小功率沼氣內(nèi)燃機(jī)與有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能研究

王春龍， 周正清， 李金平， 汪秋剛

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050)

小功率沼氣內(nèi)燃機(jī)與有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能研究

王春龍1, 2, 3， 周正清1, 2, 3， 李金平1, 2, 3， 汪秋剛1, 2, 3

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050； 3. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050)

為了有效利用小功率沼氣內(nèi)燃機(jī)的排氣余熱，筆者設(shè)計(jì)了一套回收煙氣余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)，采用純工質(zhì)R245fa作為工作介質(zhì)。試驗(yàn)通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)內(nèi)燃機(jī)排氣進(jìn)行余熱回收，在不同軟件環(huán)境下建立內(nèi)燃機(jī)子模型和有機(jī)朗肯循環(huán)子模型。結(jié)果表明，數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值能較好吻合，驗(yàn)證了模型的正確性； 同時(shí)在不同甲烷體積分?jǐn)?shù)情況下，觀察了有機(jī)工質(zhì)流量對(duì)ORC凈功率的影響，并且隨著燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的增大，ORC子系統(tǒng)輸出功率也相應(yīng)增大，最高達(dá)到3.4 kW，煙氣余熱利用率為64.8%，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的熱效率達(dá)到36.7%，較原有的內(nèi)燃機(jī)熱效率提高了7.6%。

沼氣內(nèi)燃機(jī)； 余熱回收； 有機(jī)朗肯循環(huán)； 數(shù)值模擬

沼氣發(fā)電技術(shù)將有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽档土宋廴疚锏奶幚沓杀荆a(chǎn)生了高效的清潔能源，得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視和積極推廣。在沼氣發(fā)電過(guò)程中，30%～40%的沼氣能量轉(zhuǎn)化為了電能，其余能量通過(guò)冷卻系統(tǒng)以及排氣散失到環(huán)境中[1]，通常約有30%的能量隨煙氣排出，25%被發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水帶走，通過(guò)機(jī)身散發(fā)等其他損失約占10%左右[2]。煙氣熱量不僅所占比例高，而且溫度高，可以高達(dá)500℃[3]。因此，煙氣余熱回收利用對(duì)沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率的提高有重要意義。

作為低品位能量回收的有效途徑，有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)的余熱回收領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用[4-5]。很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與ORC聯(lián)合循環(huán)的系統(tǒng)做了許多試驗(yàn)、模擬研究。Vaja[6]等針對(duì)一臺(tái)固定式柴油機(jī)，設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，分析結(jié)果表明有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)可使內(nèi)燃機(jī)的總效率提高12%。Gao[7]等針對(duì)一臺(tái)渦輪增壓柴油機(jī)，設(shè)計(jì)了一套ORC余熱回收系統(tǒng)，用于回收柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的尾氣余熱能，研究結(jié)果表明：加裝余熱回收系統(tǒng)后可使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率提高12%。天津大學(xué)的學(xué)者針對(duì)一臺(tái)柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一套有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的仿真模型，研究表明：大概 75%的排氣余熱和 9.5%的冷卻液余熱能被回收利用[8]。但以沼氣為燃料輸入的小型發(fā)動(dòng)機(jī)與ORC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的研究還是一片空白。

1 系統(tǒng)模型的建立

系統(tǒng)模型包括內(nèi)燃機(jī)子系統(tǒng)模型和ORC子系統(tǒng)模型，整體模型構(gòu)架如圖1所示。聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵組成。有機(jī)工質(zhì)通過(guò)工質(zhì)泵加壓后送入進(jìn)入蒸發(fā)器，內(nèi)燃機(jī)排氣在蒸發(fā)器中與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱，吸熱后的有機(jī)工質(zhì)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w后推動(dòng)膨脹機(jī)做功，膨脹放熱后的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器被冷卻為液態(tài)有機(jī)工質(zhì)。其中內(nèi)燃機(jī)模型以濰柴的30 kW沼氣發(fā)電機(jī)組為仿真對(duì)象，利用仿真模擬軟件GT-power建立該發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真計(jì)算模型； ORC模型在Aspen Plus軟件環(huán)境下搭建，將GT-power模型中模擬所得的排氣信息，包括組分、流量和溫度輸入到ORC模型中去，然后對(duì)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

圖1 內(nèi)燃機(jī)余熱回收系統(tǒng)示意圖

1.1 內(nèi)燃機(jī)模型

目前國(guó)內(nèi)沼氣內(nèi)燃機(jī)多數(shù)都是由柴油機(jī)改造而來(lái)，由原來(lái)的壓燃式內(nèi)燃機(jī)改成了點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)。點(diǎn)燃式壓縮的是混合燃?xì)猓瑝嚎s終了時(shí)，活塞處于上止點(diǎn)，電火花引燃混合燃?xì)?，此時(shí)由于燃燒速度很快，活塞位移極小，幾乎在定容下燃燒，因此在理論分析時(shí)可以把燃燒沼氣的熱力循環(huán)按定容加熱(Otto)循環(huán)來(lái)分析處理。而在內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的模擬計(jì)算中，隨著內(nèi)燃機(jī)商業(yè)化軟件發(fā)展，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的模擬已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化程度，GT-Power便能很好的實(shí)現(xiàn)此功能。

表1 內(nèi)燃機(jī)基本參數(shù)

圖2為GT-power軟件中建立的直列四沖程沼氣內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程仿真模型，首先建立發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)，然后通過(guò)管道模擬來(lái)連接各個(gè)子系統(tǒng)，組成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬系統(tǒng)，完成數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)化； 其次對(duì)在軟件中所建立的物理模型，利用傳熱學(xué)等熱力學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述； 最后完成整機(jī)模型的建立，并通過(guò)運(yùn)行所建模型，結(jié)合試驗(yàn)和廠家所給數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行進(jìn)一步修改和校驗(yàn)。本模型中氣缸模塊是整個(gè)模擬的核心部分，其幾何模型可以根據(jù)廠家所提供的參數(shù)來(lái)確定。傳熱模型通常選擇Woschni傳熱模型。對(duì)于外部混合的發(fā)動(dòng)機(jī)，一般選擇韋伯燃燒模型，韋伯燃燒模型把燃燒分為預(yù)燃、主燃、末燃3個(gè)階段，每個(gè)階段用所占整個(gè)燃燒的比例、形狀參數(shù)、燃燒持續(xù)期3個(gè)參數(shù)來(lái)定義，通過(guò)韋伯燃燒模型算法，根據(jù)輸入的參數(shù)確定燃燒過(guò)程的放熱方式。

采用純工質(zhì)R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)。表2給出了純工質(zhì)R245fa的基本物性，該工質(zhì)被眾多學(xué)者認(rèn)為是較為理想的有機(jī)工質(zhì)。

表2 R245fa基本物性參數(shù)

圖2 直列四沖程沼氣內(nèi)燃機(jī)模型

ORC子系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣余熱回收動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵。循環(huán)過(guò)程的計(jì)算公式如下。

膨脹機(jī)對(duì)外做工過(guò)程：

Wexp=m(h1-h2)

(1)

冷凝器的冷凝過(guò)程：

Qc=m(h3-h2)

(2)

工質(zhì)泵的加壓過(guò)程：

Wp=m(h4-h3)

(3)

蒸發(fā)器吸熱過(guò)程：

100例慢性前列腺炎患者中,進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)分離出細(xì)菌60例,陽(yáng)性率為60.00%,其中包括革蘭陽(yáng)性菌48例(78.33%),包括葡萄球菌25例(52.08%)凝固酶陰性葡萄球菌(溶血葡萄球菌、浮生葡萄球菌、表皮葡萄球菌、其他凝固酶陰性葡萄球菌)15例(31.25%),大腸桿菌3例(6.25%)以及革蘭陰性菌5例(10.42%)。

Qeva=m(h2-h4)

(4)

以上各式中：m為有機(jī)工質(zhì)流量；h為各狀態(tài)點(diǎn)焓值；Qeva為蒸發(fā)器吸收的熱量；Wexp為膨脹機(jī)輸出功率;Wp為工質(zhì)泵消耗的功率。

則ORC凈功率為：

Wnet=Wexp-Wp

(5)

ORC熱效率為：

η=Wnet/Qeve

(6)

整個(gè)系統(tǒng)的效率為：

ηsys=(Weng+Wnet)/mfuelHv

(7)

為了更加清楚的描述ORC子系統(tǒng)回收熱量的能力，提出了煙氣余熱利用率：

ηur=Qeva/cpm(Tmax-Tmin)

(8)

式中：Weng為內(nèi)燃機(jī)輸出功率；mfuel為沼氣流量；Hv為沼氣熱值；cp為煙氣比熱容，Tmax和Tmin為煙氣最高和最低溫度。

2 模型驗(yàn)證

對(duì)于該30 kW沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算，因?yàn)榇蟛糠终託獍l(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料都是經(jīng)過(guò)凈化提純的沼氣，所以使用甲烷體積分?jǐn)?shù)為100%的沼氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載為100%,75%,50%的情況下，根據(jù)廠家所提供的耗氣量與模擬輸出的有效功率進(jìn)行對(duì)比，由此來(lái)驗(yàn)證模型的正確性。將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。從對(duì)比結(jié)果看，當(dāng)負(fù)載為100%，耗氣量為13.5 m3·h-1時(shí)，輸出功率試驗(yàn)值為40 kW，模擬值為41.3 kW，相對(duì)誤差3.1%； 當(dāng)負(fù)載為75%，耗氣量為10.4 m3·h-1時(shí)，輸出功率試驗(yàn)值為30 kW，模擬值為29.5 kW，相對(duì)誤差1.7%； 當(dāng)負(fù)載為50%，耗氣量為8 m3·h-1時(shí)，輸出功率試驗(yàn)值為20 kW，模擬值為20.2 kW，相對(duì)誤差1%。誤差均在合理范圍內(nèi)，因此，該計(jì)算模型是正確的，模擬值和試驗(yàn)值比較吻合，且機(jī)組的排氣溫度和排氣背壓也均在試驗(yàn)值范圍內(nèi)。

3 結(jié)果分析及討論

在沼氣內(nèi)燃機(jī)中要求沼氣燃料中甲烷體積分?jǐn)?shù)超過(guò)50%，內(nèi)燃機(jī)就可以正常工作，對(duì)于不同甲烷體積分?jǐn)?shù)的沼氣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析及討論。模擬部分初始條件如下：環(huán)境溫度298 K，大氣壓力1 bar，發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)載運(yùn)行，甲烷體積分?jǐn)?shù)在50%～100%時(shí)沼氣燃料驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況作了分析研究。

圖4 沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線

圖5和圖6示出發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率、扭矩、排氣溫度和流量隨混合燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的變化情況。從圖中可以看出，隨著燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率、扭矩、排氣溫度和流量均不斷提高，有效輸出功率由甲烷體積分?jǐn)?shù)在50%時(shí)的15.5 kW上升到純甲烷燃燒時(shí)的41.3 kW，有效輸出扭矩提高了約3倍； 甲烷體積分?jǐn)?shù)每升高10%，輸出有效功率提高約5 kW，煙氣溫度提高約15℃，排氣流量提高約4 g·s-1。

圖5 甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)輸出功率和扭矩的影響

將上述計(jì)算所得到的排煙溫度和流量分別帶入ORC計(jì)算模型中去，設(shè)定有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)壓力為2.5 MPa； 膨脹機(jī)的等熵效率為0.85，機(jī)械效率為0.98； 冷凝器的有機(jī)工質(zhì)壓力為0.2 MPa； 循環(huán)泵的等熵效率為0.9。首先對(duì)不同甲烷體積分?jǐn)?shù)的情況下有機(jī)工質(zhì)流量與ORC凈功率的關(guān)系作了一個(gè)敏感性分析。從圖7可以看出在ORC凈功率隨著工質(zhì)流量的增加而增加，而后在工質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后降低，這是由于飽和狀態(tài)時(shí)焓值不變而在泵壓縮過(guò)程所需功率增加導(dǎo)致整個(gè)ORC凈功率降低。以90%甲烷體積分?jǐn)?shù)為例，工質(zhì)流量在達(dá)到65 g·s-1時(shí)，凈功率達(dá)到最大的2.95 kW，此特性表明在ORC實(shí)際運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，工質(zhì)流量無(wú)需限制于某一數(shù)值，而是根據(jù)不同工況選擇最佳數(shù)值。

圖6 甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)排煙溫度和流量的影響

圖7 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)工質(zhì)流量與ORC凈功率關(guān)系

因此，通過(guò)模擬分析可得出在不同甲烷體積分?jǐn)?shù)情況下的最佳有機(jī)工質(zhì)流量，如表3所示。圖8表示在最佳有機(jī)工質(zhì)流量的情況下ORC輸出功率和效率隨燃?xì)饧淄轶w積分?jǐn)?shù)的變化情況，可見，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的不斷升高，ORC輸出的功率也在不斷增大，在純甲烷的時(shí)候可達(dá)到最大的3.4 kW，其效率也基本穩(wěn)定在17.1%左右。因此，應(yīng)根據(jù)工質(zhì)的特性，盡可能地充分利用煙氣的余熱，以提高系統(tǒng)的輸出功率。

表3 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下最佳有機(jī)工質(zhì)流量

圖8 烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)ORC輸出功率和效率的影響

表4顯示了燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率和系統(tǒng)總發(fā)電效率的影響。從表中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在增加了ORC余熱利用系統(tǒng)以后，總發(fā)電效率得到了顯著提高。因此，充分利用煙氣的余熱，有利于系統(tǒng)性能的提高。

表4 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)總熱效率 (%)

4 結(jié)論

(1)使用GT-power軟件建立了小功率沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，通過(guò)對(duì)比模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該模型的正確性； 并且在此基礎(chǔ)上，建立煙氣余熱回收系統(tǒng)。

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)載的工況條件下，隨著沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率、熱效率以及排煙溫度和流量都明顯增大，因此，應(yīng)盡量采用提純后或甲烷體積分?jǐn)?shù)較高的沼氣作為燃料； 在不同甲烷體積分?jǐn)?shù)的工況下，ORC凈功率隨著有機(jī)工質(zhì)流量的增加而增加，之后隨著流量的增加而下降，存在一個(gè)最佳值，這為實(shí)際應(yīng)用中不同工況下工質(zhì)流量的選取提供了重要參考； 且隨著燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)的增大，ORC子系統(tǒng)的輸出功率也相應(yīng)增大，最高達(dá)到3.4 kW，煙氣余熱利用率為64.8%，聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的效率較現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)效率提高了約7.6%。

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Performance of Small Power Biogas Internal Combustion Engine Combined with Organic Rankine Cycle System /

WANG Chun-long1, 2, 3, ZHOU Zheng-qing1, 2, 3, LI Jin-ping1, 2, 3, WANG Qiu-gang1, 2, 3/

(1.Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2.Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China; 3.Collaborative Innovation Center of Key Technology for Northwest Low-carbon Urbanization, Lanzhou 730050，China)

In order to effectively utilize exhaust heat of the small power biogas internal combustion engine (ICE), an Organic Rankine Cycle system (ORC) has been built to recover exhaust heat using R245fa as working fluid. The ORC based ICE exhaust heat recovery model was developed by two independent sub-models including ICE model and ORC model, which were established in different software environments, The results showed that the numerical simulation values were preferably tallied with the experimental data, which verified the correctness of the model. Meanwhile this paper analyzed effects of R245fa mass flow rate on ORC net power at different CH4content, and with the volume fraction of methane gas increasing, the net power output of ORC system could reach up to 3.4kW and waste heat utilization rate was up to 64.8%. The thermal efficiency of the combined system was 36.7%, which increased by 7.6% comparing with the original engine.

biogas internal combustion engine; waste heat recovery; ORC system; numerical simulation

2015-12-03

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家“863”計(jì)劃課題(2014AA052801)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2010-29)

王春龍(1967-)，男，山東青島人，研究員，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)等方面的研究工作，E-mail:835661532@qq.com

周正清， E-mail：alericjoe@163.com

S216.4; TK11

B

1000-1166(2016)06-0072-05