分布式能源站系统仿真研究

黄河清　沈致和　吴亚平（.合肥工业大学土木与水利工程学院　合肥　30009；.安徽省拓普能源科技管理股份有限公司　合肥　30009）



分布式能源站系统仿真研究

黄河清1沈致和1吴亚平2
（1.合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009；2.安徽省拓普能源科技管理股份有限公司合肥230009）

【摘要】针对分布式能源系统主要的配置形式内燃机+烟气热水型溴化锂机组进行仿真模拟，分别对内燃机和溴化锂机组进行数学建模，通过工程计算软件EES计算得到空气燃料比与环境温度对分布式能源系统的一次能源率和节能率的影响变化规律，为实际工程的运行起到一定的指引作用。

【关键词】分布式能源；内燃机；溴化锂；一次能源利用率；节能率

0　引言

分布式能源系统的基本组成部分是发电设备和余热利用设备以及管道连通系统和智能控制系统。其中发电设备可以是内燃发电机、燃气轮机、微型涡轮机、斯特林发动机或燃料电池以及与汽轮机联合发电装置中的一种或几种，余热利用设备一般有溴化锂吸收式冷热水机组或除湿装置、电制冷机组等。

分布式能源系统的运行原理就是以燃料燃烧的高品位的蒸汽/燃气带动发电机发电或者利用燃料电池或其他技术供应电力，燃料燃烧发电后的余热（来自发电设备尾部烟气排放或产生的热量能源）来进行二次利用，对余热利用设备提供热量来源，对附近建筑提供电力、冷量、热量[1-3]。

1　数学模型

1.1内燃机的数学模型

本文在建立燃气内燃机发电机组数学模型时，认为内燃机理想工作过程为四冲程的定容加热循环，同时考虑到了工质与气缸壁之间的热交换和实际工程中的摩擦阻力以及进、排气阀的节流损失等对工质循环工程的影响[4]。燃气内燃机的理想工作循环的T-S图如图1所示。图中1为循环初始状态点，它表示空气和燃气的燃烧混合物进入内燃机气缸中。图中1-2s为绝热压缩过程；2s-3为定容加热过程；3-4s为绝热膨胀过程；4s-1为定容放热过程。实际运行过程中工质与气缸壁之间热交换和摩擦等的存在使得理想循环过程中的绝热压缩和膨胀过程变为不可逆的多变过程，两者之间的差别在模型中通过基于温度的绝热效率修正[5]，并且模型分析均在稳定工况下进行，过程为T-S图中1-2-3-4。

图1　内燃发电机定容加热循环T-S图Fig.1 The internal combustion generator constant volume heating cycle T-S diagram

（1）绝热压缩过程

混合物在压缩过程结束时温度T2s可以通过下面公式得出：

式中，εc为绝热压缩过程压缩比，厂家提供数据为9.4；kC为绝热指数。

式中：mmol为气体摩尔质量，g/mol；Rm为气体常数，取值8.314J/(mol·K)。

由于气缸壁被周围冷却水所冷却，所以膨胀和压缩过程都不是绝热过程。实际循环过程压缩结束时气体混合物温度T2可以利用基于温度的绝热效率来计算。

式中，ηc为基于温度的绝热效率。

（2）定容加热过程

在定容加热过程中所加入的热量q1为：

式中，m为燃料混合物质量流量，kg/s；mg为天然气燃料质量流量，kg/s；HVlow为天然气单位质量低位发热量，取值47.04MJ/kg。

（3）绝热膨胀过程

燃烧产物在绝热膨胀过程图1中3-4结束时温度T4s可以通过下面公式得出：

实际循环膨胀过程结束时燃烧产物的温度T4同样可以利用基于温度的绝热效率来计算：

式中，η'C为基于温度的绝热效率。

（4）定容放热过程

定容放热过程图1中4-1放出的热量为：

假定烟气经过烟气热水型溴化锂机组温度降至T2yK，则烟气余热回收效率ηeg为：

于是烟气回收余热为：

（5）能量平衡和热电效率

燃气内燃机输出轴功W可以利用下式计算：

燃气内燃机能量平衡方程式为：

式中，qjacket为缸套冷却水带走热量；qloss为热辐射及机械摩擦损失热量。

1.2烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机的数学模型

图2为烟气热水型溴化锂吸收式冷温水机以内燃发电机组的排烟和高温缸套水作为驱动热源的循环流程图[6]。

图2　烟气热水型溴化锂冷温水机系统制冷工况流程图Fig.2 Flowchart of Flue gases and hot water type The lithium bromide chiller refrigeration system working condition

此循环的工作原理是：吸收器内的溴化锂稀溶液6S在溶液泵1的动力作用下进入低温热交换器LE，在吸收了回吸收器的溴化锂浓溶液3S部分热量后进入低温水再生器LW，被来自内燃发动机的热源缸套水1L加热浓缩，产生的冷剂蒸汽6W进入冷凝器CD。被浓缩后的溴化锂中间溶液9S在溶液泵2的动力作用下经过高温热交换器HE回收部分热量后进入烟气再生器HG，在烟气再生器中吸收从内燃机的尾部排烟的大部分热量，产生大量的冷剂蒸汽1W，放出冷剂蒸汽的溴化锂浓溶液1S经过回收部分热量后进去压力较低的低压再生器LG，由来自烟气再生器的高温冷剂蒸汽1W加热产生部分低压的冷剂蒸汽3W，冷剂蒸汽1W换热之后成为冷剂水2W，冷剂蒸汽和冷剂水均进入冷凝器由冷却水冷却成为冷剂水4W，经过节流装置后进入蒸发器EP蒸发吸热，达到制冷的目的。

质量守恒方程：

能量守恒方程：

状态方程：

式中：G表示溴化锂溶液流量；X表示溴化锂浓度；Q表示热交换量；D表示冷剂流量。

2　常见的系统能效分析指标

2.1一次能源利用率

一次能源利用率PER（Primary Energy Ratio）是分布式热电冷联产系统最直观的评价指标[7]，它等于联产系统中发电量、供热量、制冷量之和与一次能源消耗量的比值。它基于热力学第一定律，不考虑能量质的差别，其计算公式如下：

其中：Qe代表系统的总发电量，kWh；Qc代表系统的总制冷量，kWh；Qh代表系统的总制热量，kWh；Gh代表系统的总燃料消耗量，m3/h；Hu代表燃料的低位发热量，kJ/m3。

2.2节能率

相对于没有使用天然气分布式能源的情况下，若要产生同样的冷量、热量与电量的话，需要使用市网电力提供所需电量，使用电制冷系统提供所需冷量，使用锅炉提供所需热量，即分部生产系统[8]。分别求出分部生产系统提供所需冷量、热量和电量而需要的能源消耗量即可得出分部生产系统的一次能源消耗率。

其中，ηce表示火力发电厂发电效率与电网效率的乘积。

其中，COPec表示电制冷机的制冷效率。

其中，ηb表示锅炉效率。

则由系统的总发电量Qe、系统的总制冷量Qc和系统的总制热量Qh以及上述公式可以求出分部生产系统的能源消耗量Qf：

节能率是相对量，其定义为不同方式单位时间内能源消耗量的差值与能源消耗量的比值，即：节能率=节能量/原能源消耗量。

分布式能源三联供系统与分别生产所需电力、冷量、热量的分部生产系统的能源消耗量的差值与分布式能源三联供系统的能源消耗量的比值即为我们关心的分布式能源三联供系统的节能率，用符号PES表示：

3　模拟及模拟结果与分析

3.1 EES方程解答器

EES是工程方程解答器的英文字母的首字母缩写词。EES的基本功能是解代数方程组。EES提供了很多对工程计算非常有用的内置数学和热物性函数。例如，EES中内置有蒸汽性质表，还有此文中用到的溴化锂性质表等。将上述数学模型及输入条件输入EES解答器，输入条件如下：

天然气低位热值：32585kJ/kg；

燃气内燃机压缩比：εc=9.4；

燃气内燃机绝热效率：ηc=0.7；

绝热效率：η'c=0.6；

内燃机额定工况下的环境温度为：t0=30℃；

环境影响系数：cGT=0.0069；

内燃机额定排烟温度为：T1Y=460℃；

发电机效率：ηgenerator=0.955；

缸套水理想进出水温为：T2L=80℃，T1L=90℃。

烟气热水型吸收式溴化锂冷温水机为2台内燃发电机对应的烟气量与缸套水量下的机组型号，额定工况下：

烟气再生器的压力为：PHG=92kPa；

溴化锂出口浓溶液的浓度为：X1S=60%；低压再生器的压力为：PLG=7.6kPa；

溴化锂出口浓溶液的浓度为：X3S=63%；

冷凝器的冷剂水出水温度：T4W-T3C=3；

经节流阀后为5℃的饱和低温低压冷剂蒸汽：T5W=5；

吸收器压力：PAS=PCD；

冷却水额定进出水温为T1C=32℃；T3C=37℃；冷水的进出水温为T2R=7℃，T1R=12℃。

蒸发器的压力为饱和低温低压冷剂蒸汽温度对应下的饱和压力。

3.2空燃比的影响

空气燃料比是内燃机工作时进去内燃机的空气与燃料质量的比值，合肥地区的天然气供应成分质量分数为0.9288CH4、0.00067C2H6、0.01355N2、0.04615CO2及其他成分。根据天然气的成分可得出1kg天然气完全燃烧需要16.262kg空气，即完全燃烧空燃比为16.262。下图3与图4分别是分布式能源系统一次能源利用效率和系统相对节能率随空燃比的变化曲线图。

图3　系统一次能源利用效率随空燃比的变化曲线Fig.3 Variation curve of system Primary Energy Ratio with air fuel ratio

图4　系统相对节能率随空燃比的变化曲线Fig.4 Variation curve of the system relative energy savings rate with air fuel ratio

由模拟结果可以看出，在空燃比大于完全燃烧时的空燃比值时（a≥16.262），随着空燃比的增大，分布式能源系统的一次能源利用效率和系统相对节能率呈逐渐下降的趋势。在空燃比的设定中需不小于16.262，否则不完全燃烧会造成燃料的浪费，降低系统的能源利用效率。空燃比从16.262增加到25.262时，一次能源利用率下降了5.44%，相对节能率下降了其本身的5.86%，下降的幅度较大。

空燃比的增加，燃料的体积分数将会下降，导致体积流量相同情况下的烟气成分中燃料燃烧后产物的百分比很大程度上的下降，对烟气成分的改变，影响之一是对烟气的平均定容/定压比热有所改变，同时，燃料的体积减小燃烧时的高温由多余常温空气的中和而降低，温升幅度减小，绝热膨胀时的温差也将减小。从图1内燃机工作T-S图中可以看出，温差越小，内燃发动机的输出功越小，同样的发电机效率下，内燃机的发电效率与内燃发动机的输出功呈正比的关系，因此内燃机的空燃比越大，发电效率越小。同时系统的一次能源利用效率与相对节能率均有不同程度的降低。

3.3环境温度的影响

环境温度对于分布式能源设备机身的散热影响较大，对内燃机的工作效率和溴化锂机组的效率影响较为明显。下图5与图6分别是分布式能源系统一次能源利用效率和系统相对节能率随环境温度的变化曲线。

图5　系统一次能源利用效率随环境温度的变化曲线Fig.5 Variation curve of system Primary Energy Ratio with the ambient temperature

图6　系统相对节能率随环境温度的变化曲线Fig.6 Variation curve of the system relative energy savings rate with the ambient temperature

由模拟结果可以看出，在一定温度范围内（T≤30℃），随着环境温度的增大，分布式能源系统的一次能源利用效率和系统相对节能率的变化趋势并不明显，数值虽然有变化但变化幅度很小，但超过这个范围后，系统的一次能源利用效率和系统相对节能率呈下降的趋势，环境温度从30℃增加到35℃，系统的发电效率下降了其本身的3.55%，相对节能率下降了其本身的4.68%，下降的幅度较大。环境温度在超过40℃时，内燃机的机体温度散热较差，辐射热较大，同时从厂家设计机体材料的角度看，内燃机的工作状态较差，另一方面由于溴化锂冷温水机制冷工况下须有冷却水换热，冷却水的温度与环境温度息息相关，当环境温度超过40℃时，如不增加其他加大冷却的措施，冷却水的进水温度基本已经达到冷凝器中的循环冷剂的额定温度，无法进行换热，溴化锂机组也无法进行制冷，因此要求环境温度不能过高，否则需要加大溴化锂机组冷却水冷却负荷，或暂时停止分布式能源系统的运行。

4　结论

文章通过对分布式能源系统的内燃机和溴化锂机组的原理分析，建立了分布式能源系统的物理数学模型，并进行了模拟分析。通过对环境温度的影响扰动和空燃比的影响得出分布式能源系统在经济性方面要远优于传统集中供能系统和单一电能生产系统，采用分布式能源系统可以提高能源利用率，节约大量的供能费用，但是其节能效率受空燃比和环境温度的影响。

参考文献：

[1]蒋润花.分布式能源系统研究[D].北京:中国科学院工程热物理研究所,2009.

[2]董舟.分布式能源冷热电三联供系统的应用[J].城市建设理论与研究（电子版）,2013,26.

[3]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.

[4]西安交通大学内燃机教研室.内燃机原理[M].北京:中国农业出版社,1982.

[5]沈维道,郑佩芝,蒋淡安.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2000:327-345.

[6]张洪伟,黄素逸,龙妍,等.有关溴化锂吸收式制冷系统的经济性分析及其在分布式能源系统中的应用[J].制冷与空调,2004,(4):59-63.

[7]吕静,王中铮.热电冷三联产评价标准述评[J].节能, 1998,(7):11-22.

[8]张敏.天然气分布式冷热电联供系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2005.

Distributed Energy System Simulation Research

Huang Heqing1Shen Zhihe1Wu Yaping2
( 1.School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, 230009;
2.Anhui Top New Energy Co., Ltd, Hefei, 230009 )

【Abstract】In this paper, the configuration of distributed energy system is mainly in the form of internal combustion flue gas hot water + lithium bromide units were simulated, respectively, for the internal combustion engine and lithium bromide units mathematical modeling. By engineering calculation software EES calculated result is an air-fuel ratio, respectively, and the ambient temperature affects the distributed energy system energy rate changes. It plays a role in the guidelines for the operation of the actual project.

【Keywords】Distributed energy; internal combustion engine; bromide; primary energy utilization; saving rate

中图分类号TK01+9

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-009-06

通讯作者：沈致和（1963.08-），男，教授，硕士生导师，E-mail：13905601348@163.com

收稿日期：2015-02-06