天然氣熱電聯供高效余熱回收系統實驗研究

王 華， 閻維平， 孟 巖， 趙子東， 王志峰， 宿新天

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.保定市金能換熱設備有限公司，河北 保定 071000)

天然氣熱電聯供高效余熱回收系統實驗研究

王 華1， 閻維平1， 孟 巖1， 趙子東1， 王志峰1， 宿新天2

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.保定市金能換熱設備有限公司，河北 保定 071000)

為了提高熱電聯供系統余熱利用率，為大型工程提供可靠技術基礎，針對目前熱電聯供技術研究多于理論分析而少有應用實踐研究的現狀，搭建一個高效余熱回收的天然氣內燃機的熱電聯供系統實驗平臺。測試實驗系統的熱力學參數，分析實驗系統缸套水余熱回收性能、煙氣余熱回收性能與能效分析，并與常規熱電聯供系統進行比較。結果表明：新型熱電聯供系統充分回收系統余熱，提高系統的綜合利用率和相對節能率;實現了能量梯級利用，有很大的節能潛力。

余熱回收； 熱電聯供； 實驗； 節能

0 引言

熱電聯供能源系統實現了能量的綜合梯級利用以及面向用戶需求就地生產，降低遠距離輸送損耗和提高能源利用率，減少污染物排放，打破傳統單一供電、供熱或供冷的方式，提高能源系統經濟性。熱電聯供系統具有小型化、削峰填谷、緩和電力緊張、能源安全、輸送距離近、能量損失小、節能環保、負荷變化靈活對效率影響小等顯著優點[1-4]，具有廣闊市場應用前景和推廣價值。燃氣內燃機或微型燃氣輪機為主要動力裝置，其中內燃發電機組因技術成熟、價格低廉和發電效率高等優點而被廣泛應用于聯供系統[5-6]。

天然氣是高品質清潔燃料，燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣，水蒸氣的汽化潛熱占天然氣低熱值的比例達到10%～11%，當煙氣中水蒸氣冷凝到30～40 ℃時才取得較好的熱回收效果，但是在我國的集中供熱領域，熱網回水溫度一般在50 ℃以上，天然氣熱電聯供系統采用氣-水換熱器回收煙氣中的熱量，排煙溫度一般在80 ℃以上，達不到充分回收煙氣冷凝熱的目的，因此水蒸氣的汽化潛熱的有效利用對節能和提高經濟性都有重要意義[7-9]。

內燃機缸套冷卻水出口溫度一般低于100 ℃，這部分能量品位低，但數量較大，占輸入天然氣低熱值的30%～40%；缸套水換熱器很難對缸套水低品位余熱進行高效利用，甚至棄用這部分熱量，從而未最大程度彰顯熱電聯供系統的節能性[10-11]。

可采用煙氣-水換熱器和暖風器組合的方式充分回收煙氣冷凝熱，高溫煙氣段的顯熱利用煙氣-水換熱器回收，中低溫煙氣段的潛熱和顯熱利用暖風器回收；采用煙氣-水換熱器、內燃機缸套、熱用戶的水循環供熱技術，利用低品質缸套水余熱。從而實現了水循環供熱和熱風供熱，這種新型的能源系統稱為高效余熱回收的天然氣內燃機熱電聯供系統(簡稱高效的熱電聯供系統)。新型系統增設一個暖風器的同時減少一個缸套水換熱器，不會增加系統初投資，提高了系統的能源利用率。

本文搭建20 kW高效熱回收的天然氣內燃機熱電聯供系統試驗平臺，對缸套水低品質余熱利用性能、煙氣余熱回收性能分析，并與常規熱電聯供系統進行對比分析。系統運行安全、可靠運行，提高了能源利用率。20 kW熱電聯供系統供熱面積可達到817 m2，該實驗結果可以直接推廣到示范工程應用。

1 高效熱電聯供系統

圖1給出典型常規熱電聯供系統的流程圖[12-17]。常規熱電聯供系統煙氣余熱利用主要依靠在內燃機排煙系統中安裝的煙氣-水換熱器，通過水的導熱介質吸熱以提供采暖供熱熱水，換熱后的煙氣溫度在80 ℃左右；缸套水余熱利用一般采用缸套水換熱器，通過水的導熱介質吸熱以提供生活熱水或供熱熱水等用途。

高效的熱電聯供系統的原理如圖2所示，基于常規熱電聯供系統，本文提出的高效熱電聯供系統。試驗系統由天然氣內燃機組、煙氣-水換熱器、暖風器、并網系統和熱用戶組成，其中采用空器冷卻器作為模擬熱用戶，圍繞正壓運行，利用煙囪自吸力排煙，可不采用引風機，節約廠內用電。實驗過程采用液態天然氣(LNG)，其熱值為3.3×104kJ/Nm3。

圖1 常規熱電聯供系統流程圖

圖2 高效熱電聯供系統流程圖

天然氣在天然氣內燃機中燃燒，產生的機械能推動發電機做功進行發電；內燃機產生的煙氣經排煙管道輸送到煙氣-水換熱器，加熱用戶供暖回水，加熱后經循環水管道進入發動機缸套，與缸套水混合換熱，發動機缸套冷卻水出水對用戶進行供熱，形成用戶得到熱量的水循環熱源。

煙氣在煙氣-水換熱器中熱交換后再經煙氣管道輸送到暖風器中與空氣進行熱交換，經排煙管道通過煙囪排向大氣，冷空氣經風機進入暖風器中加熱，加熱后的熱空氣直接通入到用戶，形成用戶得到熱量的熱風熱源。

該系統為了深度回收煙氣余熱，在煙氣-水換熱器后加設暖風器，暖風器采用煙氣加熱空氣的方式回收了煙氣的汽化潛熱，降低了排煙溫度，同時收集了煙氣中部分水分；為了最大限度地增加低品質缸套冷卻水余熱的利用，取消了缸套水換熱器，將內燃機缸套、煙氣-水換熱器、用戶組成一個水循環利用系統，循環水與缸套冷卻水混合傳熱。

實現了對天然氣內燃機組余熱的充分回收，充分體現能源的梯級利用，大大提高天然氣能源的利用率，提高聯供系統的能源綜合利用效率。

天然內燃機組為源端設備，熱電聯供系統的主要設備，其他設備本文不做介紹。天然氣內燃機組為康明斯HQC20GF型號機組，該機組為自然吸氣式4缸4沖程，其中額定工況性能參數：轉速 1 500 r/min，排煙溫度550 ℃，電力輸出20 kW等。

2 高效熱電聯供系統的性能

2.1 熱力性能計算

2.1.1 系統輸入熱量

天然氣輸入總熱量Qin[18]：

Qin=f·Hu

(1)

式中：f為內燃機天然耗氣流量，Nm3/h；Hu為天然氣低位發熱量，kJ/Nm3，本實驗所用天然氣低溫發熱量為3.3×104kJ/Nm3。

2.1.2 煙氣余熱利用

煙氣余熱回收熱量Qy為[19]：

Qy=Gy·(Ii-Io)+Qq

(2)

加熱熱水的有效吸收熱量為：

Qw1=Gw·Cpw·(tw1o-tw1i)

(3)

加熱空氣的有效吸收熱量為：

Qk=Gk·(Iko-Iki)

(4)

式中：Gy，Gk為排煙流量和空氣流量，Nm3/h；Gw為水流量，kg/h；Ii，Io為煙氣進出口焓，kJ/m3；Iko，Iki為空氣加熱器空氣進出口焓，kJ/m3；Qq為煙氣潛熱，kJ；Cpw為水的定壓比熱值，J/(k·℃)。

2.1.3 缸套水熱利用

缸套水利用熱量Qw[20]：

Qw=Gw·Cpw·(two-twi)·ηh

(5)

式中：Gw為水流量，kg/h；Cpw為水的定壓比熱，J/(k·℃)；twi，two分別為缸套水進出口溫度，℃；ηh為缸套水換熱器效率，%，本文ηh取80%。

2.2 一次能源利用率

煙氣余熱回收利用率ηy為：

ηy=(Qw1+QK)/Qin

(6)

缸套水余熱回收利用率ηw為：

ηw=Qw/Qin

(7)

本熱電聯供系統一次能源利用率計算式為[21]：

(8)

式中：Pe為聯供系統發電量，kW；ηy為煙氣余熱利用率，%；ηw為缸套水熱利用率，%；PER為一次能源利用率，%。

2.3 相對節能率

熱電聯供系統相對節能率[22]計算式：

(9)

式中：fre為分產系統的總燃料量，Nm3；f為聯供系統輸入的一次燃料總量，Nm3；Hu為燃料低位發熱值，kJ/Nm3；ηeg為電網的平均效率，%；ηb為鍋爐的效率，%。本文分產系統采用火電廠為電力輸出，ηeg為33.3%鍋爐和城市熱網為供熱輸出，ηb為90%。

3 實驗結果及分析

某典型時段，高效熱電聯供系統試驗中測得煙氣參數及熱電聯供系統水、空氣溫度如表1、圖3所示，此時內燃機發電功率20kW，煙氣-水換熱器進出口溫度為50.5 ℃/67 ℃，缸套水進出口溫度為67 ℃/84 ℃。暖風器煙氣進口即煙氣-水換熱器排除的煙氣溫度為52.2 ℃，暖風器排出溫度約為38 ℃。

圖3 熱電聯供系統水、空氣溫度

項目單位結果煙氣-水換熱器進出口溫度℃5789/522暖風器進出口溫度℃522/38煙氣流量Nm3/h1015

根據表1、圖3所示實驗測試數據及式(1)，計算出內燃機發電功率20 kW時熱力學參數,如表2所示熱電聯供系統基本熱力參數。

由式(2)～(5)可得出熱電聯供系統余熱回收情況如表3所示，熱電聯供系統缸套水熱有效利用熱為23.14 kW，煙氣余熱回收熱量為26.45 kW，其中，煙氣-水換熱器回收煙氣余熱23.18 kW、煙氣余熱有效利用熱22.46 kW，暖風器回收煙氣余熱量為4.54 kW、煙氣余熱有效利用熱為3.99 kW。

表2 熱電聯供系統基本熱力參數

表3 余熱能量利用計算結果

常規熱電聯供系統中，通常依靠內燃機排煙系統中安裝的煙氣-水換熱器回收煙氣余熱用于供熱，排煙溫度高于煙氣露點溫度，為100 ℃左右；缸套水余熱利用一般采用缸套水換熱器，通過水的導熱介質吸熱以提供生活熱水或供熱熱水等用途。

根據以上情況，高效熱電聯供系統與常規熱電聯供系統進行對比，常規熱電聯供系統的參數與高效熱電聯供系統相同，內燃機發電功率為 20 kW，煙氣入口溫度為578.9 ℃，缸套水進出口溫度為67 ℃/84 ℃。

常規熱電聯供系統缸套水熱有效利用熱為18.512 kW，相對于高效熱電聯供系統降低4.628 kW；常規系統煙氣余熱回收熱量19.9 kW，相對于高效熱電聯供系統余熱利用量降低6.55 kW。

由式(6)～(9)可得一次能源利用率和相對節能率，如圖4、圖5所示。高效熱電聯供一次能源利用率85.3%，相對于常規系統增加13.7%，其中缸套水、煙氣余熱利用率分別增加5.66%和8.04%；高效熱電聯供相對燃料量為12.08 Nm3，相對于常規系統增加1.36 Nm3；新型熱電聯供相對節能率為26.3%，相對于常規系統增加9.3%。

圖4 余熱回收利用率和一次能源利用率

圖5 相對燃料量與節能率對比圖

4 結論

本文設計了一種新型的熱電聯供系統，即高效熱電聯供系統，搭建20 kW高效熱電聯供系統試驗平臺，進行實驗研究。實驗結果表明，在本文的試驗工況下:

(1)高效熱電聯供系統缸套水余熱回收為23.14 kW，煙氣余熱回收熱量為26.45 kW，與常規系統相比，缸套水余熱回收增加4.628 kW，煙氣余熱回收量增加6.55 kW。

(2)高效熱電聯供一次能源利用率85.3%，相對于常規系統增加13.7%，其中缸套水、煙氣余熱利用率分別增加5.66%和8.04%；高效熱電聯供相對節能率為26.3%，相對于常規系統增加9.3%

該系統實驗研究表明，充分回收系統余熱，提高了系統的綜合利用率，20 kW熱電聯供系統供熱面積可達到817 m2，該實驗結果可以直接推廣到示范工程應用。

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Experimental Study on Natural Gas Internal Combustion Engine

WANG Hua1， YAN Weiping1， MENG Yan1， ZHAO Zidong1， WANG Zhifeng1， SU Xintian2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003,China;2. Baoding Jinneng Heat Transfer Equipment Company, Baoding 071000, China)

In order to improve the waste heat utilization ratio of the cogeneration system and provide a reliable technical basis for large-scale projects as well, aiming at the situation of fewer researches on practical application of the cogeneration technology,an experimental platform of natural gas engine cogeneration system with high efficiency waste heat recovery is set up. The thermodynamic parameters were measured, and the cylinder water waste heat utilization heat performance and exhaust gas utilization performance of the experimental system are analyzed, and are then compared with those of the conventional cogeneration system. The results show that the new cogeneration system can fully make use of the waste heat of the recovery system, what’s more, it can improve the comprehensive utilization of the system and the relative energy saving rate. The realization of energy cascade utilization shows great potential for energy conservation.

waste heat recovery; cogeneration system; experimental study; energy conservation

2017-06-29。

保定市科技創新項目(15G07)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.009

TK01

A

1672-0792(2017)11-0049-05

王華(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為天然氣熱電聯供。