内燃机CCHP系统运行特性及能流分析

谭永生

(中国水利电力物资集团有限公司，北京 西城 100043)

0 引言

能源短缺、环境污染等问题严重影响我国社会经济的发展，高效、清洁的能源利用是新时代能源发展的必然趋势[1-3]。冷热电联供系统作为一种高效的能源利用方式，与传统供能方式相互补充、共同发展。以内燃机为动力机的冷热电联供系统具有发电效率高、投资小、运行负载区间较宽等优点[4]，但是负荷需求变化引起的变工况往往会导致整个系统的节能性、经济性等并不理想，变工况特性不是十分清晰。文献[5]等构建了小型燃气内燃机冷热电联供系统，并进行了实验性能测试，结果表明该系统满载运行时可实现发电量12 kW、制热量28.1 kW和制冷量9 kW，且整体能源利用效率在70%以上。文献[6]等以内燃机的输出功率为变量，以一次能源利用率最高为目标，采用实验研究分析了冷热电联供系统的变工况运行性能，发现了系统工作特性中的最佳点。本文同样以实验的方式进行内燃机冷热电联供系统中各个主要设备的变工况研究，详细分析了运行特性发生变化的主要原因；同时，考虑了冷热电三联供系统在不同季节时，其输出的不同能量间匹配变化的关系。

1 冷热电三联供试验台

1.1 冷热电联供系统简介

冷热电三联供系统区别于传统的集中式供能系统，以小规模、模块化、分散地布置在负荷端，同时向用户提供冷能、热能和电能。以内燃机为动力机的冷热电三联供系统，内燃机消耗燃油产生高品位热能输出机械功，冷却水冷却活塞缸套产生低温余热，并且燃料燃烧做功后产生高温烟气余热。根据不同的内燃机功率以及应用场所，内燃机余热有不同的回收利用方式，缸套水余热主要通过板式换热器制取生活热水，排烟余热既可通过余热锅炉制取供暖热水或蒸汽，也可驱动溴化锂吸收式热泵或制冷机等[7-9]。

1.2 搭建试验台

内燃机冷热电三联供试验台如图1所示，内燃机的余热主要有排烟余热和缸套水余热两部分，其通过烟气热水型换热器回收排烟余热，板式换热器回收缸套水余热。采用10.8 kW柴油发电机组，机组型号为GF3-10 kW，输出功率为10 kW，额定转速1 500 r/m，外形尺寸1 770×850×1 100 mm，机组重量520 kg，电子调速，封闭水冷却，如图2所示。

1—内燃发电机； 2—原装冷却水箱； 3—风机盘管； 4—板式换热器； 5—烟气热水型换热器； 6—发电机； 7—加水箱； 8—压缩制冷机； 9—电热水器； 10—电子炉。图1 冷热电三联供试验系统图Fig.1 CCHP system

图2 柴油内燃机Fig.2 Diesel internal combustion engine

1.2.1 电负载

冷热电三联供系统用电设备有额定功率4 kW的电热水器、额定功率2.2 kW的电压缩式制冷机以及额定功率6 kW的电子炉(如图3—5所示)，这些设备作为冷热电三联供系统输出电能的模拟负载。电热水器为自行设计加工，额定进出口水温分别为55和60 ℃。

图3 热水器Fig.3 Heater

图4 制冷机Fig.4 Refrigerator

图5 电子炉Fig.5 Electron furnace

1.2.2 回收烟气余热

柴油在内燃机活塞中燃烧释放能量，驱动发电机组发电，正常情况下，做功后的烟气通过排气孔排放到环境中。冷热电三联供采用烟气热水型换热器进行烟气余热回收，回收的余热用来供暖，如图6所示。烟气热水型换热器额定进出口水温分别为55和60 ℃，热水走管程，烟气走壳程，同时布置的折流板可以增加烟气流程。内燃机排烟口装有消音器，将原有消音器拆下后，烟气直接进入烟气热水型换热器。

1.2.3 回收缸套水余热

内燃机采用水冷式冷却系统，主要有节温器、散热器、风扇、水泵和水套等组成[10]。冷热电三联供系统试验台中的内燃机有两套水冷式冷却系统，均保留有节温器、水泵和水套。内燃机缸套水余热采用板式换热器回收并用来供暖，型号为BR0.045-1。图7为原有冷却系统，图8为改进后的冷却系统。

图7 原有冷却系统Fig.7 Original cooling system

图8 改进后的冷却系统Fig.8 Improved cooling system

2 实验工况

依托冷热电三联供系统，开展多种工况下的运行实验，如热电联供、冷电联供及冷热电三联供，其主要参数变化情况如表1所示。

表1 不同工况的参数选取Table 1 Selection of various variable working conditions

注：不同工况下，通过调节管路流量保证供暖水温为60 ℃。

从内燃机运行特性、余热回收装置运行特性、制冷机运行特性及系统的能流特性等方面对冷热电联供系统的动力机实验结果展开详细分析。

3 实验结果分析

3.1 内燃机运行特性

燃料在内燃机气缸内燃烧推动活塞做功，做功后的高温烟气随活塞的往复运动不断从排气孔排出。如图9所示，随着输出功率的增加，相应内燃机单位时间内消耗燃油量上升，增加的燃油量主要有两部分去向:一部分用于增加内燃机的输出功率；一部分使内燃机缸套水余热和排烟余热量增加。由于内燃机为自然吸气，活塞行程基本不变，进而导致吸气量不变，烟气余热的增加主要体现在排烟温度升高。

图9 内燃机油耗随输出负荷的变化Fig.9 Fuel consumption of internal combustion engine varying with output load

随着内燃机输出功率的增加，其排烟温度逐渐升高，如图10所示。并且上升速度在8 kW后升高较快，这与内燃机油耗增加的趋势基本相符。当输出功率10.2 kW时，油耗为3.66 L/h，排烟温度达到最大值392 ℃。

图10 排烟温度随功率的变化Fig.10 Exhaust gas temperature varying with power

内燃机通过燃料在气缸内燃烧，驱动曲柄往复运动，输出机械功；同时，燃烧后高温烟气及冷却气缸的冷却水带走剩余主要热量。图11展示了内燃机输出功与热间变化关系，图12展示了余热占一次能源输入量的比例(余热占比)变化关系。从图中看出两个关键点：

图11 内燃机输出功与热间的变化关系Fig.11 Relationship between output power and heat of internal combustion engine

图12 余热占比随功率的变化Fig.12 Ratio of heat to heat varying with power

1) 随内燃机输出功率增加，烟气余热及冷却水余热均增加，但冷却水余热占比保持相对稳定状态，主要因为气缸内的可燃气体通过气缸将热量传送给气缸外的冷却水，并且随着气缸内活塞的高速往复运动，内燃机不断进行吸气、排气过程，造成短时间内通过气缸传递的热量较少，单位容积内燃料越多，烟气中余热量则越多。

2) 内燃机冷却水余热量在低负荷时高于排烟余热量，而在其他负荷时低于排烟余热量。其主要原因是内燃机采用压燃点火的原理，气缸内必须保证一定的温度，即气缸必须具有一定的温度以支持内燃机顺利点火。功率较低时减去输出功，排烟带走的热量相对较少些；功率较高时排除输出功，总体输入热量较多，维持顺利点火所需热量比例基本不变，近而排烟带走的热量增加相对较多些。

图13 发电效率随功率的变化Fig.13 Power generation efficiency varying with power

内燃机发电机组发电效率随着输出负荷的增大，呈现先上升后下降的变化趋势，在负载8 kW时达到最大发电效率，如图13所示。呈现出这种变化趋势的主要原因在于内燃机为自然吸气，受气缸大小与循环周期的影响，内燃机进气量基本为定值，输出功率较低时，氧气过量，燃料的燃烧为完全反应过程，随燃油量不断增加，受氧气量的限制，逐渐转变为燃料不完全反应过程，放热量降低；并且随着输出功率的增加，燃烧室受限，燃烧后的气体无法充分的膨胀做功，导致损失进一步增大。因此，内燃机输出效率的增加使发电效率呈现先升高后降低的趋势。

图14 一次能源利用率随功率的变化Fig.14 Primary energy efficiency varying with power

分布式冷热电联供系统中一次能源利用分为电能和回收利用余热热能，同时通过调节余热回收装置可使联供系统试验台排烟度较稳定，因此回收余热热能主要受内燃机的影响。如图14所示，依据热力学第一定律，一次能源利用率为输出电能与余热热能之和占输入燃料热量的比例。总体来看，由于燃料与空气配比的关系，随内燃机输出功率的增加总能利用效率呈现出先增大后减小的趋势。内燃机在输出功率为0时，由于有排烟余热和冷却水余热的产生及回收利用，所以内燃机在发电效率为0时，一次能源利用率并不为0；并且，当功率超过8 kW时，总能利用率曲线并没有出现类似发电效率曲线迅速下降的趋势，主要是因为没有及时转化为机械能的热能被作为余热回收利用。

3.2 余热回收装置运行特性

烟气热水型换热器进口烟气温度随着内燃机功率的增加迅速上升，出口烟气温度虽有小幅度上升，但是幅度很小，如图15所示。其主要原因在于为保证供暖热水的温度稳定，水流量增加，从而出口烟气温度变化不大。

图15 换热器进出口烟温的变化Fig.15 Change of smoke temperature at inlet and outlet of heat exchanger

图16 冷介质流量随功率的变化Fig.16 Cold medium flow varying with power changes

内燃机缸套水余热通过板式换热器进行回收：供暖循环水作为冷介质，内燃机缸套水作为热介质。忽略散热损失的前提下，可认为这部分余热全部回收利用。图16展示的是冷介质流量随内燃机功率的变化情况，其中冷介质经过板式换热器时温升5 ℃，出口温度为60 ℃。从图中可看出，冷介质随内燃机功率的增加，其流量也相应增加。在5～7 kW时，流量增加较缓慢，主要是因为内燃机发电效率增加，缸套水余热量上升缓慢；随后在8～10 kW时，冷介质流量增加较快，主要是因为随着内燃机功率的增加发电效率下降，但耗油量增加，缸套水余热量增加迅速。

3.3 制冷子系统运行特性

从制冷机出口水温和环境温度的变化出发，研究制冷机运行性能参数，即制冷系数(coefficient of performance, COP)的变化情况。

制冷机出口水温越低，即风机盘管进口水温降低有助于增加换热系数，进而较低的冷水温度可提高制冷效果。如图17所示，出口水温从8 ℃降低到5 ℃，制冷机COP相应的从4.48降低到3.43。在冷凝器工作环境不变时，降低出口水温，必须同时降低蒸发器压力，这样会增加压缩机功耗，即消耗电能增加。

图17 制冷机COP随出口水温的变化Fig.17 Refrigerator COP varying with outlet water temperature

在保证制冷机额定出口水温时，夏季温度越高，相应的室内冷量需求越大，制冷机运行负荷越大。随着环境温度的升高，制冷机中冷凝器内冷剂与环境温差减小，换热效果减弱；依据能量守恒原则，蒸发器吸热量减少；为满足相同的冷负荷，运行时间增长，功耗增加。如图18所示：环境温度在28～35 ℃时，制冷机COP变化较小；环境温度较低时，制冷机COP较高；当环境温度达到40 ℃时，制冷机COP仅为2.7，可见较高的环境温度制约了制冷机的高效运行。

3.4 联供系统能流特性

冷热电三联供系统可输出3种不同形式的能量，即冷能、热能和电能。根据用户不同的需求，三者之间可具有不同的对应关系。以10 kW小型分布式多能联供系统为基础，在设计工况及变工况下，分析系统不同形式输出能之间的关系。

在冬季，设计工况下多能联供系统可实现热电联供，冬季运行能流图如图19所示。内燃机发电机组通过利用燃料燃烧做功输出21.1%的电能，与此同时烟气热水型换热器回收输入能中占比30.82%的内燃烟气余热；板式换热器回收全部的内燃机缸套水余热，占比21.19%，热损失主要包括内燃机散热损失、低温排烟损失及摩擦损失等。在夏季，设计工况下多能联供系统可实现冷热电三联供，夏季运行能流图如图20所示。即除了内燃机发电机组正常运行外，还包括制冷机输出冷量，制冷机压缩机功率为2 250 W、环境温度为36 ℃时COP为3.8，输出冷功率8 550 W，联供系统回收余热用于生活热水。在春秋季节，联供系统可根据用户需求选择运行或停止。

图18 制冷机COP随环境温度的变化Fig.18 Refrigerator COP varying with environment temperature

图19 冬季运行能流图Fig.19 Winter running energy flow diagram

图20 夏季运行能流图Fig.20 Summer energy flow diagram

变工况下，在冬季冷热电三联供系统同样输出热电，通过调节内燃机的功率及热水器功率，满足用户的变负荷需求。当用户热负荷增加，电负荷减小，即出现热电比增大至回收余热不足的情况，可以通过电热水器调节，牺牲一部分高品位电能用来满足热负荷，如图21所示。其能量匹配对应关系如下：

Z=α+X-Y

(1)

式中：Z为冷热电三联供系统的输出热功率，W；X为冷热电三联供系统的发电功率，W；Y为 冷热电三联供系统的输出电功率，W；α为联供系统回收余热量，kJ/s。

图21 冬季系统输出功热图Fig.21 Winter system output work & heat diagram

变工况下，冷热电三联供系统在夏季主要输出冷电，通过调节制冷机及内燃机功率，满足用户的变负荷需求。其能量匹配对应关系如下：

式中：C为联供系统的最大输出冷功率，kW；E为联供系统的最大输出功率，kW；β为联供系统中制冷机的COP。

夏季时，内燃发电机组的输出电能主要有两个去向，一部分驱动电压缩式制冷机制冷；另一部分用于满足用户的生活用电。如图22所示，若小型分布式多能联供系统发电功率较低时，其电能全部用于驱动制冷机，则输出电量为0；当制冷机达到额定功率时，剩余电能全部作为用户的生活用电，并且随着发电功率的提高而增加。小型分布式多能联供系统通过制冷机输出冷量，满足用户冷负荷需求。如图23所示，制冷机额定功率2 250 W，以COP为3.8为例，随着发电功率的增加，制冷功率最大为8 550 W。

图22 夏季系统输出电功率图Fig.22 Summer system output power diagram

图23 夏季系统输出冷功率图Fig.23 Summer system output cooling diagram

4 结论

通过对冷热电三联供系统的研究分析，得出了联供系统中内燃机、制冷机等设备的运行特性以及联供系统的能量匹配关系，针对以上内容的研究分析主要得出以下结论：

1) 内燃机余热分为冷却水余热和排烟余热两部分，温度不同，品位也不同，冷却水温度较低可以用作供暖；排烟温度受功率变化影响较大，可以用来供暖、产蒸汽及驱动溴化锂吸收式机组等。同时，排烟余热占比较大，合理利用有助于提高能源的利用效率。

2) 小型分布式多能联供系统余热回收装置主要有烟气热水型换热器、板式换热器，其中烟气热水型换热器运行性能良好，可实现较低的排烟温度，而板式换热器能回收全部的缸套水余热。

3) 小型分布式多能联供系统最大输出电功率10.2 kW、最大制热功率35.5 kW、最大制冷功率8 550 W；同时在夏季运行时，由于采用电压缩式制冷机制冷，三联供系统输出的电功率和冷功率互相影响。