關于內燃機分布式冷熱電聯供技術的有效運用分析

馬建龍

摘 要：在內燃機產生的熱量中，缸套水余熱燃料占有較大比例，約為1/3左右，然而到目前為止，我國在內燃機分布式冷熱電聯共系統方面的研究時日尚短，尤其是對于變工況、系統集成等各方面的研究相對不足，因此，對內燃機的余熱利用進行研究具有重要的現實意義。內燃機分布式冷熱電聯供技術能夠有助于合理利用內燃機能源，促進分布式供能技術的普及。

關鍵詞：內燃機；分布式冷熱電聯供技術；運用

中圖分類號：TK01；F403.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）32-0037-02

能源在日常生活中起到維持生存活動的作用。人們對能源的需求量隨著社會經濟的發展而與日俱增。目前我國能源利用主要是煤炭，使用煤炭產生的二氧化碳較高，同時可產生大量的硫氧化物、氮氧化物等有害物質，不利于環境保護，另外煤炭利用率不高，造成能源浪費。

分布式能源系統是一種中小型終端功能系統，其主要通過能量梯級利用面向用戶，為用戶提供制冷、供熱、生活熱水和電力等多種形式的能量，符合節能和保護環境的要求，其有利于提高能源利用率，減少能源浪費；除此以外，分布式能源系統能夠提高供能的安全性，其具備的多種優點使其能源利用中得到重視和推廣應用[1]。在實際中，如何有效運用內燃機分布式冷熱電聯供技術具有重要的研究價值。

1 內燃機分布式冷熱電聯供系統簡述

內燃機分布式電聯供系統屬于多聯產總能系統，該系統主要的建立是基于能源的梯級利用為基礎，具備發電、供熱、制冷等功能。目前該系統中的動力系統所用的發電設備有內燃機和燃氣輪機，在1～5 MW以內的冷熱電聯產系統中，內燃機的數量大約是燃氣輪機的2倍，而在1 MW的系統中，內燃機則占據絕大部分[2]。另外，內燃機分布式冷熱電聯共系統還裝置了余熱回收利用設備。其具有多方面的優點：

其一，節約能源。內燃機通過將能源燃料轉化成為熱能，而釋放的熱能有多種不同的品質，根據不同熱能的品質可以將其轉化成為蒸汽熱能和二次電能，從而達到合理利用資源的目的，一般情況下，低品位的熱能主要用途是供暖和制冷，而高品位的熱能的用途主要是發電。通過結合熱能品位運用能夠實現能源梯級利用，節約能源。

其二，環保。通過冷熱電聯共系統能夠有助于提高能源利用率，減少能源浪費，且對余熱的利用率較高，因而排出的煙氣溫度相對較低，給環境造成的污染較小，起到減少環境污染的作用。

其三，系統安全性高。分布式冷熱電聯供系統具備多種功能，包括電制冷、熱力制冷、自發電、市電等，各種功能互為備用，例如在熱力制冷的途徑中斷時可以采用電制冷，從而提高系統運行的可靠性。而系統同時具備供熱、制冷、發電功能，滿足不同需求，具有較高的經濟性能。

其四，平能能源負荷。我國的能源結構不合理，且隨著季節的變化，人們對各階段的需求也有所不同，在冬季人們的需求主要是供暖、熱水等，這一時期人們對電量的需求量相對較低，而在夏季，人們的需求主要是制冷用電，因此該階段為用電的高峰期。由于冷熱電聯共系統具備制冷、供熱、發電多種功能，在任何階段均可以滿足人們的需求，從而起到平衡能源負荷的作用。

2 內燃機分布式冷熱電聯供技術的應用分析

一般情況下，內燃機在燃燒燃料后釋放出來的熱量并沒有安全轉化為有用功，除了一部分轉化為有用功外，還有冷卻系統、潤滑油、排氣以及其他散熱途徑帶走部分熱量，其中轉化為有用功的熱量是充分利用的部分，而其他的部分均為余熱[3]。對于余熱的處理，目前主要對排氣和冷卻系統的余熱進行回收。典型的內燃機分布式冷熱電聯產系統包括內燃機、發電機、制冷機組、熱交換器等。內燃機排出的煙氣可高達350～450 ℃，制冷機組可以利用這一部分的煙氣余熱轉化為冷量，或可以將這一煙氣余熱用于供暖或提供熱水。該系統的正常運行的情況下，氣缸內的溫度高達2 000～2 500 ℃，高溫燃氣與活塞、缸套等零件接觸后，容易導致這些零件材料強度降低或損壞，影響到整個設備的使用壽命。因此，需要將這些余熱及時散發，使這些部件在適宜溫度范圍內正工作。

通常情況下，缸套水出口溫度不超過100 ℃，雖然經過缸套水帶走的熱氣溫度相對其他帶走熱量方式來說品位較低，但其數量可觀，通過缸套水排出帶走的熱量在燃料燃燒釋放的總熱量中占比高達30%～40%[4]。對這一部分的余熱利用技術主要有升溫型熱泵技術和吸收式除濕技術。

2.2 升溫型熱泵技術

升溫型熱泵技術也叫吸第二類收式熱泵技術，該技術主要是將中溫熱源轉化為高溫熱能，工作流程主要是利用大量的中低溫熱能驅動，制取溫度更高、但熱量更少的高品位熱能，從而為熱能的利用提供條件。

一般情況下，第二類吸收式熱泵的性能系數為0.4～0.5，而單效升溫型熱泵的性能系數可達0.45，因而該技術可利用60～100 ℃的中低溫熱源進行驅動，并制取約150 ℃的熱能[5]。這一項技術尤其適用于含有大量的低溫余熱以及有蒸汽需求的環境下。

蒸發器、吸收器、溶液熱交換器、冷凝器、發生器是構成升溫型熱泵主要部分，其工作的基本流程是蒸發器吸收大量的余熱，使冷媒劑氣化成為蒸汽，而吸收器通過吸收這些蒸汽，將其輸送至溶液熱交換器，溶液熱交換器中的吸收劑濃度較高，在吸收蒸汽后將會稀釋，并放出熱量，而稀釋后的溶液經過溶液泵加壓，輸送到發生器，稀釋后的溶液在受到外界熱源加熱后，原來吸收的蒸汽將會釋放出來，使稀釋溶液形成濃溶液，從而形成一個良性循環過程。而釋放出的蒸汽進入冷凝器后釋放出熱量，變成液體狀態，并進入下一個循環流程中。

總的來說，整個熱泵系統的工作過程中主要是吸收熱量和釋放熱量的過程，而蒸發器、吸收器主要起到吸收熱量的作用，而冷凝器、吸收器則主要是釋放熱量。熱泵系統中的冷媒劑則通過吸收、釋放熱量完成利用熱能的循環過程，從而有效提高內燃機聯產系統產生的熱能利用率。

2.3 吸收式除濕技術

在美國，吸收式除濕技術已經成為分布式功能系統工程中重要的構成部分。而近年來，我國也十分重視吸收式除濕技術的應用，因而該技術在我國也得到較快發展。吸收式除濕裝置系統主要構成部分包括常溫除濕部分和高溫再生部分以及吸收器溶液循環泵，發生器溶液循環泵。其中常溫除濕部分由吸收除濕器、吸收器溶液冷卻器、溶液換熱器、主風機構成，其工作流程主要是通過主風機將待除濕空氣輸送至吸收器，而溶液吸收器則吸收空氣中的水蒸氣，并放出大量的熱量，使水蒸氣轉變為液體狀態并與吸收劑結合。釋放出的熱量使吸收液出口溫度上升，而溶液冷卻器則將吸收液進行冷卻，降低入口溫度，維持入口溫度處于正常溫度范圍內。

與此同時，溶液換熱器將一部分的溶液輸送到發生器，由發生器進行脫水處理，并進入下一循環。高溫再生部分由濃溶液發生器、發生器溶液加熱器、再生風機構成。溶液加熱器將吸收液進行加溫，形成上升的吸收液飽和蒸氣壓，并進入發生器，由再生風機輸送到濕度相對較低的再生空氣進行脫水處理。在脫水處理的過程中，循環溶液要經過溶液加熱器的加熱使其溫度升高保證水分充分蒸發。吸收液經除濕后與濃溶液混合，一部分用于吸收除濕循環，另一部分則進行脫水再生。

吸收式除濕裝置系統在除濕時需要消耗一定的熱量以及一定量的冷，而在該系統裝置可以消耗的熱量有余熱和蒸汽，可以消耗的冷有空氣、冷水、冷卻水。而內燃機所產生的大量的低溫余熱，可以用于吸收式除濕裝置系統，由其充分利用，替代空調制冷中的除濕作用，從而提高熱能利用率。

3 內燃機分布式冷熱電聯供技術應用的未來展望

隨著我國經濟的快速發展，人們對用電的需求量越來越大，雖然我國的電力在改革開放后也得到長足發展，但電力的增長并未能夠滿足人們的用電需求，電網的供電長期緊張，尤其在夏季，一些地區用電尤其緊張，如珠江三角地區、華北地區等，而電網為能夠緩解用電緊張狀態，采取限電的措施，但該方法并不能從根本上解決問題。而分布式能源系統的諸多優勢引起人們的關注，并得到推廣和應用。

目前，一些經濟較發達的地區開始應用分布式冷熱電聯供技術，主要包括北京、上海、廣東等地，經過多年的發展，我國已建設超過40多座的分布式冷熱電聯功能系統，其主要以天然氣為主[6]。在珠江三角洲、長江三角洲等地區，其電力主要采用自備發電機組，各方面的技術相對落后，且能源利用率低，如果采用內燃機分布式冷熱電聯供系統，能夠極大提高能源利用率，從而提高經濟效益。

在未來發展中，隨著經濟的發展以及人們對用電、制冷、供暖等方面的需求越來越大，巨大的市場將為內燃機分布式冷熱電聯供系統的普及和應用提供極為有利的條件，為其發展提供廣闊的前景。

4 結 語

在日常生活中，人們的各項活動均離不開能源。然而能源在有限的，同時我國的能源結構不合理，以煤炭為主，而使用煤炭將會排放大量的二氧化碳，不利于環境保護，同時能夠釋放各種有毒物質，給環境造成污染，因此，在能源的利用過程中，不僅要提高能源利用率，將能源利用最大化，還要減少利用能源時對環境的污染。

內燃機分布式冷熱電聯供技術作為一種能夠提高能源利用率、減少污染的技術，雖然在我國的研究時日尚短，在應用方面還處于起始階段，但隨著社會經濟的發展，在未來將會有廣闊的發展前景。

參考文獻：

[1] 鄔可文.分布式能源（冷熱電聯供CCHP）技術介紹與研究[J].城市住宅，

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[2] 孫李，喻志強.冷熱電聯供燃氣內燃機分布式能源系統設計初探[J].低 溫與超導，2016，44（4）：67-71，78.

[3] 史梓男，金強，李敬如.分布式冷熱電聯供項目國民經濟評價[J].中國電 業（技術版），2014（7）：5-8.

[4] 張圣陶，閻維平，王江江，等.燃氣內燃機冷熱電聯供系統節能經濟性分 析[J].電力科學與工程，2014，30（9）：1-6.

[5] 陳云，湯放奇，劉陽升，等.分布式冷熱電多聯供系統的經濟運行[J].電力 科學與技術學報，2013，28（1）：56-62.

[6] 金紅光，隋軍，徐聰，等.多能源互補的分布式冷熱電聯產系統理論與方 法研究[J].中國電機工程學報，2016，36（12）：3150-3161.