燃氣內燃機排氣流量和排氣能量估算方法

童航，李國敏，王寶玉，阮慧鋒，孫亮

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

天然氣分布式能源具有綜合能效高、清潔環保、就近供應等優點，近年來，隨著人們節能環保意識的不斷增強，以燃氣內燃機為原動機的分布式能源得到越來越多的應用。燃氣內燃機排氣流量和排氣能量是污染物排放總量統計和余熱利用設備(溴化鋰吸收式制冷機、余熱鍋爐等)能效測試過程中的關鍵參數。

ASME PTC4.4—2008 和 ASME PTC22—2005標準介紹了燃氣輪機熱平衡和余熱鍋爐熱平衡兩種估算燃氣輪機排氣流量的方法，通過聯立燃氣輪機或余熱鍋爐物質守恒和能量守恒方程，解出過量空氣系數，進而求出排氣流量和排氣成分。但該方法計算過程復雜，計算結果的準確度受余熱鍋爐散熱損失和燃氣輪機各項損失(發電機損失、傳動裝置損失、固定損失等)的預估精度影響較大[1-5]。

本文根據元素守恒原理，對天然氣在內燃機中的燃燒過程進行簡化，提出了碳平衡法和氧平衡法兩種燃氣內燃機排氣流量和排氣能量估算方法。

1 理想燃燒過程

天然氣是一種多組分混合氣體，主要成分為烷烴，其中甲烷占絕大多數，此外還含有H2S，CO2，N2，H2O(氣態)以及Ar等惰性氣體。假設天然氣(Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6)和標準干空氣Airdry(各組分摩爾分數為：x(N2)=78.084 0%，x(O2)=20.947 6%，x(Ar)=0.936 5%，x(CO2)=0.031 9%)在內燃機內完全燃燒，過量空氣系數為1，空氣和燃料中的N2，H2O(氣態)以及Ar等惰性氣體不發生化學反應，燃燒產物只有H2O(氣態)和CO2，燃燒化學反應方程式可簡化為

(1)

n1=x(CH4)+2x(C2H6)+3x(C3H8)+

4x(C4H10)+5x(C5H12)+6x(C6H14)+

x(CO2) ，

(2)

n2=4x(CH4)+6x(C2H6)+8x(C3H8)+

10x(C4H10)+12x(C5H12)+

14x(C6H14)+2x(H2O) ，

(3)

n3=2x(CO2)+x(H2O)+2x(O2) ，

(4)

n4=x(H2S) ，

(5)

n5=2x(N2) ，

(6)

n6=x(Ar) ，

(7)

式中：x(i)為天然氣中組分i的摩爾分數。

2 實際燃燒過程

天然氣在內燃機中的燃燒過程較為復雜，燃燒產物除了H2O(氣態)和CO2之外，還有少量NO，NO2，SO2，SO3以及CO。實際燃燒過程中，天然氣燃燒所需空氣含有一定水分，并且過量空氣系數一般在2左右。

由濕空氣帶入的水蒸氣質量mH2O,in表示為

mH2O,in=mair,dry×d，

(8)

式中：mair,dry為干空氣質量；d為空氣含濕量，g/kg。

則濕空氣質量mair,wet表示為

(9)

因此，當過量空氣系數為α時，考慮入口空氣中含濕量，則式(1)轉化為

Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6+(α×nair)Airwet=c1H2O+

c2CO2+c3N2+c4SO2+c5Ar+c6O2

(10)

其中

(11)

(12)

(13)

c4=n4，

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：nair為完全燃燒1摩爾天然氣所需空氣的摩爾數，可通過化驗天然氣成分并利用式(2)—(7)計算得出；Airwet為標準濕空氣。

3 排氣流量和排氣能量計算

根據式(10)可以得出1摩爾天然氣燃燒后煙氣各成分干、濕基狀態的摩爾分數，見表1。

表1 干、濕基狀態下煙氣各成分摩爾分數Tab.1 Molar ration of exhaust gas components in dry and wet base

煙氣成分測量時，一般CO2采用紅外法測量，O2采用順磁法測量。煙氣中水蒸氣會吸收一部分紅外輻射，對CO2測量結果產生正干擾，同時水蒸氣作為逆磁性氣體也會對O2測量產生負干擾。因此，煙氣必須經冷凝干燥后才能進入煙氣分析儀進行測量，得到的CO2和O2體積分數均為干基體積分數。

碳平衡法和氧平衡法是利用煙氣分析儀測得CO2或O2的干基體積分數，代入表2計算得到CO2或O2的濕基體積分數，再代入式(11)—(17)，求出過量空氣系數、排氣流量和排氣能量。

根據煙道的尺寸，按照GB 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》附錄B[6]介紹的網格法多次多點測量CO2或O2的體積分數(干基)，取算術平均值得到CO2或O2的干基體積分數，代入表1即可求出過量空氣系數α和干、濕基狀態下煙氣各成分的摩爾分數。

燃氣內燃機排氣濕基質量流量

qm，out=qm，air,in+qm，fuel

(18)

式中：qm，air,in為入口空氣質量流量；qm，fuel為天然氣質量流量。

內燃機排氣比焓等于其中各組分比焓的質量加

權平均，將某一組分的摩爾流量與對應組分的相對分子質量的乘積除以燃燒產物的總質量流量，即可求出燃燒產物各組分的質量分數。因此，內燃機排氣比焓可表示為

hout=∑w(i)hTi，

(19)

式中：w(i)為排氣中i組分的質量分數；hTi為排氣中i組分在溫度T下的比焓，可通過查表或Thermal-Build函數計算得出[7]。

內燃機排氣能量Pout可表示為

Pout=hout×qm,out。

(20)

4 算例分析

某天然氣分布式能源項目主機和余熱利用設備分別為內燃機和煙氣熱水型溴化鋰制冷機組，內燃機額定功率為3 300 kW。內燃機滿負荷時，經網格法多次測量取平均值，測得內燃機排氣中CO2體積分數為5.2%，O2體積分數為11.2%。天然氣平均分子式為C1.039 3H3.997 4O0.031 8N0.023 2，天然氣流量為830.69 m3/h(標態)，性能測試數據見表2，內燃機排氣成分和排氣比焓計算結果見表3。

表2 性能測試數據Tab.2 Performance test data

因此，采用氧平衡法計算得到內燃機排氣流量為5 637.10 g/s，排氣比焓為388.92 kJ/kg，排氣能量為 2 192.39 kW；采用碳平衡法計算得到的內燃機排氣流量為5 591.65 g/s，排氣比焓為388.92 kJ/kg，排氣能量為2 234.75 kW。

5 算例分析

5.1 大氣濕度對結果的影響

上文算例中過量空氣系數為2.185、含濕量為1.994 6 g/kg時，煙氣中H2O的質量分數為6.86%，空氣帶入的H2O的質量分數為1.36%，對出口煙氣而言，這部分H2O的質量分數僅為1.32%，占比相對較小，可以忽略，或使用設計值替代。

5.2 天然氣不完全燃燒對結果的影響

天然氣在燃燒過程中會有少量NOx(大部分為NO)和CO生成，內燃機排放的煙氣中NOx的摩爾分數約為0.025%，CO的體積分數約為0.03%，對排氣中O2和CO2的體積分數影響較小，可以忽略。

表3 碳平衡法和氧平衡法計算結果Tab.3 Results calculated by carbon balance method and oxygen balance method

5.3 CO2和O2測量精度對結果的影響

CO2和O2測量的精度直接決定排氣流量和排氣比焓的準確性，實際測量過程中內燃機負荷變化、煙氣混合不均勻均會造成CO2和O2實測結果存在偏差。GB/T 8190.2—2011中7.4.3要求氣體排放物體積分數測量的準確度為讀數值的±5%。假定CO2和O2測量誤差在讀數值±5%范圍內變化，采用碳平衡法和氧平衡法估算排氣流量和排氣能量的誤差如圖1、圖2所示。在CO2和O2相對測量誤差相同的情況下，采用碳平衡法估算的內燃機排氣流量和排氣能量比采用氧平衡法誤差較小。

圖1 CO2和O2測量相對誤差對排氣流量的影響

Fig.1 Influence on exhaust gas flow brought byrelative error of CO2and O2

5.4 天然氣流量測量偏差對結果的影響

天然氣流量測量偏差主要影響完全燃燒理論空氣量，各燃燒產物的質量分數不變，可近似認為煙氣比焓不變。因此，排氣總比焓偏差正比于天然氣流量測量偏差，且靈敏度系數為1。

圖2 CO2和O2測量相對誤差對排氣能量的影響

Fig.2 Influence on exhaust gas energy broughtby relative error of CO2and O2

5.5 CH4測量誤差對結果的影響

天然氣平均分子式Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6中n1，n2等系數由CH4等烷烴氣體的摩爾分數或體積分數確定。天然氣主要成分為CH4，CH4的測量誤差對平均分子式影響最大。假定CH4的測量誤差為1.0%，由圖3可知，排氣流量和排氣能量的測量誤差超過0.8%。

圖3 CH4測量相對誤差對排氣流量及排氣能量的影響

Fig.3 Influence of relative error of CH4onexhaust gas flow and energy

6 結論

(1)無論采用碳平衡法還是氧平衡法，均可較為準確地計算出內燃機排氣流量和排氣能量。

(2)排氣流量和排氣能量計算精度主要取決于煙氣成分、天然氣流量和CH4含量3個分量。

(3)在相同的煙氣成分測量誤差下，采用碳平衡法估算排氣流量和排氣能量的誤差較氧平衡法小。因此在測量過程中應嚴格按照網格法多點測量，并應盡可能保持內燃機負荷波動穩定，測量管路密封良好，以提高測量精度。