基于生物质气化的内燃机–吸收式制冷联合冷热电系统分析

贾俊曦，唐锐锋

哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

联合冷热电(combined cooling heating and power，CCHP)系统是一种减少能源消耗及降低碳排放的有效能量利用方式[1]。这种系统已经被广泛应用于居民区、大学、机场、医院等场所。其能量来源的灵活性使其可以将可再生能源与能源转化和储存技术联合起来。

基于可再生能源中生物质能转化与利用的发电、制冷及余热利用的CCHP 系统已经被广泛提出和研究[2]。这些研究关注于不同生物质转化方式下的CCHP 系统。目前生物质转化方式主要有燃烧、气化、热解、生物化学和化工过程转化，其中气化的方式可以处理低品位的生物质，与直接燃烧方式相比，生物质气化技术在发电方面扩大了燃料的使用范围。实现生物质气化的设备包括固定床气化炉（上吸式和下吸式）及流化床气化炉。与上吸式和流化床气化炉相比，下吸式气化炉可以产生更高品质的燃气，而且维护费用更低[3]。生物质气化发电可以采用蒸汽轮机、有机朗肯循环、内燃机、微型燃气轮机和燃料电池等装置[4]。尽管微型燃气轮机、燃料电池的发电方式电效率更高，但是内燃机发电方式由于其投资少、技术成熟，在30~1 000 kW 的小型生物质气化发电系统中得到了广泛应用[5]。发电效率的高低对于内燃机当然重要，但是对于CCHP 系统而言，有效的余热利用也很重要，因为这可以提高燃料的整体利用水平[6−7]。本文以生物质气化气为燃料，以四冲程内燃机为发电装置，余热回收采用吸收式冷制和热水换热器来收集能量，设计了内燃机–吸收式CCHP 系统，并对其进行了热力学和经济性分析。

1 内燃机–吸收式制冷CCHP 系统

本文研究的CCHP 系统如图1 所示，图1 中数字代表工质流动节点及节点。该系统由生物质气化炉及净化单元、内燃机、吸收式制冷单元及热水桶组成。生物质在气化炉中进行空气气化，生成的气体经净化单元处理进入储气桶供内燃机使用。气体进入内燃机燃烧做功后，其尾气仍具有较高温度，此余热可将环境温度下的给水加热，热水进入水桶，一部分对外提供热水，另一部分作为吸收式制冷单元的高温热源，为制冷系统提供热量，由制冷单元的蒸发器对外提供所需要的制冷量。

2 各部件数学模型

为了研究CCHP 系统的整体性能，分别建立了下吸式气化炉、四冲程内燃机、吸收式制冷的数学模型。

2.1 下吸式气化炉

沿着燃料流动的方向将气化炉分为热解–氧化区和还原区。根据质量守恒、能量守恒和化学反应原理可建立守恒方程[8]。

在热解–氧化区，生物质经过干燥和空气气化后生成合成气：

此区域考虑的化学反应为碳反应C+2H2↔CH4和置换反应CO+H2O ↔CO2+H2。

还原区的化学反应为碳的还原反应C+CO2↔2CO、C+H2O ↔CO+H2、C+2H2↔CH4及已生成的甲烷的重整反应CH4+H2O ↔3H2+CO。

由化学反应引起的控制体内6 种气体成分的质量平衡为

控制体内的能量守恒方程为

式中：hi为气体成分i的焓值，J/mol；Cp,C为焦炭的比定压热容，J/(kg·K)；Cp,ash为灰分的比定压热容，J/(kg·K)；mash为灰的质量；T为第k个控制体的温度；T0为环境温度。

由质量守恒和能量守恒方程可以得出气化炉内气体温度和气体成分[10]。

2.2 四冲程内燃机

为建立内燃机转角与气缸内压力温度的关系，根据曲轴半径R、连杆长度L、气缸孔径B及与气缸体积V的关系得出[11−12]：

根据理想气体状态方程和质量守恒方程可得缸内压力P与转角θ的关系：

生物质气化后生成的合成气喷入气缸内燃烧，生成高温高压气体推动活塞做功，同时部分热量通过气缸壁以对流换热的方式散失到环境中：

联立求解式(1)~(3)可得出内燃机缸内参数随转角变化的数值。

内燃机整体的能量守恒方程为

式中：Qcomb为燃料放热量，Qexhaust为内燃机排气热量，PICE为内燃机做功，Qloss为不可回收热损失。

2.3 单效溴化锂–水吸收式制冷

本文采用单效溴化锂–水吸收式制冷来回收余热。其主要部件包括发生器、蒸发器、冷凝器、吸收器及溶液换热器，如图1 所示。吸收剂是溴化锂，制冷剂是水。根据能量守恒和质量守恒，可以列出各个部件的方程[13]。

发生器的质量守恒方程为

能量守恒方程为

蒸发器的质量守恒方程为

能量守恒方程为

吸收式制冷效能系数(coefficient of performance，COP)COP为制冷量Qe与吸热量Qg的比值：

2.4 系统性能模型

系统的冷负荷Qcooling为蒸发器传热量Qe：

系统的热负荷Qheating为提供的热水的热量，给水的入口温度为25 ℃，出口水温为60 ℃：

CCHP 系统的电效率 ηel为

式中：PICE为内燃机功率；m˙biomass为生物质燃料流量，kg/s；Hlow,bio为生物质低位发热量，J/kg。

整体效率ηCCHP为

对系统进行经济性分析时，净现值（net present value，NPV）VNP为

式中：C0为初投资，r为利率，Ck为年收入，n为服务年限。

当净现值为零时，对应的时间为投资回收期。

3 计算结果及分析

3.1 数学模型验证

为验证模型的准确性，将本文各部件的计算结果和其他实验数据对比，如表1 所示，模型计算和对比文献吻合良好，可以用来进行系统分析。

表1 数学模型的验证

3.2 热力学结果及分析

表2给出了计算时的工作参数和设计参数。

表2 计算设定参数

图2给出了转速对内燃机功率、冷却水系统、尾气及不可回收部分比例的影响。增加转速减少了完成热力循环需要的时间，使燃气向气缸壁传热的时间减少，因此内燃机冷却系统的比例下降；同时增加转速使输出功率份额和尾气份额增加。在高转速区域，由于活塞与气缸壁的摩擦增加，燃料中转化为输出功的份额减少，不可回收损失增加。总体而言，内燃机热效率可达到37%。

图2 转速对内燃机能量分配的影响

图3给出了转速对系统冷热电输出的影响，图4 给出了转速对系统电效率和整体效率的影响。提高转速相当于增加了燃料流量，冷热电输出都得到提高，在转速为4 000 r/min 时，整体电效率最高，为21%。由于采用了余热利用系统，尽管内燃机的冷却系统和尾气排放份额变化趋势不同，但总体的冷热电效率为47%~48%。

图3 转速对CCHP 输出的影响

压缩比的提高可以增大内燃机热效率。本文对转速为4 000 r/min，压缩比在8~12 变动时的内燃机性能进行了计算。图5 给出了压缩比对内燃机内能量分配的影响，图6 给出了压缩比对系统效率的影响。压缩比从8 提高到12 后，内燃机热效率从35.97%提高到37.51%，CCHP 系统电效率提高1%，达到22%，整体的冷热电效率几乎不变。

图6 压缩比对CCHP 效率的影响

表3给出了制冷单元中的吸收器(a)，冷凝器(c)，蒸发器(e)，发生器(g)，溶液换热器(she)的传热率数值，N=4 000 r/min，压缩比为10。计算结果表明，当Tg=85 ℃并且Ta=35 ℃时，单效吸收式制冷的COP 为77.17%。

表3 制冷单元计算结果

图7给出了发生器和吸收器工作温度温度对COP 的影响。当Tg=90 ℃ 并且Ta=30 ℃时，最大制冷量可达251 kW，COP 可达81.13%，CCHP 效率从47.77%提高到48.36%。当Tg降低到80 ℃并且Ta升高到40 ℃，COP 急剧降低到51%。同时，当发生器温度较低时，COP 随着吸收器工作温度升高而降低的程度更剧烈。Ta同样从30 ℃升高到40 ℃，COP 在Tg=90 ℃时仅降低6%，而在Tg=80 ℃降低了28%。

图7 发生器和吸收器工作温度对制冷量的影响

3.3 经济性分析

在热力学分析基础之上，采用NPV 方法对CCHP 系统进行经济性分析，每千瓦参数设定如表4[5]。

表4 经济性分析参数设定

图8给出了经济性分析的关键指标投资回收期与转速的关系。转速增加或者负荷增大后，系统输出功率增大，整体收入增加，转速大于3 000 r/min后，投资回收期小于5 a；转速大于4 000 r/min后，投资回收期的减小程度较小，介于2~3 a。

图8 转速对CCHP 投资回收期的影响

4 结论

本文对一个基于生物质气化的内燃机-吸收式制冷CCHP 系统进行了热力学和经济性研究，分析了一些参数对整体性能的影响。主要结论如下：

1)内燃机转速增大提高了其输出功率和热效率，冷却系统所占燃料份额下降，尾气所占份额提高，最终导致CCHP 系统电效率提升2%，整体冷热电效率为47%左右。

2)增大内燃机的压缩比使其热效率提高1%左右，CCHP 系统电效率增大1%，整体冷热电效率几乎不变。

3)提高吸收式制冷发生器工作温度或降低蒸发器温度可以提高制冷量和COP，本文中，当其温度高于85 ℃时，COP 大于0.77。

4)整体而言，本文的内燃机热效率可达37%，CCHP 电效率为22%，冷热电效率可达48%，投资回收期为3~4 a。

影响整体电效率的原因可能在于生物质气化后的高温燃气在清洁和冷却过程中损失能量较多，限于篇幅本文没有讨论。下一步研究可在此环节加装换热器或其他热机来获取热量或做功，提高整体系统的电效率、总效率及经济性。