小型燃气内燃机CCHP系统余热回收特性实验研究

同济大学机械与能源工程学院 肖利涛 秦朝葵

小型燃气内燃机CCHP系统余热回收特性实验研究

同济大学机械与能源工程学院 肖利涛 秦朝葵

将汽油内燃机改装成燃气内燃机，搭建小型燃气内燃机CCHP系统实验台。对小型燃气内燃机CCHP系统的冷却系统余热和烟气余热及排放特性进行了研究。随着负载的增加，系统余热回收量增长，但其所占总能量比例降低，系统整体能源利用率在80%以上。发动机CO排放随着过剩空气系数增加而降低，NOx排放量在过剩空气系数为1.16达到最大值。

CCHP系统 余热回收特性 烟气排放

0 前言

随着能源危机日趋严重，全世界能源领域一直都在关注未来能源发展的走向和策略，实现能源、环境和经济的协调发展已成为世界能源建设追求的目标。近年来美国西部和马来西亚全国性大停电、中国台湾省发生的3次大停电事故、印度大停电造成了灾难性的后果，为当前的电力生产和供应模式进一步提出警示和要求，因而发展分布式能源系统的推动力越来越大。在大电站建设周期长、投资高、环境污染严重的情况下，鼓励建设洁净、容量小、现场型热、电、冷联产装置，无疑是一种良好的选择。目前许多发达国家已采用分布式能源，且其综合利用效率提高到了90%以上，大大超过传统用能方式的效率。冷热电联产系统(Combined Cooling Heat & Power，CCHP)以其投资小、排放低、能量传输损耗低和能源利用率高等优点，成为未来分布式供能系统的发展趋势。CCHP系统包括原动机、发电机、热回收和制冷装置，通过统一管理进行制冷、供热及供电过程，实现能源梯级利用的新型能源系统，可实现能源利用率的提高和减少CO2及有害气体的排放。一般的燃气内燃机在运行过程中，燃料热量约1/3通过烟气散失，还有约1/3通过缸套水、中冷水及辐射热散失，且燃烧后排出的烟气中含有大量气化潜热较高的水蒸气(10%~11%)。如果能充分回收利用烟气冷凝余热和缸套水余热，整个机组的一次能源利用率可得到很大提高。

1 CCHP系统实验台概述

在CCHP系统的设计中，根据原动机、余热温度水平等不同，CCHP系统有不同的形式。本实验原动机采用内燃机形式，在原JL465Q1型汽油发动机基础上进行改装，选择合适的进气系统，拆除发动机变速器等，改装成天然气发动机，从而带动发电机发电，发动机的余热主要有烟气余热和冷却系统余热，经过换热器的进行热回收。回收的热水在冬季可以直接或经换热后用于采暖和提供生活热水，夏季则可以在冷水被加热到90 ℃后，驱动热水型溴冷机进行制冷。实验台架主要包括发动机系统、发电机系统、余热回收系统、溴冷机系统等。实验装置示意图如图1所示。

图1 实验CCHP系统示意

2 余热回收系统

天然气发动机只能将部分天然气能量转化为轴功从而带动发电机发电，还有大部分的余热量需要进行热回收，只有充分利用这部分热量，CCHP机组才能体现出其优势。发动机余热主要包括发动机缸套冷却热和烟气余热两部分。本实验台余热回收系统示意图如图2所示。

图2 余热回收系统示意

其中，冷却液换热器为SWEP(舒瑞普)钎焊板式换热器E5Tx10H/1P，它具有结构紧凑、充液量小、传热系数高等优点。烟气余热一级回收采用自行设计套管换热器，如图3(a)所示。二级回收采用AIREC(爱瑞科)模块化非对称流量板式换热器2xAC21-20/C，其结构紧凑，机械强度高，且具有较高的换热效率，如图3(b)所示。

图3 余热回收系统换热器

3 实验结果及分析

3.1 实验条件及温度测点布置

实验环境温度为25±5 ℃；大气压力101.3 kPa；所需天然气由上海天然气管网供应，燃气进口压力2 kPa，燃气进口温度15±5 ℃，其组分根据色谱分析如下表1所示：

表1 实验用天然气组分(%)

天然气的热值可以根据各单一气体热值按混合法则公式计算，计算出实验所用天然气低热值为34.9 MJ/m3。

燃气内燃机转速保持在3 000±50 r/min范围内。

燃气内燃机的余热分为冷却系统余热和烟气余热，冷却系统余热属于低温余热，烟气余热属于中温余热，所回收的余热主要用于供热或者溴化锂制冷，在溴化锂制冷中，要求的热水温度为90 ℃，热水流量为3.1 t/h。因此本实验测试了在此条件下发电机分别带动0~12组负载时图4中各温度监测点的值。

图4 余热回收温度测点示意

3.2 冷却系统和烟气余热回收特性分析

各个换热设备的余热回收量可用式(1)计算：

式中：Gw——热水流量，kg/s；

Cw——水的比热，kJ/(kg·℃)；

Tin、Tout——换热器进出口水温，℃。不同负载(0~12组)下各温度测点的值及热水流量和天然气消耗量，见下表2。

表2 余热回收系统温度及流量数据单位：℃

计算得到各个换热器的余热回收量，如图5所示。其中冷却系统余热回收量在负载增加到4组前，一直呈增长趋势，然后负载再增加时，冷却系统热回收量基本维持不变，这是因为冷却系统中冷却液和缸套的换热已达上限。烟气板换和烟气套管的热回收量一直随着负载的增加而增加，这是因为虽然排烟温度变化不大，但烟气的流量在负载增大时呈增长的趋势。因此，总的热回收量随着负载的增加总体上是增长的。

图5 不同负载时各换热器余热回收量

当热水流量变化时，余热回收量变化情况如图6所示。热水流量增加，则换热器中水侧流速增加，这使得换热器水侧对流换热系数有所增加，从而使得余热回收量有所增加。

图6 变流量时各换热器余热回收量(10组负载时)

当负载增加时，发电量增加，发动机为了维持出力则会吸入更多的天然气，增加了输入功率。从而整个的天然气耗量在增长，烟气的热回收量有一定的增长，但占的百分比逐渐减少，发电量占比增加，余热耗量相对稳定，在这个过程中整个机组的效率可达80%以上。

3.3 烟气排放特性分析

烟气排放是燃气内燃机的一个重要指标，其排放受到燃烧系统和燃料性质等多方面因素的影响。实验主要测试了天然气发动机排放中的CO、CO2、NOx等随过剩空气系数变化的关系，过剩空气系数α采用式(2)确定：

式中，RO2′和O2′为烟气中3原子气体和氧气的容积成分均由烟气分析仪得到。

图7为CO、NO和NOx随过剩空气系数变化关系。

图7 CO、NO和NOx随过剩空气系数变化

从图中可以看出，NOx在过剩空气系数为1.16时有最大值，这是由于发动机中NOx的生成主要受缸内的压力及温度控制，而过剩空气的存在增加了燃气分子与空气分子碰撞的可能性，促使燃烧完全，通常过剩空气系数>1，而如果过剩空气系数太大，则会使烟气体积增大，带走更多热量，炉膛温度降低。CO则随过剩空气系数增加而减少，在过剩空气系数低时，此时缸内属于富燃，产生的CO2多，过剩氧少，因空气量的不足，产生大量的CO，随着过剩氧的增加情况好转。

4 结语

(1)余热回收量随着负载的增加而增长，在接12组负载时达23 kW；当余热回收系统的冷水流量增加时，机组的余热回收量有所增加；在负载增加时，热回收量虽也增长，但其所占总能量比例降低，机组整体能源利用率在 80%以上；

(2)发动机CO排放随着过剩空气系数增加而降低，NOx随过剩空气系数先增加后减少，在过剩空气系数为1.16达到最大；

(3)负荷变动对系统的余热回收率有一定影响，只有在一定的负荷变动范围内，小型燃气内燃机CCHP系统才具有一定的优越性。

Study on Features of Waste Heat Recovery in CCHP System Based on Small-Scale Gas Engine

School of Mechanical and Energy Engineering Tongji University Xiao Litao Qin Chaokui

The features are studied in the cooling system of CCHP based on small-scale gas engine. The recovery amount of waste heat increases with the increasing of the load, but its proportion to the total energy is reduced and the energy efficiency in such system is over 80%. The CO emission of engine decreases with the increasing of excess air factor and the NOxemission achieves the maximum value when the excess air factor is 1.16.

CCHP system, features on waste heat recovery, fume emission