分布式能源系統全工況特性實驗研究與能耗分析

王　勇，劉志嬙，周宇昊

（1.華電電力科學研究院國家能源分布式能源技術（實驗）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江杭州310052）

分布式能源系統全工況特性實驗研究與能耗分析

王勇1，劉志嬙2，周宇昊1

（1.華電電力科學研究院國家能源分布式能源技術（實驗）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江杭州310052）

以天然氣內燃機分布式能源系統為例，進行了全工況特性試驗及能耗分析，結果表明：消耗燃氣的流量與功率呈線性關系,機組滿負荷運行氣耗為3.92 kWh/Nm3、燃氣消耗率為0.25，溴化鋰機組的COP隨著功率的增加呈現先增加后減小的趨勢，制冷量與功率成正比例關系。一次能源利用率隨功率的增大而增大，滿負荷時一次能源利用率為76.9%。在低負荷時，相對節能率出現負值，滿負荷時，相對節能率為33.7%，與常規分供系統相比，CO2減排率為46%。

燃氣內燃機；分布式能源；全工況性能；能耗分析

0　引言

為提高能源效率，促進能源結構調整和節能減排，分布式能源受到廣泛關注，現已建分布式能源系統經常處于低負荷運行狀態，系統的全工況性能急劇惡化，分布式系統全工況特性顯得更加重要。

分布式能源與傳統能源相比從燃料、發電設備、運行方式、評價體系都有很大區別，用傳統電站的的規范和設計思路復制于分布式能源是不妥的。對分布式能源系統進行全面的能效分析，為我國分布式能源的發展提供參考是很必要的。分布式能源系統需求負荷時時變化，系統將常處于非設計工況運行狀態，因此研究分布式能源系統全工況性能對推動分布式供能技術發展具有重要的意義。

本文研究以內燃機為動力裝置的分布式能源系統，對其進行全工況實驗研究及能耗分析。著重分析了分布式能源系統在變工況的條件下，機組性能的變化規律，一次能源利用率與節能率的變化，對以內燃機為動力裝置的分布式能源系統的機組的選型與運行優化具有明顯的借鑒意義。

1　燃氣內燃機分布式能源系統

本次實驗的分布式能源系統由2臺315kW燃氣內燃機、余熱利用設備為煙氣熱水型溴化鋰機組及相關輔機組成，雙效型溴化鋰機組熱源為高溫煙氣和內燃機缸套水，煙氣額定溫度為400℃，缸套水的額定溫度為92℃。實驗過程中，采用模擬電負荷作為內燃機的模擬負荷，模擬功率可調節，從5kW開始測試，模擬負荷補償為5kW，大氣溫度為33℃，大氣壓力為101.8kPa。

以內燃機為動力的分布式能源系統流程圖如圖1所示，分布式系統采用內燃機為動力系統，燃料為天然氣，天然氣在內燃機中燃燒，驅動發電機發電，內燃機排出的煙氣進入煙氣型溴化鋰機組進行制冷，提供用戶所需的冷量，或內燃機排出的煙氣直接進入余熱鍋爐，加熱鍋爐給水產生蒸汽驅動蒸汽型溴化鋰機組。內燃機缸套水作為煙氣型溴化鋰的另一路熱源提高溴化鋰的工作效率。理論上一次能源利用率為89.3%，與電網+電制冷的傳統能源相比節約率為36.15%。

1.1內燃機參數

本次實驗的內燃機為日本三菱的315kW的燃氣內燃機，型號為SGP M315，具體參數見表1。

表1　內燃機主要參數

1.2溴化鋰機組的參數

RGD-YG煙氣型溴化鋰是以排煙余熱為驅動源的雙效吸收式制冷機，其冷劑使用純水，水溶液吸收劑使用溴化鋰。制冷時從蒸發器產生冷水，采暖時從蒸發器和板換產生溫水。本機包括蒸發器、吸收器、冷凝器、低溫發生器、高溫發生器等。

表2　煙氣型溴化鋰主要參數

1.3天然氣參數

表3　天然氣主要參數

實驗平臺所用天然氣的實測低位發熱量為34.77MJ/m3。天然氣的實測數據見表3。

2　基于熱平衡法的能效指標

分布式能源系統的組成設備多樣，有不同的技術方案，不同系統的組成，其能效計算的公式也不同，本文采用電網+電制冷的傳統能源系統以及燃氣內燃機+雙效煙氣型溴化鋰機組的天然氣分布式能源，來建立分布式能源系統的一次能源利用率及相對節能率的計算模型，節能率反應的是輸入能量的使用情況，效率比較適合分布式能源系統的評價[2]。

此次實驗的分布式能源系統評價指標可通過下面的公式計算[1]：

式中Qe—分布式能源系統發電量，kW；

G—分布式能源系統天然氣消耗量，m3；

Hul—燃用天然氣低位熱值，MJ/m3。

式中Qh—分布式能源系統制熱量，kW；

COPhl—煙氣型溴化鋰機組制熱工況性能系數。

式中Qr—分布式能源系統回收熱量。

式中Qc—分布式能源系統制冷量,kW。

制冷工況的一次能源利用率為：

分布式能源系統制冷工況的相對節能率：

3　實驗結果分析

3.1系統的流量與氣耗

如圖2所示，在消耗燃氣的流量與功率呈線性關系，功率越高，機組的氣耗率越低，內燃機功率為30kW時，燃氣的流量為22Nm3/h,氣耗為1.41kWh/ Nm3，內燃機的功率為315kW時，燃氣的流量為80Nm3/h,氣耗為3.92kWh/Nm3。

3.2內燃機效率與燃氣消耗率

如圖3所示，功率與內燃機發電機組的效率呈正比例關系，在功率為30kW時內燃機的效率為14.9%，功率為315kW時內燃機的效率為41.4%，燃氣消耗率與內燃機功率成反比例關系，功率為30kW時燃氣消耗率為0.73，功率為315kW時燃氣消耗率為0.25，對于燃氣內燃機發電機組而言，滿負荷運行發電機組的效率高，燃料的消耗率低，經濟性好。

3.3內燃機效率與排氣溫度的關系

如圖4所示，內燃機排氣溫度隨輸出功率的變化，隨之功率的增加，排氣溫度呈現上升的趨勢。實驗值和理論值的誤差比較，隨著內燃機輸出功率的增加，實驗值和理論值趨勢一致且理論值大于實驗值，因為排氣溫度測點設在管道中，煙氣從內燃機出來有熱損失，導致實驗值偏低，實驗值排氣溫度最高為385℃。

3.4制冷量及COP隨功率的變化關系

實驗中冷熱媒水的流量為90m3/h保持恒定，內燃機功率為90kW時，溴化鋰機組的制冷量為105.6kW，功率為90kW時，溴化鋰機組的制冷量為105.6kW，如圖5所示，隨著功率的升高，制冷量增加，呈線性關系，因為內燃機組功率增加，排煙流量增加，機組的排煙溫度上升，溴化鋰機組的高溫發生器的溫差增大，溴化鋰機組的加熱量增加，因此制冷量增加。

隨之內燃機輸出功率的增加，溴化鋰機組的COP先增加后減小，當燃氣內燃機的功率達到275kW時，COP存在最大值約為1.07，原因為功率增加，溴化鋰機組的流量及溫度升高，溴化鋰機組的高溫發生器加熱量增加，制冷量隨之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加熱量一直增加，因此機組的性能系數COP先增加后減小。

3.5一次能源利用率和節能率的變化關系

如圖6所示，一次能源利用率與發電機組的效率、余熱回收率及煙氣熱水型溴化鋰機組的性能參數有關，與內燃機的容量無關，與需求側的冷熱負荷有很大關系，一次能源利用率隨功率的增大而增大，在功率為30kW時，一次能源利用率為20%，功率為315kW時，一次能源利用率為76.9%。與電網+電制冷的傳統能源系統相比，相對節能率也隨著功率的增加而增加，在功率為30kW時，相對節能率為-16%，在功率為315kW時，相對節能率為33.7%?？梢娤到y在低負荷運轉時，一次能源利用率和相對節能率都很低。內燃機組的發電效率越高，系統的一次能源利用率越大，系統節能。

以天然氣為主的分布式能源系統排放的煙氣中大部分為H2O，少量的CO2，基本無SOX和NOX，選取CO2對本實驗系統的的環保型進行評價。

表3　CO2減排率

4　結語

（1）機組滿負荷運行所需燃氣流量為80Nm3，機組的功率越大，發電效率越高，燃料的消耗率低，機組的氣耗率越低。效率隨著功率的增加而增加。

（2）輸出功率的增加，溴化鋰機組的COP先增加后減小，功率增加，溴化鋰機組的流量及溫度升高，溴化鋰機組的高溫發生器加熱量增加，制冷量隨之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加熱量一直增加，因此機組的性能系數COP先增加后減小。

（3）隨之功率的增加，排氣溫度呈現上升的趨勢。實驗值和理論值趨勢一致且理論值大于實驗值，實驗過程中內燃機功率達到275kW時，排氣溫度達到最高為385℃。與常規分供系統相比，CO2減排率為46%。

（4）一次能源利用率、相對節能率與發電機組呈正比關系，當系統發電效率較低時，當內燃機滿負荷運行時，一次能源利用率為76.9%，與電網+電制冷的傳統能源系統相比，相對節能率也隨著功率的增加而增加分布式能源系統甚至出現不節能的情況。

[1]李海濤.分布式能源系統的熱力學分析與優化[D].保定:華北電力大學，2005.

[2]熊瑤.分布式能源系統的能效計算及優化分析[D].武漢：武漢科技大學，2014.

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[4]侯建敏,周德群.分布式能源系統的復雜性特征分析[J].中國礦業, 2010,（10）：46-48.

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Istributed Energy System All Condition Characteristic Experim ental Study and Analysis of Energy Consum ption

WANG Yong1，LIU Zhi-qiang2，ZHOU Yu-hao1
（1.Huadian Electric Power Research Institute,The National Energy Distributed Energy Technologies Center,Hangzhou 310030,China；2.Zhejiang Zheneng Natural GasOperation Co.,Ltd,Hangzhou 310052,China）

Distributed energy system with natural gas internal combustion engine as an example,the full process characteristic testand energy consumption analysis,the results show that the consumption ofgas flow has a linear relation with power,full load operation of thegasconsumption is3.92 kWh/Nm3，gas consumption rate is0.25,lithium bromide COP with the increase of the power of theunitshowed a trend ofdecreaseafter the first increase,refrigerating capacity and power proportionalrelations.Primary energy utilization ratewith the increase ofpower,energy efficiency is76.9%at fullcapacity at a time.Atlow load,the relativeenergysaving rate isnegative,atfullcapacity,the relativeenergysaving rate is33.7%.

internal combustion engine；distributed energy；performance of the whole working condition；energy consumption analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.05.001

TU83，TM611.2

B

2095-3429（2016）05-0001-04

王勇（1983-），男，吉林敦化人，研究生，工程師，從事分布式能源負荷預測研究工作。

2016-07-08

2016-08-29