃机型三联供系统为研究对象，通过实验和模拟分析用户电负荷变化对三联供系统运行的影响，为进一步系统优化运行提供理论依据。
2 燃气内燃机型三联供实验系统
①系统实验原理
燃气内燃机型三联供实验系统原理见图1。该系统有冬季供暖和夏季制冷两种运行模式，本实验研究夏季制冷模式下，用户电负荷变化对系统运行性能的影响。实验系统由燃气内燃机、吸收式制冷机组、冷却塔、温度传感器、流量泵、流量计、冷用户、热用户和电负荷开关等组成涂多多。

图1 燃气内燃机型三联供实验系统原理
燃气内燃机是整个三联供系统的核心设备，将天然气的化学能转化成动能，带动发电机发电，供给教学楼和校园区内基础设施使用。通过控制电负荷开关的通断将电负荷分配给不同的电用户，以此来调节变电负荷工况。当外界电负荷变化时，内燃机和发电机的内部控制器会进行实时自动响应，满足外界电负荷变化的需求。
内燃机产生的高温烟气驱动吸收式制冷机组的高压发生器和低压发生器，实现烟气的梯级利用，制冷机产生的冷水由流量泵3送入教学楼，提供教室所需的冷量。
缸套循环水主要用来冷却缸套，循环水的热量在缸套水换热器内传递给生活热水回水，生活热水回水升温后由流量泵2送到热用户，通过控制生活热水的流量，使缸套循环水回水温度维持定值。
冷却塔主要冷却吸收式制冷机组，带走吸收器和冷凝器放出的热量。
除上述主要的设备外，关键循环管路中都设有流量计、温度传感器、流量泵、阀门等，用于实验数据采集、监控系统运行状况和控制电路的通断。
②实验系统
实验所使用的是山东师范大学历山学院新能源研究所搭建的内燃机型三联供系统，现坐落于历山学院青州校区3号能源站内。内燃机发电组机的最大输出电负荷为200 kW，夏季最大制冷能力为190 kW。3号能源站主要为能源站自身、南部校区教学设施、园区内基础设施供电，夏季为文昌楼的南面教室提供空调冷负荷，全年为游泳馆提供洗浴热水。内燃机型联供系统的实验台和实验测量设备可参阅文献［6］。
3 实验方法
实验在夏季制冷模式下进行，研究用户电负荷变化、系统余热回收效果、制冷机的运行和三联供系统的性能变化情况，具体实验步骤如下。
①系统启动：首先检查各循环管路、供电线路、天然气进气管道是否正常；然后打开天然气进气阀门，开启冷却水水阀，点燃内燃机，带动发电机工作，同时开启生活热水水泵；当供电运行正常时，开启冷水泵、冷却水泵和吸收式制冷机组水獭小宝贝，系统在制冷模式下正常运行。
②变电负荷工况调节：系统可以离网或并网运行，在实验过程中，首先切换并网开关，使系统处于离网状态进行实验。每栋教学楼上都有一个电负荷开关，通过控制电负荷开关的通断实现变电负荷工况调节，各个电负荷开关对应的用户电负荷见表1。
表1 电负荷开关对应的用户电负荷

3号能源站、文昌楼和求是楼的电负荷属于确定性负荷，这些用电设备可以关闭或全部开启，一般开启后电负荷需求是比较稳定的；园区内基础设施的电负荷是随机性负荷，主要来自校园内人员随机用电和路灯等基础用电设备，一般部分运行，在实验中属于不可控因素。通过控制4个电负荷开关的通断车奉朝，可以得到5种电负荷工况范围，实验测试的5种不同电负荷工况见表2。实验测试时，5种电负荷工况点分别取为0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW 、160.50 kW哈尔斯塔特 。
表2 实验测试的5种不同电负荷工况

③数据采集和处理：每次变工况测试，都要经历调试和稳定运行两个阶段，当系统稳定运行时，每隔1 min采集一次所需的温度和流量数据，共采集20 min梦八队，取20次采集数据的平均值作为最终实验数据分析值。
④系统停机：首先将吸收式制冷机组停机，停止冷水泵和冷却水泵；然后发动机停机，切断天然气进气阀门，关闭冷却水水阀和生活热水水泵；接着切换并网开关，恢复电网对教学楼和园区的供电。
4 系统模型的建立
冷热电三联供系统的实际运行过程较为复杂，在使用Aspen Plus进行模拟计算时，为了简化计算，做出如下假设［7］。
①模拟条件假设
a.忽略系统管路压降和热量损失；
b.忽略流量泵、溶液泵和阀门的功率消耗；
c.制冷机的吸收器工作压力等于蒸发器工作压力，发生器工作压力等于冷凝器工作压力；
d.制冷机中从吸收器流出的稀溶液和从发生器中流出的浓溶液均为饱和溶液；溶液吸收过程采用传热和传质分离的模型。
②模型的搭建及模拟流程
利用Aspen Plus 8.0软件进行模拟。基于Aspen Plus的燃气内燃机型联供系统流程截图见图2。系统流程由天然气燃烧、缸套循环水余热制热水和烟气余热回收制冷3部分构成。

图2 基于Aspen Plus的燃气内燃机型联供系统流程截图
a.天然气燃烧流程
从天然气管道出来的天然气S38和空气S37混合进入内燃机NEIRANJI，在内燃机NEIRANJI内部燃烧，输出电负荷、缸套循环水和烟气S1。含有大量余热的高温烟气S1依次经过烟气换热器YANQI1和YANQI2，将热量分别经S15、S18节点供给吸收式制冷机组的高压发生器HGEN和第二低压发生器LGEN2，最后烟气S33排入大气。
b.缸套循环水余热制生活热水流程
缸套水换热器RESHUI吸收缸套循环水的热量，传递给生活热水回水S47，生活热水S47升高温度后供热用户使用。
c.烟气余热回收制冷流程
物流S3（溴化锂溶液）经泵PUMP1提高压力后，进入溶液热交换器HEATX2陈笠笠，与来自低压发生器LGEN1的溴化锂溶液S10交换热量，升高温度后变成S5进入分流器SPLIT。溶液S5分为两股，一股溶液S8经过泵PUMP2升高压力后变成S13，S13进入溶液热交换器HERTX2，和来自高压发生器HGEN的浓溶液S21进行热交换，升高温度后的S22进入高压发生器HGEN；另一股溶液S9直接进入第二低压发生器LGEN2。溴化锂溶液在高压发生器HGEN和第二低压发生器LGEN2内吸收YANQI1和YANQI2的热量沸腾，分别产生水蒸气S24和S11。S24作为低压发生器LGEN1的驱动热源，释放热量后变成物流S25。从第一低压发生器LGEN1出来的水蒸气S12、从第二低压发生器LGEN2出来的水蒸气S11以及物流S25混合进入冷凝器CON徐靖雯。冷凝后变成液体S26，物流S26经节流阀VALVE1节流降压形成S31，物流S31在蒸发器EVA内蒸发吸热形成水蒸气S32，物流S32、物流S7和物流S17一同进入吸收器MXER+ABS，经过降温后形成物流S30。
③模块及参数设定
为了和实验相对照，模拟时同样以内燃机输出功率为0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW分别进行模拟到阜阳六百里，下面以内燃机输出功率为160.50 kW为例进行模拟过程的介绍。燃气内燃机型联供系统模型的单元模块及参数设定见表3。Rgibbs是根据吉布斯自由能最小化来确定反应产品的反应器，可以模拟气相、液相或固-液-气相的反应。本文模拟时内燃机选用Rgibbspanelist模块四叶莲，在模块设定时，以计算相平衡和化学平衡作为反应器的发生条件，设定反应压力为500 kPa，设定160.50 kW热负荷作为电负荷输出，设定可能的产物组分为气相的CO2、混合相的Water，其他参数的设定选择默认即可。同时设定天然气和空气这两股进料的温度、压力、流量和组成。
表3 燃气内燃机型联供系统模型的单元模块及参数设定

④初始参数设置
Aspen Plus软件内部有多种不同的物性方法，本文在模拟内燃机发电模块时采用RKS-BM方法，在模拟吸收式制冷模块时采用ELECNRTL物性方法，选择Wegstein方法进行收敛计算。物流的初始参数设置见表4。
表4 物流的初始参数设置

模拟用天然气在标准状态（温度为273.15 K，压力为101.325 kPa）下的密度为0.762 kg/m3，低热值为37 217.9 kJ/m3。
5 模拟结果
设定内燃机输出功率为160.50 kW时，各物流节点的模拟结果见表5。
表5 各物流节点的模拟结果
6 实验与模拟结果对比分析
改变内燃机的输出功率，实验并模拟电负荷分别在0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW时系统的运行情况刘贵夺。
①电负荷变化对余热回收的影响
电负荷分别在0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW时，随着电负荷的增加，实验与模拟余热回收量随电负荷的变化见图3，实验与模拟余热回收效率随电负荷的变化见图4。

图3 实验与模拟余热回收量随电负荷的变化

图4 实验与模拟余热回收效率随电负荷的变化
由图3可以看出，烟气余热回收量和缸套循环水余热回收量都呈增加趋势。实验测得，电负荷为160.50 kW时，烟气余热回收量为139.50 kW，缸套循环水的余热回收量为74.77 kW。可见随着电负荷增加洪子晴，烟气余热回收量增加较缸套循环水余热回收量增加较为平缓，模拟结果也证明了这一点，当用户电负荷接近满负荷运行时，烟气余热回收量基本保持稳定。
由图4可以看出，电负荷不同，系统余热回收效率（系统余热回收量占燃料燃烧除发电量外其余热量的比值）也不同，随着电负荷增加，余热回收效率呈现先增加后下降的趋势。模拟结果显示，当发电量为44.13 kW时，余热回收效率最高，为0.73。说明联供系统在制冷模式运行时，仍有较多的余热量损失。
②电负荷变化对吸收式制冷机组的影响
电负荷分别在0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW时，随着电负荷的增加，实验与模拟电负荷变化对制冷量的影响见图5，实验与模拟电负荷变化对制冷机组性能系数（吸收式制冷机的制冷量与吸收烟气余热量的比值）的影响见图6。

图5 电负荷变化对制冷量的影响

图6 电负荷变化对制冷机组性能系数的影响
由图5、6可以看出，对实验系统而言，电负荷为0 kW时，制冷量为44.60 kW，制冷机的制冷量随着电负荷的增加而升高年妃，电负荷达160.50 kW时，制冷量为130.50 kW。吸收式制冷机组的性能系数随着电负荷的增加几乎呈直线上升趋势，电负荷从0 kW升高到160.50 kW时，制冷机组的性能系数由0.43升高至0.94。
在整个变工况运行过程中，制冷机都处于工作状态，但是制冷机的制冷量和最大制冷能力190 kW相比，仍有较大差距。一方面由于发电机没有处于全负荷运行，余热回收量没有达到最大值；另一方面由于烟气余热并不能全部被制冷机利用，余热回收效率不能达到1。实验系统周围，尤其是蒸发器，没有绝热结构，使制冷机组存在冷量损失，导致实验测得制冷量和模拟结果差值较大，但总体来说，制冷量和制冷机组性能系数随着电负荷的增加而增加。
③电负荷变化对系统发电效率的影响
电负荷分别在0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW时，随着电负荷的增加，实验与模拟发电效率随电负荷的变化见图7。

图7 发电效率随电负荷的变化
由图7可以看出，发电效率随电负荷的升高而升高，且增长速度逐渐变缓，实验值最终稳定在0.27。当电负荷低于90 kW时，发电效率提高较快。
④电负荷变化对一次能源利用效率的影响
对系统从热力学第一定律角度分析，一次能源利用效率为：

5种工况下，实验和模拟数据见表6。
表6 实验和模拟数据

将表6数据代入式（1），分别得到实验和模拟的系统一次能源利用效率。实验与模拟系统一次能源利用效率见图8。

图8 不同工况下系统的一次能源利用效率
由图8实验数据可以看出，电负荷从0 kW增加到89.24 kW，一次能源利用效率从0.22增加到0.64；电负荷增加至160.50 kW，一次能源利用效率从0.64缓慢减小到0.62。一次能源利用效率随电负荷的增加先升高后降低。由于系统实际运行时存在各种热量损失，而模拟过程忽略了各管路、设备与外界的热量交换，导致一次能源利用效率的模拟结果始终大于实验测试结果。
⑤电负荷变化对系统运行经济性的影响
对三联供系统的能量回收和经济性分析杏璞霜，通常采用一次能源节约率和运行费用节约率作为评价指标。一次能源节约率表示相同能量输出下，联供系统运行比采用电网供电、燃气锅炉供热和电驱动供冷的传统分供系统运行所消耗一次能源节约率，计算式［8］为：

运行费用节约率表示相同能量输出下，联供系统运行中消耗的费用比传统分供系统运行所消耗费用的节约率，计算式［10］为：

天然气价格为2.8元/m3，标准状态（273.15 K、101.325 kPa）下的低热值为37 217.9 kJ/m3，按热量计天然气价格为7.523×10-5元/kJ。电价为0.8 元/（kW·h），则按电能计价为2.22×10-4元/kJ。
电负荷分别在0 kW、44.13 kW、89.24 kW、123.19 kW、160.50 kW时，随着电负荷的增加，实验与模拟一次能源节约率随电负荷的变化见图9，实验与模拟运行费用节约率随电负荷的变化见图10。

图9 一次能源节约率随电负荷的变化

图10 运行费用节约率随电负荷的变化
由图9、10可以看出，当电负荷为0 kW和44.13 kW时，一次能源节约率和运行费用节约率都小于0，说明此时采用联供系统供能是不节能和不经济的。当电负荷由89.24 kW逐渐增大时，一次能源节约率和运行费用节约率呈现逐渐增大最后趋于稳定的趋势。根据模拟数据可知，当电负荷由89.24 kW增加到160.50 kW时，一次能源节约率从14%增加到15%，运行费用节约率从13%增加到15%。
7 结论
①随着电负荷的增加我的灿烂人生，系统的余热回收量不断增加，而余热回收效率呈先快速增加，后缓慢下降的趋势高瑞欣。模拟结果显示，当电负荷为44.13 kW时，余热回收效率最高，为0.73。
②吸收式制冷机组的制冷量和性能系数随电负荷的增加而增加，当电负荷为160.50 kW时，实验制冷量为130.50 kW，制冷机的性能系数为0.94。
③系统发电效率随电负荷的增加而升高，增长速度由快到慢，实验值最终稳定在0.27。
④随着电负荷的增加，一次能源利用效率先升高后降低。
⑤扣除电负荷为0的情况，一次能源节约率和运行费用节约率随电负荷的增加而缓慢增加，当电负荷为160.50 kW时，一次能源节约率和运行费用节约率的模拟值均为15%。

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