內燃機、燃氣輪機和微燃機在冷熱電聯供系統中的性能分析

楊　昆，武海濱，朱曉軍，許裕栗，甘中學

(新奧科技發展有限公司 煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊　065001)

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內燃機、燃氣輪機和微燃機在冷熱電聯供系統中的性能分析

楊昆，武海濱，朱曉軍，許裕栗，甘中學

(新奧科技發展有限公司 煤基低碳能源國家重點實驗室，河北 廊坊065001)

首先對內燃機、燃氣輪機以及微燃機在發電效率、余熱特性、變負荷特性、環境影響以及經濟性能等方面進行了分析，通過分析，得出了不同動力裝置的適用場合；以北京市某小型賓館為應用對象，擬采用內燃機冷熱電聯供系統和微燃機冷熱電聯供系統作為該賓館的供能系統，在滿足賓館用能需求的前提下，分析比較了這兩種系統在變負荷條件下的天然氣耗量、一次能源利用率等方面，最后分析了冷熱電聯供系統高效發展的瓶頸問題，通過分析得到以下結論：從燃氣耗量和一次能源利用率兩方面來看，內燃機冷熱電聯供系統在該類型的建筑中更具優勢；冷熱電聯供系統與用戶間的供需不匹配問題是制約其高效率發展的重要瓶頸。

內燃機；燃氣輪機；微燃機；冷熱電聯供系統

目前，以能源互聯網為焦點的新一代能源革命正在興起，其主要特點之一是支持大規模分布式能源系統的接入[1]，這在一定程度上促進了分布式能源系統的發展。冷熱電聯供系統(Combined Cooling，Heating and Power System，簡稱CCHP)是分布式能源系統中應用前景明朗，同時也是最具實用性和發展活力的形式之一[2]，由于其實現了能量的梯級利用，也更便于可再生能源的有效利用，成為了國內外的研究熱點。對CCHP系統的研究主要集中在了系統的最優結構配置[3-7]、系統能量調控與運行管理[8-11]、系統的評價準則與運行方法[12-16]以及新技術在冷熱聯供系統中的應用[17-19]等方面。

1　性能比較

1.1發電效率

為了對內燃機、燃氣輪機和微燃機的發電效率有一個比較直觀的認識，選取了內燃機(Caterpillar)[22]、燃氣輪機(Solar)和微燃機(Capstone)[23]中比較典型的設備進行分析，不僅比較了不同動力設備發電效率的相對大小，同時，對相同動力裝置同系列設備的發電效率隨規模增大的變化規律進行了分析，如圖1～圖3所示。

圖1　內燃機發電效率變化趨勢

圖2　燃氣輪機發電效率變化趨勢

圖3　微燃機發電效率變化趨勢

由圖1～圖3可得：內燃機的發電效率較高，通常在30%～45%之間，而燃氣輪機和微燃機的發電效率要小于內燃機，分別在20%～35%和25%～35%之間；無論是內燃機、燃氣輪機還是微燃機，其發電效率隨規模的變化規律基本相同，均是首先隨著規模的增大而增大，然后逐漸趨于平穩。

動力裝置發電效率隨規模的變化規律是探討CCHP系統最優規模的重要依據，在CCHP系統規模較小時，隨著其規模的不斷增大，動力裝置的發電效率增加較快，是影響CCHP系統性能的重要因素，當系統達到一定規模后，動力裝置的發電效率趨于穩定，對CCHP系統性能影響較小，其他影響因素占據主導地位。

1.2余熱特性

內燃機、燃氣輪機和微燃機的余熱特性如圖4～圖7所示。

圖4　內燃機缸套水余熱特點

圖5　內燃機排煙余熱特點

圖6　燃氣輪機排煙余熱特點

圖7　微燃機排煙余熱特點

由圖4～圖7可得：內燃機、燃氣輪機和微燃機的余熱特點不同，內燃機余熱包括缸套冷卻水余熱和排煙余熱，而燃氣輪機和微燃機的余熱主要是排煙；內燃機的排煙流量和缸套冷卻水流量均隨著規模的增大而逐步增加，而溫度隨著其規模的變化基本穩定，燃氣輪機和微燃機排煙流量和溫度隨規模的變化規律與內燃機一致，均隨著規模的增大而逐步升高，排煙溫度基本保持穩定；燃氣輪機的排煙溫度最高，約為460～540℃，其次為內燃機，其排煙的溫度約為400～450℃，微燃機由于采用了回熱循環使得排煙溫度較低，一般低于300℃。

1.3變負荷特性

CCHP系統的應用對象通常為小型的能源用戶，其冷熱電負荷的變化較大，動力裝置常常會處于部分負荷的運行狀態，其變負荷特性對CCHP系統性能的影響較大，因此研究動力裝置的變負荷特性具有重要意義。左政，等[21]以3 MW的內燃機(G3616)和燃氣輪機(Centaur40)為研究對象，分析了在變負荷下這兩種設備的發電效率和熱效率的變化規律(如圖8所示)。

圖8　內燃機和燃氣輪機(3 MW)的發電效率和熱效率在不同負荷率下的變化規律

由圖8可得，在3 MW的機組功率下，無論是內燃機還是燃氣輪機，其發電效率均隨著負荷率的降低而降低，且下降幅度較緩；從余熱利用的角度分析，燃氣輪機的余熱利用效率高于內燃機，這是因為燃氣輪機的余熱主要是溫度較高的排煙，而內燃機的余熱分為排煙和缸套冷卻水兩部分，其中缸套冷卻水的溫度較低(85～100℃)，利用受限[2]；燃氣輪機的熱效率隨著負荷率的降低而降低，而內燃機的熱效率隨著負荷率的降低略有上升，這是因為隨著負荷率的降低，內燃機的進口空氣流量減小，排煙溫度上升，使得熱效率有所提高。

微燃機的變負荷特性如圖9所示[24]。

圖9　微燃機的發電效率在不同負荷率下的變化規律

由圖9可得：微燃機的發電效率隨著負荷率的降低而降低，呈現出與燃氣輪機和內燃機相同的變化規律。

1.4環境影響

以天然氣為燃料的CCHP系統產生的污染物主要為氮氧化物(NOx)，因此對內燃機、燃氣輪機和微燃機的NOx排放的分析，首先要搞清楚NOx的生成機理及影響因素。

NOx的生成機理主要包括熱力型、快速型和燃料型[25]。其中，熱力型和快速型的NOx生成機理都是針對空氣中的N2在高溫下轉變為NOx，而燃料型NOx是指那些含N的燃料在燃燒過程中生成NOx，燃用天然氣的CCHP系統中，燃料型的NOx不在討論范圍之內，又因為快速型NOx所占的比例較小[25]，因此主要討論熱力型。

熱力型NOx是指，在高溫燃燒過程中，空氣中的氮和氧進行反應生成氮氧化物，其生成機理被廣泛接受的是“捷爾杜維奇機理”(Zeldovich Mechanism)，其生成反應為[25]：

O22O

O+N2NO+N

N+O2NO+O

N+OHNO+H

式中kf1，kf2，kf3，kb1，kb2，kb3分別為上述三個反應的正向和逆向反應速率常數。

在燃燒過程中，影響NOx生成的因素主要包括三方面[25, 26]：氧原子的濃度、反應溫度與高溫滯留時間。高溫、富氧和高溫滯留時間長這三者缺一，就可以抑制NOx的生成。

從抑制NOx生成的因素出發，內燃機、燃氣輪機和微燃機都采取相應的措施來降低NOx的生成，其中內燃機主要采取稀燃和富燃后催化處理等措施[27]，燃氣輪機主要采用燃燒時注水和蒸汽、預混、催化燃燒等[28]，微燃機采取的主要措施包括預混和回熱等[27]。

動力裝置的排放性能，常用一定含氧量下，污染物的排放量來進行描述，經過處理后，內燃機的排放大約在35～225 ml/l，燃氣輪機在9～42 ml/l，微燃機的排放濃度小于9 ml/l[27]。

圖10　內燃機、燃氣輪機和微燃機初裝費用的變化趨勢

圖11　內燃機、燃氣輪機和微燃機運行維護費用的變化趨勢

1.5經濟性能

動力裝置的經濟性能對冷熱電聯供系統的整體經濟性有重要影響，圖10和圖11表示出了內燃機、燃氣輪機和微燃機在2000年和2020年單位kW的初裝費用和運行維護費用[27]。

由圖10～圖11可得：隨著技術的不斷發展，內燃機、燃氣輪機和微燃機的初裝費用和運行維護費用都將下降，且隨著動力裝置規模的增大，單位kW的初裝費用和運行維護費用會更低；隨著微燃機技術的不斷發展，到2020年100 kW級的微燃機初裝費用和運行維護費用甚至比內燃機更具優勢。

2　適用場合

通過以上分析，由于內燃機、燃氣輪機和微燃機的發電效率、余熱特性、變負荷特性、環境性能以及經濟性能等的差異，因此針對不同負荷特征的建筑應選擇合適的動力裝置。圖12表示出了幾種典型建筑的冷(熱)電負荷關系[2]。

圖12　不同類型建筑的冷(熱)負荷比

由圖12可得：飯店、醫院等類建筑的熱(冷)電負荷比例較大，生活熱水負荷也較大，因此采用內燃機CCHP系統的方式較為合理；而對于辦公樓和商場類的建筑，熱(冷)電負荷比例較小，生活熱水負荷也較小，因此選擇燃氣輪機CCHP系統更為合理；而微燃機CCHP系統更適用于那些以輸出電為目的的建筑類型，例如，一些商場和輕工業設施等[2, 27]。

3　工程案例

3.1負荷分析

北京某地區擬建一賓館，規劃占地面積約為10 000 m2，其中包括客房、餐廳以及會議室等，其全年的冷(熱)電及生活熱水負荷如圖13～圖15所示，具體模擬詳見參考文獻[5]和文獻[11]。

圖13　賓館全年冷熱逐時負荷

圖14　賓館全年電逐時負荷

圖15　賓館全年生活熱水逐時負荷

3.2系統分析

擬采用圖16所示的CCHP系統作為該賓館的供能系統，在滿足賓館冷(熱)電和生活熱水負荷的前提下，分析內燃機和微燃機CCHP系統的天然氣耗量和一次能源利用率等。

圖16　CCHP系統示意圖

天然氣進入動力裝置燃燒，驅動發電機發電，排煙用于驅動吸收式制冷機夏季制冷、冬季供暖，若排煙量不足，則由天然氣補燃，生活熱水由吸收式制冷機提供(若動力裝置為內燃機，則生活熱水首先由缸套冷卻水提供，不足時由吸收式制冷機提供)。

系統中各設備的性能參數如表1所示。

表1　系統設備性能參數[5, 21, 24, 29, 30]

注：表示電負荷率；表示冷負荷率；表示燃氣耗量(Nm3/h)

3.3性能分析

內燃機CCHP系統和微燃機CCHP系統在滿足該賓館負荷前提下的天然氣耗量如圖17所示。

圖17　系統的天然氣耗量

由圖17可得：無論是冬季、夏季或過渡季，內燃機CCHP系統的天然氣耗量都比微燃機CCHP系統的天然氣耗量低，這主要是因為內燃機的發電效率相對于微燃機較高，同時賓館類型的建筑有生活熱水負荷，內燃機的缸套冷卻水可以得到有效利用，同時微燃機的排煙溫度也較低，熱效率不高，因此在滿足同樣負荷的基礎上消耗的天然氣更多。

CCHP系統的熱力性能常用一次能源利用率(Primary energy rate，PER)作為評價指標，即系統的輸出能量與輸入能量的比值，在能量的計算過程中，將電、冷、熱及熱水同等看待，直接相加[5]。CCHP系統分別采用內燃機和微燃機的系統一次能源利用率如圖18所示。

圖18　一次能源利用率曲線

由圖18可得：不管是內燃機CCHP系統，還是微燃機CCHP系統，系統的一次能源利用率呈現出相同的變化規律，即在冬夏季較高，而在過渡季較低；內燃機CCHP系統的一次能源利用率比微燃機一次能源利用率高，這主要是因為內燃機的發電效率較高，余熱利用率高，同時具有較好的變負荷特性。

3.4系統存在的問題

CCHP系統在能量的梯級利用方面效果顯著，但是由于CCHP系統受終端用戶和外部環境的影響很大，系統供能和用戶需求間的供需不匹配問題已經成為CCHP系統向前高效發展的最大瓶頸，在此以內燃機CCHP系統的生活熱水平衡為例來加以說明，如圖19所示。

圖19　內燃機CCHP系統生活熱水供需平衡圖

由圖19可得：以月為單位來看，內燃機的缸套冷卻水完全可以滿足賓館的生活熱水負荷，但是每個月還需要生活熱水的補燃，造成這種結果的原因是賓館生活熱水需求在不同時刻的差異較大，如圖20所示。用戶生活熱水需求的時間差異性導致內燃機CCHP系統產生的缸套冷卻水不能實時滿足賓館的生活熱水負荷，大部分時刻滿足，某些時刻卻不能滿足，需要補燃，這種供需不匹配是限制了CCHP系統高效發展的重要問題。

圖20　典型日生活熱水負荷

4　結論

(1) 三種動力裝置的發電效率由高到低的順序依次為內燃機、微燃機和燃氣輪機，且隨著規模的增加，發電效率先增加后趨于平穩，呈現拋物線形式。

(2)三種動力裝置的余熱特點不同，內燃機包括缸套冷卻水余熱和排煙余熱，燃氣輪機和微燃機主要是排煙余熱；余熱利用效率燃氣輪機要高于內燃機和微燃機。

(3)三種動力裝置的發電效率均隨著負荷率的下降而降低；燃氣輪機和微燃機的熱效率隨著負荷率的降低而下降，而內燃機的熱效率隨著負荷率的降低而有上升趨勢。

(4)從環境影響來看，微燃機的環境性能最優，其次是燃氣輪機和內燃機；從經濟性能來看，三種動力裝置的初裝費用和運行維護費用都將不斷降低，微燃機在未來的發展中更具優勢。

(5)以北京某賓館為對象，供能系統采用內燃機CCHP系統和微燃機CCHP系統，得到，在滿足該賓館冷(熱)電及生活熱水負荷的前提下，內燃機CCHP系統消耗的天然氣量較少，且一次能源利用率較高；從全年來看，CCHP系統的一次能源利用率在冬夏季較高，而在過渡季較低。

(6)CCHP系統在能源梯級利用方面的作用突出，但是供需不匹配問題是其繼續向前高效發展的重要瓶頸。

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(本文編輯：楊林青)

Performance Analysis of the Combined Cooling Heating and Power System (CCHP) based on Internal Combustion Engine, Gas Turbine and Micro Gas Turbine

YANG Kun， WU Hai-bin，ZHU Xiao-jun，XU Yu-li， GAN Zhong-xue

(ENN Science & Technology Development Co., Ltd，State Key Laboratory of Coal-based Low Carbon Energy，Langfang 065001，Hebei，China)

The power generation efficiency, characteristic of waste heat and variable load, environmental performance and economic performance of internal combustion engine, gas turbine and micro gas turbine are analyzed. Through the analysis, the applicability of different power plant is obtained. Taking a small hotel in Beijing as the object of application, the combined cooling heating and power system (CCHP) based on internal combustion engine and micro gas turbine is used to meet the load demand of the hotel. The consumption of natural gas and primary energy rate of the two systems are compared, and the bottleneck of the high efficiency development of the CCHP system is analyzed in the end. Through the analysis, the following conclusions are obtained: from the gas consumption and primary energy rate, the CCHP system of internal combustion engine has more advantages in this type of building, mismatch between supply and demand is the main bottleneck which restricts the high efficient development of of the CCHP system.

internal combustion engine gas turbine micro gas turbine CCHP applicability

10.11973/dlyny201604015

國家重點基礎研究計劃項目(No. 2014CB249200)

楊昆(1988)，男，碩士，從事分布式能源方向研究。

TK47

A

2095-1256(2016)04-0476-07

2016-05-13