沼气户用微型热电联供系统仿真与应用

赵俊宇 明岗

同济大学机械与能源工程学院

0 引言

由我国北方农村冬季燃煤和直燃生物质采暖而引起的大气污染以及健康问题已经成为近年来的社会关注焦点[1-2]。自2013 年提出《大气污染防治行动计划》和2017 年打响“蓝天保卫战”以来，各级政府连续多年投入大量资金在北方农村地区展开了大规模的以“煤改电”、“煤改气”为代表的清洁采暖改造工程，力争从根源上缓解冬季大气污染问题。这些工作已经取得了显著的成效，但也引发了一些附加问题：例如农村电力负荷剧增，天然气短缺，生物质废料处理困难以及用户采暖费用上涨等等。针对这些新问题，2019 年6月国家发改委、国家能源局发布了相关指导意见，提出应当因地制宜拓展多种清洁供暖方式，并应在农村地区重点发展生物质能供暖[3]。基于这个思路，在国家重点研发计划的资助下，本课题组正在探索开发一款沼气户用微型热电联供（MCHP）装置，该装置由中大型沼气工程的管网供气，通过回收原动机发电余热用于满足农宅的采暖和生活热水需求，发出的电力优先在本地使用，多余部分则输入电网。该技术不仅可以用于满足农宅的热需求，还可以帮助改善农网的供电结构，减小电力负荷,提高农村地区薄弱的电力系统的安全性、可靠性，并可与“煤改电”技术形成互补。

本文将提出一种针对上述农宅供热场景设计的MCHP 系统方案，然后总结目前已发表的研究中所使用的CHP 系统仿真模型的特点，并构建一种基于Modelica/Dymola 平台[4]的、可用于指导设备开发的、适用于本项目的动态仿真模型，最后使用该模型验证了所设计的系统的有效性，并探讨了MCHP 装置开发过程中的一些典型问题。

1 MCHP 系统的设计

由于目前国内市场上并没有户用MCHP 产品，相关的产业链并不完整，系统设计方案也处在探索阶段，因此一些关键部件和子系统需要自行开发和设计。下文简要阐述了MCHP 系统的设计方案。

1.1 原动机的选择和设计

根据项目前期的系统最优化研究，适用于典型北方农宅的MCHP 装置的额定发电量应为3.5 kW 左右，结合成本和技术成熟度等因素[5]，选择内燃机为原动机。作为热电联供装置的原动机，内燃机首先应该具备足够的可靠性，并且便于回收余热，但目前这个功率区间内并没有满足要求的沼气内燃机可供选择。因此以一台400CC 的四冲程单缸汽油水冷摩托车发动机为基础进行改装。摩托发动机主要在高转速区间运转（＞3000 rpm），而发电工况转速则要低得多（1500～3000 rpm），沼气的燃烧速度和热值也比汽油低很多，需要对内燃机的点火提前角、进排气门正时等参数进行优化，同时润滑油、气门、活塞环、火花塞等部件也要为燃烧沼气而进行相应调整。经过改装后，沼气内燃机主要参数如表1 所示，借助发动机性能仿真软件GT-SUITE[6]，对经过改装后的内燃机的性能进行了计算，结果如图1 所示。

表1 内燃机规格参数

图1 沼气内燃机性能和效率特性

1.2 热管理系统的设计方案

MCHP 的热管理系统是指负责回收发电过程中产生的余热并将其合理地转移，分配，存储和使用的子系统。图2 展示了热管理系统方案，其中左侧蓝色阴影部分代表MCHP 装置本体，为保证装置便于安装维护，其内部集成了所有动力和控制组件，与外界通过①～⑤流体接口连接。除本体以外地其余部分代表需要在现场安装的部分，仅包含管道和一台标准水箱。整个系统包含三个流体回路，一是内燃机缸体冷却液回路（封闭循环，40%乙二醇-水溶液）。二是采暖、储热用热水回路（封闭循环，纯水）。三是生活热水回路（开式循环，市政自来水）。

图2 热管理系统示意图

发动机缸体冷却液回路由Pump_2 驱动，电动三通阀Val_1 通过调节进入HEX_1 和旁通管的流量来使得进入内燃机水冷夹套的冷却液保持目标温度为85 ℃。发电机和烟气换热器等其余高温部分均由纯水直接冷却，这部分纯水可能来自水箱底部低温部分，或采暖、生活热水回水，经过定速泵Pump_1 推动先进入水冷发电机，再经过HEX_1 与发动机冷却液换热，最后进入尾气换热器HEX_2 回收尾气余热。Val_2 根据从HEX_2 流出的热水温度调节出水流量，使得出水温度保持80 ℃。最终产出的热水有三个去向，一是由Val_3 控制进入HEX_3 加热市政水生产生活热水。二是由散热器温控阀调节进入室内进行采暖。三是进入储热水箱。根据热负荷和产热量的变化，热水可能从水箱上部流入或流出水箱，因此系统的水利工况可能随时会发生变化。

为了减小装置运转时发出的噪音，户用MCHP 装置一般都会采用封闭式隔音外壳，由于隔音材料一般都是绝热材料，因此装置内部热量不容易传出，封闭空气的温度很容易升高超出限值。上述方案采取内燃机进气冷却的方式使得进气先流经高温部件的表面带走热量再进入内燃机燃烧，这样箱体内温度可以控制在合理范围内。

1.3 其他部件的设计选型

发电机是MCHP 装置的另一个重要部件，同类产品中使用同步或异步发电机的都有。当采用同步发电机时，需要配合双向电力逆变器才能实现电力并网和发电机反拖内燃机启动功能，其优点是内燃机转速比较灵活，不必局限于同步转速附近，因此可以实现更高的热效率，同时发电质量较好、发电机效率高，缺点是成本较高。为了控制成本，本方案采用了一台额定发电量4 kW 的双极异步发电机，异步发电机可以直接并网并实现反拖启动功能，系统得到了简化，其主要缺点是发电效率较低（约为82%），同时整体效率容易受电网电压波动影响。另一方面，无论是同步还是异步发电机，市场上都没有如此小功率的水冷型号供应，而定制开发则成本较高，本文后续将讨论使用普通风冷发电机进行替代的可能性。

除上述的部件和子系统外，其他部件均可以采用市面上已有的常规产品。

2 仿真模型的开发

MCHP 装置是一个涵盖电力，热力，机械和控制逻辑的复杂系统，在产品开发初期，为了减小开发风险、缩短开发周期、减少试错的次数，选择合适的方式建立系统仿真模型来辅助设计十分有必要。

2.1 现有的系统模型

已经有不少研究建立了CHP 系统的仿真模型，根据模型的特点，大致可以分为三类：

1）黑箱模型（Black Box）[7-8]。将MCHP 装置作为一个供应电力和热能的单一部件看待，忽略内部的状态变化而只关注输入与输出。这类模型一般为纯参数化的模型，参数全部由试验数据回归得到。

2）包含部分物理模型的CHP 模型[9-11]。模型内一般包含换热器、水泵、管路系统等部件的物理模型，而原动机和发电机的效率，燃料消耗量，产热量等关键参数则根据试验数据回归为简单的多项式。

3）全物理模型的CHP 模型[12-13]。这类模型具备简单的原动机物理建模，其它部件则尽可能采用简单的模型，以降低模型求解难度。由于内燃机中的物理过程发展相当迅速，模型的计算时间步长往往在微秒级别，而建筑能耗模型的时间步长往往是分钟级别的，因此无法直接将二者集成在同一个模型中进行仿真。

显然，上述这些模型并不能满足本课题的需求：黑箱模型直接忽略了大家所关注的装置内部状态的变化，而且黑箱模型和部分物理模型都属于非预测性模型，需要大量整机试验数据的支撑，这在项目初期无法获取。全物理模型则难以与建筑模型耦合并且不够灵活，不便于工程应用。

2.2 本文开发的系统模型

为了指导一台全新的CHP 装置的开发，所需要的是一个预测性的、至少精细到零部件级别的并且具有足够灵活性的动态仿真模型。另一方面，CHP 作为服务于建筑的能源装备，模型也必须要具备与建筑能耗模型进行协同仿真的能力。

基于这些要求，以Dymola 仿真软件为平台，利用Buildings（建筑暖通系统模型库）、Spot（电力系统库）、NeuralNetwork（神经网络库）三个免费第三方库和Modelica 标准库建立了CHP 系统仿真模型，凭借Modelica 语言面向对象的特点，层级化建模和跨物理领域建模的能力，该工具可以灵活地描述各种热、流体、电和机械过程，极大地方便了模型的建立。

整个MCHP 系统的顶层结构如图3 所示，由MCHP 装置模块（mCHP_unit）、生活热水模块（dHW）、采暖系统模块（spaceHeating） 和储热水箱模块（hotWaterTank）四部分构成，每个模块内部又嵌套了若干层子模块，例如在MCHP 模块内部，除了含有MCHP 装置的流体和传热系统模型外，还包含了内燃机-发电机子模块，控制单元子模块和箱体内空气传热子模块三个子模块，这些子模块内部还进一步嵌套了子模块。利用这种层级式的结构，本模型实现了零部件级别的建模并且具有足够的灵活性。

图3 系统模型的顶层结构及MCHP模块的展开

为了解决内燃机与系统其他部分模型计算时间步长不匹配的问题，本文使用GT-SUITE 中建立的内燃机物理模型生成了一个足够大的数据集，并用其训练了5 个3 层前馈式神经网络模型，这些模型以内燃机转速，节气门开度，进气温度和缸内壁温度为输入值，分别输出沼气流量，排气流量，排气温度，缸壁传热量和扭矩。图4 展示了其中用于计算扭矩的神经网络模型的输出值的误差情况，可以看到误差值非常小，其他4 个神经网络模型的误差情况也与之类似。由于神经网络模型的计算速度很快并且稳定性很高，因此使用神经网络模型替代物理模型使得内燃机模型具备了足够的精确性、计算速度和鲁棒性，内燃机模型可以直接与系统其他部分进行协同仿真。

图4 内燃机性能预测神经网络模型和物理模型计算结果对比

为了评估使用MCHP 系统时所能取得的实际采暖效果，需要在系统模型中加入建筑热响应模型。如图5 所示，由于Dymola 并没有相应功能的库，因此通过FMI（Functional Mock-up Interface）技术将TRNSYS中建立的建筑热响应模型封装为FMU 模块作为一个子模型嵌入到Dymola 模型中，以此实现MCHP 和建筑模型的动态互动。

图5 运用FMI 技术实现TRNSYS 建筑模型与Dymola 模型的联合仿真

3 仿真模型的应用

借助上述仿真模型，可以对开发过程中遇到的一些问题进行提前预测。在下文的测试中，建筑模型使用的天气文件为2 月份的北京郊区，全天平均温度约7 ℃，采暖区域一共五间房共90 m2，白天卧室的采暖目标温度15 ℃，夜间为10 ℃。

3.1 水系统和采暖系统的运行状态验证

在系统设计方案中，水箱中存储的热量会按照需求和供给之间的差异自动释放或续存，水箱中水的流动方向也因此会发生改变，为了验证这种设计的有效性，进行了如下测试（图6）：

图6 采暖系统和水系统工作状态

图6A 中黑线代表MCHP 的启停状态，高值代表运行，否则为停机。夜间MCHP 停机时，其产热水流量为零，采暖所需热水全部由水箱来提供，此时图6B 中水箱流量为负（代表热水流出），当清晨房间目标温度提高时，热负荷增大，水箱流量也随之增大。随后MCHP 启动，热水需求由MCHP 产水和水箱储水共同满足，水箱流量减小，但仍然为流出状态。随着室外温度的提升，采暖热负荷逐渐减小，所需热水完全由MCHP 提供，多余热水进入水箱，此时水箱流量变为正值。图6B 中水箱流量曲线的向下尖峰是由于供应生活热水导致的。以上测试表明热管理系统方案可以实现设计目标，阀门和控制器的参数配置也较为合理，室内温度可以得到迅速有效调控。

3.2 MCHP 箱体内的温度控制方案验证

隔音箱体内空气温度过高是MCHP 产品研发过程中普遍会遇到的问题，过高的温度（＞80 ℃）会使得电子元件可靠性下降，本模型通过建立箱体内的传热网络模拟了空气温度的变化。在实际运行过程中，箱体内温度最有可能会产生过热的情况有两种，一种是冬季高负荷长时间运行，另一种是夏季高温天气运行。如图7B 所示，当不采用进气冷却技术时，即使采用定制的水冷发电机，冬季运转时箱内的最高温度也高达90 ℃以上，因此不采用进气冷却方案肯定行不通，同等情况下，当采用进气冷却方案时箱体内温度可以下降约20 ℃。在有进气冷却的前提下，采用水冷发电机可以使夏季和冬季的箱体内最高温度维持在约80 ℃和70 ℃，均保持在安全范围内。当使用风冷发电机时，夏季满负荷运行最高温度达105 ℃，若将发电功率降低至2.0 kW 则可使得最高温度保持80 ℃左右（夏季热负荷很小，低功率可以满足需求），而冬季热负荷较大必须保持满负荷地运行，此时箱体内最高温度达100 ℃，因此即使采用了进气冷却，为了降低成本而使用风冷发电机也行不通。

图7 不同冷却方案和外界条件下的箱体内温度情况

3.3 MCHP 的瞬态特性及控制方案的验证

在通常的CHP 模型中，瞬态特性往往被忽略或者通过试验数据拟合得到，这对于指导设备开发并无助益。本模型可以进行MCHP 瞬态运行特性的仿真，因此可以在模型中调整各个控制器的类型和参数以及控制方案，以使得其达到最优状态。

图8 MCHP 冷启动过程

图8 展示了MCHP 的冷启动过程，由于内燃机热惯性较大，因此发动机冷却液回路的三通阀(Val_1)使用了PID 控制器，防止超调过热。热水回路热惯性相对较小，采用PI 控制器的流量控制阀(Val_2)即可实现良好的温度控制，该控制器还需要设定一个下限开度，防止冷启动时由于出水温度低导致阀门完全关闭的错误控制。

冬季夜间采用水箱储水供热时，内燃机可能长时间停机，水系统有冻结风险。此时控制器会持续检测水系统上各个温度传感器的温度，当最低检测值低于4 ℃时进入防冻结运转，此时会从水箱中抽出少量热水用于提高水系统上各个部件的温度，图9 展示了防冻结运转状态下的水系统各部件内水温情况，可见这些部件水温降低至4 ℃后就不再继续降低，验证了该控制方案的有效性。

图9 水系统防冻结运转

除了上述两种瞬态过程外，内燃机停机、变功率、生活热水供应、辅助空气源热泵运行等瞬态过程均可以进行验证。

4 结论

在农村清洁供热改造工程提出的新思路指导下，本文设计了一种用于供热的沼气户用MCHP 装置和系统方案，并在Dymola 平台上建立了相应的动态仿真模型，并使用该模型验证了系统设计的合理性。通过本文的分析，可以得出以下结论：

1）本文所设计的MCHP 的内燃机和发电机匹配良好，可以按照目标功率稳定运行，也可实现发电机反拖启动功能。

2）MCHP 的热管理系统方案可以合理控制热量的存储和使用，阀门和水泵的选型基本合理，房间采暖情况良好。

3）为了控制密封箱体内的温度，使用进气冷却是必要的，而在MCHP 装置中使用风冷发电机则是不可行的。

4）方案所使用的控制器可以迅速、平稳地实现MCHP 冷启动，冬季的水系统防冻结运转控制方案是合理有效的。

5）除此以外，本文所建立的动态仿真模型可以验证更多瞬态过程的控制合理性，也可以进一步推广用于其他类似产品的设计辅助。