分布式能源系统全工况特性实验研究与能耗分析

王　勇，刘志嫱，周宇昊

（1.华电电力科学研究院国家能源分布式能源技术（实验）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然气运行有限公司，浙江杭州310052）

分布式能源系统全工况特性实验研究与能耗分析

王勇1，刘志嫱2，周宇昊1

（1.华电电力科学研究院国家能源分布式能源技术（实验）中心，浙江杭州310030；2.浙江浙能天然气运行有限公司，浙江杭州310052）

以天然气内燃机分布式能源系统为例，进行了全工况特性试验及能耗分析，结果表明：消耗燃气的流量与功率呈线性关系,机组满负荷运行气耗为3.92 kWh/Nm3、燃气消耗率为0.25，溴化锂机组的COP随着功率的增加呈现先增加后减小的趋势，制冷量与功率成正比例关系。一次能源利用率随功率的增大而增大，满负荷时一次能源利用率为76.9%。在低负荷时，相对节能率出现负值，满负荷时，相对节能率为33.7%，与常规分供系统相比，CO2减排率为46%。

燃气内燃机；分布式能源；全工况性能；能耗分析

0　引言

为提高能源效率，促进能源结构调整和节能减排，分布式能源受到广泛关注，现已建分布式能源系统经常处于低负荷运行状态，系统的全工况性能急剧恶化，分布式系统全工况特性显得更加重要。

分布式能源与传统能源相比从燃料、发电设备、运行方式、评价体系都有很大区别，用传统电站的的规范和设计思路复制于分布式能源是不妥的。对分布式能源系统进行全面的能效分析，为我国分布式能源的发展提供参考是很必要的。分布式能源系统需求负荷时时变化，系统将常处于非设计工况运行状态，因此研究分布式能源系统全工况性能对推动分布式供能技术发展具有重要的意义。

本文研究以内燃机为动力装置的分布式能源系统，对其进行全工况实验研究及能耗分析。着重分析了分布式能源系统在变工况的条件下，机组性能的变化规律，一次能源利用率与节能率的变化，对以内燃机为动力装置的分布式能源系统的机组的选型与运行优化具有明显的借鉴意义。

1　燃气内燃机分布式能源系统

本次实验的分布式能源系统由2台315kW燃气内燃机、余热利用设备为烟气热水型溴化锂机组及相关辅机组成，双效型溴化锂机组热源为高温烟气和内燃机缸套水，烟气额定温度为400℃，缸套水的额定温度为92℃。实验过程中，采用模拟电负荷作为内燃机的模拟负荷，模拟功率可调节，从5kW开始测试，模拟负荷补偿为5kW，大气温度为33℃，大气压力为101.8kPa。

以内燃机为动力的分布式能源系统流程图如图1所示，分布式系统采用内燃机为动力系统，燃料为天然气，天然气在内燃机中燃烧，驱动发电机发电，内燃机排出的烟气进入烟气型溴化锂机组进行制冷，提供用户所需的冷量，或内燃机排出的烟气直接进入余热锅炉，加热锅炉给水产生蒸汽驱动蒸汽型溴化锂机组。内燃机缸套水作为烟气型溴化锂的另一路热源提高溴化锂的工作效率。理论上一次能源利用率为89.3%，与电网+电制冷的传统能源相比节约率为36.15%。

1.1内燃机参数

本次实验的内燃机为日本三菱的315kW的燃气内燃机，型号为SGP M315，具体参数见表1。

表1　内燃机主要参数

1.2溴化锂机组的参数

RGD-YG烟气型溴化锂是以排烟余热为驱动源的双效吸收式制冷机，其冷剂使用纯水，水溶液吸收剂使用溴化锂。制冷时从蒸发器产生冷水，采暖时从蒸发器和板换产生温水。本机包括蒸发器、吸收器、冷凝器、低温发生器、高温发生器等。

表2　烟气型溴化锂主要参数

1.3天然气参数

表3　天然气主要参数

实验平台所用天然气的实测低位发热量为34.77MJ/m3。天然气的实测数据见表3。

2　基于热平衡法的能效指标

分布式能源系统的组成设备多样，有不同的技术方案，不同系统的组成，其能效计算的公式也不同，本文采用电网+电制冷的传统能源系统以及燃气内燃机+双效烟气型溴化锂机组的天然气分布式能源，来建立分布式能源系统的一次能源利用率及相对节能率的计算模型，节能率反应的是输入能量的使用情况，效率比较适合分布式能源系统的评价[2]。

此次实验的分布式能源系统评价指标可通过下面的公式计算[1]：

式中Qe—分布式能源系统发电量，kW；

G—分布式能源系统天然气消耗量，m3；

Hul—燃用天然气低位热值，MJ/m3。

式中Qh—分布式能源系统制热量，kW；

COPhl—烟气型溴化锂机组制热工况性能系数。

式中Qr—分布式能源系统回收热量。

式中Qc—分布式能源系统制冷量,kW。

制冷工况的一次能源利用率为：

分布式能源系统制冷工况的相对节能率：

3　实验结果分析

3.1系统的流量与气耗

如图2所示，在消耗燃气的流量与功率呈线性关系，功率越高，机组的气耗率越低，内燃机功率为30kW时，燃气的流量为22Nm3/h,气耗为1.41kWh/ Nm3，内燃机的功率为315kW时，燃气的流量为80Nm3/h,气耗为3.92kWh/Nm3。

3.2内燃机效率与燃气消耗率

如图3所示，功率与内燃机发电机组的效率呈正比例关系，在功率为30kW时内燃机的效率为14.9%，功率为315kW时内燃机的效率为41.4%，燃气消耗率与内燃机功率成反比例关系，功率为30kW时燃气消耗率为0.73，功率为315kW时燃气消耗率为0.25，对于燃气内燃机发电机组而言，满负荷运行发电机组的效率高，燃料的消耗率低，经济性好。

3.3内燃机效率与排气温度的关系

如图4所示，内燃机排气温度随输出功率的变化，随之功率的增加，排气温度呈现上升的趋势。实验值和理论值的误差比较，随着内燃机输出功率的增加，实验值和理论值趋势一致且理论值大于实验值，因为排气温度测点设在管道中，烟气从内燃机出来有热损失，导致实验值偏低，实验值排气温度最高为385℃。

3.4制冷量及COP随功率的变化关系

实验中冷热媒水的流量为90m3/h保持恒定，内燃机功率为90kW时，溴化锂机组的制冷量为105.6kW，功率为90kW时，溴化锂机组的制冷量为105.6kW，如图5所示，随着功率的升高，制冷量增加，呈线性关系，因为内燃机组功率增加，排烟流量增加，机组的排烟温度上升，溴化锂机组的高温发生器的温差增大，溴化锂机组的加热量增加，因此制冷量增加。

随之内燃机输出功率的增加，溴化锂机组的COP先增加后减小，当燃气内燃机的功率达到275kW时，COP存在最大值约为1.07，原因为功率增加，溴化锂机组的流量及温度升高，溴化锂机组的高温发生器加热量增加，制冷量随之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加热量一直增加，因此机组的性能系数COP先增加后减小。

3.5一次能源利用率和节能率的变化关系

如图6所示，一次能源利用率与发电机组的效率、余热回收率及烟气热水型溴化锂机组的性能参数有关，与内燃机的容量无关，与需求侧的冷热负荷有很大关系，一次能源利用率随功率的增大而增大，在功率为30kW时，一次能源利用率为20%，功率为315kW时，一次能源利用率为76.9%。与电网+电制冷的传统能源系统相比，相对节能率也随着功率的增加而增加，在功率为30kW时，相对节能率为-16%，在功率为315kW时，相对节能率为33.7%。可见系统在低负荷运转时，一次能源利用率和相对节能率都很低。内燃机组的发电效率越高，系统的一次能源利用率越大，系统节能。

以天然气为主的分布式能源系统排放的烟气中大部分为H2O，少量的CO2，基本无SOX和NOX，选取CO2对本实验系统的的环保型进行评价。

表3　CO2减排率

4　结语

（1）机组满负荷运行所需燃气流量为80Nm3，机组的功率越大，发电效率越高，燃料的消耗率低，机组的气耗率越低。效率随着功率的增加而增加。

（2）输出功率的增加，溴化锂机组的COP先增加后减小，功率增加，溴化锂机组的流量及温度升高，溴化锂机组的高温发生器加热量增加，制冷量随之增加，但制冷量的增加速度先快后慢，而加热量一直增加，因此机组的性能系数COP先增加后减小。

（3）随之功率的增加，排气温度呈现上升的趋势。实验值和理论值趋势一致且理论值大于实验值，实验过程中内燃机功率达到275kW时，排气温度达到最高为385℃。与常规分供系统相比，CO2减排率为46%。

（4）一次能源利用率、相对节能率与发电机组呈正比关系，当系统发电效率较低时，当内燃机满负荷运行时，一次能源利用率为76.9%，与电网+电制冷的传统能源系统相比，相对节能率也随着功率的增加而增加分布式能源系统甚至出现不节能的情况。

[1]李海涛.分布式能源系统的热力学分析与优化[D].保定:华北电力大学，2005.

[2]熊瑶.分布式能源系统的能效计算及优化分析[D].武汉：武汉科技大学，2014.

[3]刘艳丽.小型分布式能源系统的优化设计[D].太原：太原理工大学，2014.

[4]侯建敏,周德群.分布式能源系统的复杂性特征分析[J].中国矿业, 2010,（10）：46-48.

[5]秦渊,杨洁，等.基于颜巴赫燃气内燃机的分布式能源系统变工况特性研究[J].发电与空调,2014,（9）：35-39.

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，工程师，从事分布式能源负荷预测研究工作。

2016-07-08

2016-08-29