内燃机、燃气轮机和微燃机在冷热电联供系统中的性能分析

杨　昆，武海滨，朱晓军，许裕栗，甘中学

(新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊　065001)



内燃机、燃气轮机和微燃机在冷热电联供系统中的性能分析

杨昆，武海滨，朱晓军，许裕栗，甘中学

(新奥科技发展有限公司 煤基低碳能源国家重点实验室，河北 廊坊065001)

首先对内燃机、燃气轮机以及微燃机在发电效率、余热特性、变负荷特性、环境影响以及经济性能等方面进行了分析，通过分析，得出了不同动力装置的适用场合；以北京市某小型宾馆为应用对象，拟采用内燃机冷热电联供系统和微燃机冷热电联供系统作为该宾馆的供能系统，在满足宾馆用能需求的前提下，分析比较了这两种系统在变负荷条件下的天然气耗量、一次能源利用率等方面，最后分析了冷热电联供系统高效发展的瓶颈问题，通过分析得到以下结论：从燃气耗量和一次能源利用率两方面来看，内燃机冷热电联供系统在该类型的建筑中更具优势；冷热电联供系统与用户间的供需不匹配问题是制约其高效率发展的重要瓶颈。

内燃机；燃气轮机；微燃机；冷热电联供系统

目前，以能源互联网为焦点的新一代能源革命正在兴起，其主要特点之一是支持大规模分布式能源系统的接入[1]，这在一定程度上促进了分布式能源系统的发展。冷热电联供系统(Combined Cooling，Heating and Power System，简称CCHP)是分布式能源系统中应用前景明朗，同时也是最具实用性和发展活力的形式之一[2]，由于其实现了能量的梯级利用，也更便于可再生能源的有效利用，成为了国内外的研究热点。对CCHP系统的研究主要集中在了系统的最优结构配置[3-7]、系统能量调控与运行管理[8-11]、系统的评价准则与运行方法[12-16]以及新技术在冷热联供系统中的应用[17-19]等方面。

1　性能比较

1.1发电效率

为了对内燃机、燃气轮机和微燃机的发电效率有一个比较直观的认识，选取了内燃机(Caterpillar)[22]、燃气轮机(Solar)和微燃机(Capstone)[23]中比较典型的设备进行分析，不仅比较了不同动力设备发电效率的相对大小，同时，对相同动力装置同系列设备的发电效率随规模增大的变化规律进行了分析，如图1～图3所示。

图1　内燃机发电效率变化趋势

图2　燃气轮机发电效率变化趋势

图3　微燃机发电效率变化趋势

由图1～图3可得：内燃机的发电效率较高，通常在30%～45%之间，而燃气轮机和微燃机的发电效率要小于内燃机，分别在20%～35%和25%～35%之间；无论是内燃机、燃气轮机还是微燃机，其发电效率随规模的变化规律基本相同，均是首先随着规模的增大而增大，然后逐渐趋于平稳。

动力装置发电效率随规模的变化规律是探讨CCHP系统最优规模的重要依据，在CCHP系统规模较小时，随着其规模的不断增大，动力装置的发电效率增加较快，是影响CCHP系统性能的重要因素，当系统达到一定规模后，动力装置的发电效率趋于稳定，对CCHP系统性能影响较小，其他影响因素占据主导地位。

1.2余热特性

内燃机、燃气轮机和微燃机的余热特性如图4～图7所示。

图4　内燃机缸套水余热特点

图5　内燃机排烟余热特点

图6　燃气轮机排烟余热特点

图7　微燃机排烟余热特点

由图4～图7可得：内燃机、燃气轮机和微燃机的余热特点不同，内燃机余热包括缸套冷却水余热和排烟余热，而燃气轮机和微燃机的余热主要是排烟；内燃机的排烟流量和缸套冷却水流量均随着规模的增大而逐步增加，而温度随着其规模的变化基本稳定，燃气轮机和微燃机排烟流量和温度随规模的变化规律与内燃机一致，均随着规模的增大而逐步升高，排烟温度基本保持稳定；燃气轮机的排烟温度最高，约为460～540℃，其次为内燃机，其排烟的温度约为400～450℃，微燃机由于采用了回热循环使得排烟温度较低，一般低于300℃。

1.3变负荷特性

CCHP系统的应用对象通常为小型的能源用户，其冷热电负荷的变化较大，动力装置常常会处于部分负荷的运行状态，其变负荷特性对CCHP系统性能的影响较大，因此研究动力装置的变负荷特性具有重要意义。左政，等[21]以3 MW的内燃机(G3616)和燃气轮机(Centaur40)为研究对象，分析了在变负荷下这两种设备的发电效率和热效率的变化规律(如图8所示)。

图8　内燃机和燃气轮机(3 MW)的发电效率和热效率在不同负荷率下的变化规律

由图8可得，在3 MW的机组功率下，无论是内燃机还是燃气轮机，其发电效率均随着负荷率的降低而降低，且下降幅度较缓；从余热利用的角度分析，燃气轮机的余热利用效率高于内燃机，这是因为燃气轮机的余热主要是温度较高的排烟，而内燃机的余热分为排烟和缸套冷却水两部分，其中缸套冷却水的温度较低(85～100℃)，利用受限[2]；燃气轮机的热效率随着负荷率的降低而降低，而内燃机的热效率随着负荷率的降低略有上升，这是因为随着负荷率的降低，内燃机的进口空气流量减小，排烟温度上升，使得热效率有所提高。

微燃机的变负荷特性如图9所示[24]。

图9　微燃机的发电效率在不同负荷率下的变化规律

由图9可得：微燃机的发电效率随着负荷率的降低而降低，呈现出与燃气轮机和内燃机相同的变化规律。

1.4环境影响

以天然气为燃料的CCHP系统产生的污染物主要为氮氧化物(NOx)，因此对内燃机、燃气轮机和微燃机的NOx排放的分析，首先要搞清楚NOx的生成机理及影响因素。

NOx的生成机理主要包括热力型、快速型和燃料型[25]。其中，热力型和快速型的NOx生成机理都是针对空气中的N2在高温下转变为NOx，而燃料型NOx是指那些含N的燃料在燃烧过程中生成NOx，燃用天然气的CCHP系统中，燃料型的NOx不在讨论范围之内，又因为快速型NOx所占的比例较小[25]，因此主要讨论热力型。

热力型NOx是指，在高温燃烧过程中，空气中的氮和氧进行反应生成氮氧化物，其生成机理被广泛接受的是“捷尔杜维奇机理”(Zeldovich Mechanism)，其生成反应为[25]：

O22O

O+N2NO+N

N+O2NO+O

N+OHNO+H

式中kf1，kf2，kf3，kb1，kb2，kb3分别为上述三个反应的正向和逆向反应速率常数。

在燃烧过程中，影响NOx生成的因素主要包括三方面[25, 26]：氧原子的浓度、反应温度与高温滞留时间。高温、富氧和高温滞留时间长这三者缺一，就可以抑制NOx的生成。

从抑制NOx生成的因素出发，内燃机、燃气轮机和微燃机都采取相应的措施来降低NOx的生成，其中内燃机主要采取稀燃和富燃后催化处理等措施[27]，燃气轮机主要采用燃烧时注水和蒸汽、预混、催化燃烧等[28]，微燃机采取的主要措施包括预混和回热等[27]。

动力装置的排放性能，常用一定含氧量下，污染物的排放量来进行描述，经过处理后，内燃机的排放大约在35～225 ml/l，燃气轮机在9～42 ml/l，微燃机的排放浓度小于9 ml/l[27]。

图10　内燃机、燃气轮机和微燃机初装费用的变化趋势

图11　内燃机、燃气轮机和微燃机运行维护费用的变化趋势

1.5经济性能

动力装置的经济性能对冷热电联供系统的整体经济性有重要影响，图10和图11表示出了内燃机、燃气轮机和微燃机在2000年和2020年单位kW的初装费用和运行维护费用[27]。

由图10～图11可得：随着技术的不断发展，内燃机、燃气轮机和微燃机的初装费用和运行维护费用都将下降，且随着动力装置规模的增大，单位kW的初装费用和运行维护费用会更低；随着微燃机技术的不断发展，到2020年100 kW级的微燃机初装费用和运行维护费用甚至比内燃机更具优势。

2　适用场合

通过以上分析，由于内燃机、燃气轮机和微燃机的发电效率、余热特性、变负荷特性、环境性能以及经济性能等的差异，因此针对不同负荷特征的建筑应选择合适的动力装置。图12表示出了几种典型建筑的冷(热)电负荷关系[2]。

图12　不同类型建筑的冷(热)负荷比

由图12可得：饭店、医院等类建筑的热(冷)电负荷比例较大，生活热水负荷也较大，因此采用内燃机CCHP系统的方式较为合理；而对于办公楼和商场类的建筑，热(冷)电负荷比例较小，生活热水负荷也较小，因此选择燃气轮机CCHP系统更为合理；而微燃机CCHP系统更适用于那些以输出电为目的的建筑类型，例如，一些商场和轻工业设施等[2, 27]。

3　工程案例

3.1负荷分析

北京某地区拟建一宾馆，规划占地面积约为10 000 m2，其中包括客房、餐厅以及会议室等，其全年的冷(热)电及生活热水负荷如图13～图15所示，具体模拟详见参考文献[5]和文献[11]。

图13　宾馆全年冷热逐时负荷

图14　宾馆全年电逐时负荷

图15　宾馆全年生活热水逐时负荷

3.2系统分析

拟采用图16所示的CCHP系统作为该宾馆的供能系统，在满足宾馆冷(热)电和生活热水负荷的前提下，分析内燃机和微燃机CCHP系统的天然气耗量和一次能源利用率等。

图16　CCHP系统示意图

天然气进入动力装置燃烧，驱动发电机发电，排烟用于驱动吸收式制冷机夏季制冷、冬季供暖，若排烟量不足，则由天然气补燃，生活热水由吸收式制冷机提供(若动力装置为内燃机，则生活热水首先由缸套冷却水提供，不足时由吸收式制冷机提供)。

系统中各设备的性能参数如表1所示。

表1　系统设备性能参数[5, 21, 24, 29, 30]

注：表示电负荷率；表示冷负荷率；表示燃气耗量(Nm3/h)

3.3性能分析

内燃机CCHP系统和微燃机CCHP系统在满足该宾馆负荷前提下的天然气耗量如图17所示。

图17　系统的天然气耗量

由图17可得：无论是冬季、夏季或过渡季，内燃机CCHP系统的天然气耗量都比微燃机CCHP系统的天然气耗量低，这主要是因为内燃机的发电效率相对于微燃机较高，同时宾馆类型的建筑有生活热水负荷，内燃机的缸套冷却水可以得到有效利用，同时微燃机的排烟温度也较低，热效率不高，因此在满足同样负荷的基础上消耗的天然气更多。

CCHP系统的热力性能常用一次能源利用率(Primary energy rate，PER)作为评价指标，即系统的输出能量与输入能量的比值，在能量的计算过程中，将电、冷、热及热水同等看待，直接相加[5]。CCHP系统分别采用内燃机和微燃机的系统一次能源利用率如图18所示。

图18　一次能源利用率曲线

由图18可得：不管是内燃机CCHP系统，还是微燃机CCHP系统，系统的一次能源利用率呈现出相同的变化规律，即在冬夏季较高，而在过渡季较低；内燃机CCHP系统的一次能源利用率比微燃机一次能源利用率高，这主要是因为内燃机的发电效率较高，余热利用率高，同时具有较好的变负荷特性。

3.4系统存在的问题

CCHP系统在能量的梯级利用方面效果显著，但是由于CCHP系统受终端用户和外部环境的影响很大，系统供能和用户需求间的供需不匹配问题已经成为CCHP系统向前高效发展的最大瓶颈，在此以内燃机CCHP系统的生活热水平衡为例来加以说明，如图19所示。

图19　内燃机CCHP系统生活热水供需平衡图

由图19可得：以月为单位来看，内燃机的缸套冷却水完全可以满足宾馆的生活热水负荷，但是每个月还需要生活热水的补燃，造成这种结果的原因是宾馆生活热水需求在不同时刻的差异较大，如图20所示。用户生活热水需求的时间差异性导致内燃机CCHP系统产生的缸套冷却水不能实时满足宾馆的生活热水负荷，大部分时刻满足，某些时刻却不能满足，需要补燃，这种供需不匹配是限制了CCHP系统高效发展的重要问题。

图20　典型日生活热水负荷

4　结论

(1) 三种动力装置的发电效率由高到低的顺序依次为内燃机、微燃机和燃气轮机，且随着规模的增加，发电效率先增加后趋于平稳，呈现抛物线形式。

(2)三种动力装置的余热特点不同，内燃机包括缸套冷却水余热和排烟余热，燃气轮机和微燃机主要是排烟余热；余热利用效率燃气轮机要高于内燃机和微燃机。

(3)三种动力装置的发电效率均随着负荷率的下降而降低；燃气轮机和微燃机的热效率随着负荷率的降低而下降，而内燃机的热效率随着负荷率的降低而有上升趋势。

(4)从环境影响来看，微燃机的环境性能最优，其次是燃气轮机和内燃机；从经济性能来看，三种动力装置的初装费用和运行维护费用都将不断降低，微燃机在未来的发展中更具优势。

(5)以北京某宾馆为对象，供能系统采用内燃机CCHP系统和微燃机CCHP系统，得到，在满足该宾馆冷(热)电及生活热水负荷的前提下，内燃机CCHP系统消耗的天然气量较少，且一次能源利用率较高；从全年来看，CCHP系统的一次能源利用率在冬夏季较高，而在过渡季较低。

(6)CCHP系统在能源梯级利用方面的作用突出，但是供需不匹配问题是其继续向前高效发展的重要瓶颈。

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(本文编辑：杨林青)

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

国家重点基础研究计划项目(No. 2014CB249200)

杨昆(1988)，男，硕士，从事分布式能源方向研究。

TK47

A

2095-1256(2016)04-0476-07

2016-05-13