关于内燃机分布式冷热电联供技术的有效运用分析

马建龙

摘 要：在内燃机产生的热量中，缸套水余热燃料占有较大比例，约为1/3左右，然而到目前为止，我国在内燃机分布式冷热电联共系统方面的研究时日尚短，尤其是对于变工况、系统集成等各方面的研究相对不足，因此，对内燃机的余热利用进行研究具有重要的现实意义。内燃机分布式冷热电联供技术能够有助于合理利用内燃机能源，促进分布式供能技术的普及。

关键词：内燃机；分布式冷热电联供技术；运用

中图分类号：TK01；F403.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）32-0037-02

能源在日常生活中起到维持生存活动的作用。人们对能源的需求量随着社会经济的发展而与日俱增。目前我国能源利用主要是煤炭，使用煤炭产生的二氧化碳较高，同时可产生大量的硫氧化物、氮氧化物等有害物质，不利于环境保护，另外煤炭利用率不高，造成能源浪费。

分布式能源系统是一种中小型终端功能系统，其主要通过能量梯级利用面向用户，为用户提供制冷、供热、生活热水和电力等多种形式的能量，符合节能和保护环境的要求，其有利于提高能源利用率，减少能源浪费；除此以外，分布式能源系统能够提高供能的安全性，其具备的多种优点使其能源利用中得到重视和推广应用[1]。在实际中，如何有效运用内燃机分布式冷热电联供技术具有重要的研究价值。

1 内燃机分布式冷热电联供系统简述

内燃机分布式电联供系统属于多联产总能系统，该系统主要的建立是基于能源的梯级利用为基础，具备发电、供热、制冷等功能。目前该系统中的动力系统所用的发电设备有内燃机和燃气轮机，在1～5 MW以内的冷热电联产系统中，内燃机的数量大约是燃气轮机的2倍，而在1 MW的系统中，内燃机则占据绝大部分[2]。另外，内燃机分布式冷热电联共系统还装置了余热回收利用设备。其具有多方面的优点：

其一，节约能源。内燃机通过将能源燃料转化成为热能，而释放的热能有多种不同的品质，根据不同热能的品质可以将其转化成为蒸汽热能和二次电能，从而达到合理利用资源的目的，一般情况下，低品位的热能主要用途是供暖和制冷，而高品位的热能的用途主要是发电。通过结合热能品位运用能够实现能源梯级利用，节约能源。

其二，环保。通过冷热电联共系统能够有助于提高能源利用率，减少能源浪费，且对余热的利用率较高，因而排出的烟气温度相对较低，给环境造成的污染较小，起到减少环境污染的作用。

其三，系统安全性高。分布式冷热电联供系统具备多种功能，包括电制冷、热力制冷、自发电、市电等，各种功能互为备用，例如在热力制冷的途径中断时可以采用电制冷，从而提高系统运行的可靠性。而系统同时具备供热、制冷、发电功能，满足不同需求，具有较高的经济性能。

其四，平能能源负荷。我国的能源结构不合理，且随着季节的变化，人们对各阶段的需求也有所不同，在冬季人们的需求主要是供暖、热水等，这一时期人们对电量的需求量相对较低，而在夏季，人们的需求主要是制冷用电，因此该阶段为用电的高峰期。由于冷热电联共系统具备制冷、供热、发电多种功能，在任何阶段均可以满足人们的需求，从而起到平衡能源负荷的作用。

2 内燃机分布式冷热电联供技术的应用分析

一般情况下，内燃机在燃烧燃料后释放出来的热量并没有安全转化为有用功，除了一部分转化为有用功外，还有冷却系统、润滑油、排气以及其他散热途径带走部分热量，其中转化为有用功的热量是充分利用的部分，而其他的部分均为余热[3]。对于余热的处理，目前主要对排气和冷却系统的余热进行回收。典型的内燃机分布式冷热电联产系统包括内燃机、发电机、制冷机组、热交换器等。内燃机排出的烟气可高达350～450 ℃，制冷机组可以利用这一部分的烟气余热转化为冷量，或可以将这一烟气余热用于供暖或提供热水。该系统的正常运行的情况下，气缸內的温度高达2 000～2 500 ℃，高温燃气与活塞、缸套等零件接触后，容易导致这些零件材料强度降低或损坏，影响到整个设备的使用寿命。因此，需要将这些余热及时散发，使这些部件在适宜温度范围内正工作。

通常情况下，缸套水出口温度不超过100 ℃，虽然经过缸套水带走的热气温度相对其他带走热量方式来说品位较低，但其数量可观，通过缸套水排出带走的热量在燃料燃烧释放的总热量中占比高达30%～40%[4]。对这一部分的余热利用技术主要有升温型热泵技术和吸收式除湿技术。

2.2 升温型热泵技术

升温型热泵技术也叫吸第二类收式热泵技术，该技术主要是将中温热源转化为高温热能，工作流程主要是利用大量的中低温热能驱动，制取温度更高、但热量更少的高品位热能，从而为热能的利用提供条件。

一般情况下，第二类吸收式热泵的性能系数为0.4～0.5，而单效升温型热泵的性能系数可达0.45，因而该技术可利用60～100 ℃的中低温热源进行驱动，并制取约150 ℃的热能[5]。这一项技术尤其适用于含有大量的低温余热以及有蒸汽需求的环境下。

蒸发器、吸收器、溶液热交换器、冷凝器、发生器是构成升温型热泵主要部分，其工作的基本流程是蒸发器吸收大量的余热，使冷媒剂气化成为蒸汽，而吸收器通过吸收这些蒸汽，将其输送至溶液热交换器，溶液热交换器中的吸收剂浓度较高，在吸收蒸汽后将会稀释，并放出热量，而稀释后的溶液经过溶液泵加压，输送到发生器，稀释后的溶液在受到外界热源加热后，原来吸收的蒸汽将会释放出来，使稀释溶液形成浓溶液，从而形成一个良性循环过程。而释放出的蒸汽进入冷凝器后释放出热量，变成液体状态，并进入下一个循环流程中。

总的来说，整个热泵系统的工作过程中主要是吸收热量和释放热量的过程，而蒸发器、吸收器主要起到吸收热量的作用，而冷凝器、吸收器则主要是释放热量。热泵系统中的冷媒剂则通过吸收、释放热量完成利用热能的循环过程，从而有效提高内燃机联产系统产生的热能利用率。

2.3 吸收式除湿技术

在美国，吸收式除湿技术已经成为分布式功能系统工程中重要的构成部分。而近年来，我国也十分重视吸收式除湿技术的应用，因而该技术在我国也得到较快发展。吸收式除湿装置系统主要构成部分包括常温除湿部分和高温再生部分以及吸收器溶液循环泵，发生器溶液循环泵。其中常温除湿部分由吸收除湿器、吸收器溶液冷却器、溶液换热器、主风机构成，其工作流程主要是通过主风机将待除湿空气输送至吸收器，而溶液吸收器则吸收空气中的水蒸气，并放出大量的热量，使水蒸气转变为液体状态并与吸收剂结合。释放出的热量使吸收液出口温度上升，而溶液冷却器则将吸收液进行冷却，降低入口温度，维持入口温度处于正常温度范围内。

与此同时，溶液换热器将一部分的溶液输送到发生器，由发生器进行脱水处理，并进入下一循环。高温再生部分由浓溶液发生器、发生器溶液加热器、再生风机构成。溶液加热器将吸收液进行加温，形成上升的吸收液饱和蒸气压，并进入发生器，由再生风机输送到湿度相对较低的再生空气进行脱水处理。在脱水处理的过程中，循环溶液要经过溶液加热器的加热使其温度升高保证水分充分蒸发。吸收液经除湿后与浓溶液混合，一部分用于吸收除湿循环，另一部分则进行脱水再生。

吸收式除湿装置系统在除湿时需要消耗一定的热量以及一定量的冷，而在该系统装置可以消耗的热量有余热和蒸汽，可以消耗的冷有空气、冷水、冷却水。而内燃机所产生的大量的低温余热，可以用于吸收式除湿装置系统，由其充分利用，替代空调制冷中的除湿作用，从而提高热能利用率。

3 内燃机分布式冷热电联供技术应用的未来展望

随着我国经济的快速发展，人们对用电的需求量越来越大，虽然我国的电力在改革开放后也得到长足发展，但电力的增长并未能够满足人们的用电需求，电网的供电长期紧张，尤其在夏季，一些地区用电尤其紧张，如珠江三角地区、华北地区等，而电网为能够缓解用电紧张状态，采取限电的措施，但该方法并不能从根本上解决问题。而分布式能源系统的诸多优势引起人们的关注，并得到推广和应用。

目前，一些经济较发达的地区开始应用分布式冷热电联供技术，主要包括北京、上海、廣东等地，经过多年的发展，我国已建设超过40多座的分布式冷热电联功能系统，其主要以天然气为主[6]。在珠江三角洲、长江三角洲等地区，其电力主要采用自备发电机组，各方面的技术相对落后，且能源利用率低，如果采用内燃机分布式冷热电联供系统，能够极大提高能源利用率，从而提高经济效益。

在未来发展中，随着经济的发展以及人们对用电、制冷、供暖等方面的需求越来越大，巨大的市场将为内燃机分布式冷热电联供系统的普及和应用提供极为有利的条件，为其发展提供广阔的前景。

4 结 语

在日常生活中，人们的各项活动均离不开能源。然而能源在有限的，同时我国的能源结构不合理，以煤炭为主，而使用煤炭将会排放大量的二氧化碳，不利于环境保护，同时能够释放各种有毒物质，给环境造成污染，因此，在能源的利用过程中，不仅要提高能源利用率，将能源利用最大化，还要减少利用能源时对环境的污染。

内燃机分布式冷热电联供技术作为一种能够提高能源利用率、减少污染的技术，虽然在我国的研究时日尚短，在应用方面还处于起始阶段，但随着社会经济的发展，在未来将会有广阔的发展前景。

参考文献：

[1] 邬可文.分布式能源（冷热电联供CCHP）技术介绍与研究[J].城市住宅，

2015，22（11）：126-128.

[2] 孙李，喻志强.冷热电联供燃气内燃机分布式能源系统设计初探[J].低 温与超导，2016，44（4）：67-71，78.

[3] 史梓男，金强，李敬如.分布式冷热电联供项目国民经济评价[J].中国电 业（技术版），2014（7）：5-8.

[4] 张圣陶，阎维平，王江江，等.燃气内燃机冷热电联供系统节能经济性分 析[J].电力科学与工程，2014，30（9）：1-6.

[5] 陈云，汤放奇，刘阳升，等.分布式冷热电多联供系统的经济运行[J].电力 科学与技术学报，2013，28（1）：56-62.

[6] 金红光，隋军，徐聪，等.多能源互补的分布式冷热电联产系统理论与方 法研究[J].中国电机工程学报，2016，36（12）：3150-3161.