內燃機分布式能源站中煙氣余熱利用方案的研究

胡楊波

【摘 要】隨著社會的發展，我國的科學技術的發展也有了很大的提高。目前，用于分布式能源站的原動機主要有小型燃氣輪機、微型燃氣輪機、內燃機。基于燃氣內燃機分布式冷熱電多聯供系統通常配置于小型樓宇，與燃氣輪機為主的區域式分布式能源站相比，系統設備位于用戶附近，用戶的電力和冷、熱需求可以就近解決，減少了長距離輸送造成的成本增加和能源損耗。燃氣輪機冷、熱、電三聯供系統在中國的發展已經相對成熟，而基于內燃機分布式冷、熱、電多聯產系統的研究尚未成熟，還處于發展初期。因此，本文從內燃機分布式能源站余熱利用的角度，以瓦錫蘭的20V38SG內燃機及其系列內燃機為例，提出了燃氣內燃機的余熱利用方案，對內燃機余熱利用的各種技術方案進行對比分析，得到了工程設計中三種常用的煙氣余熱利用方案的設備配置原則。

【關鍵詞】內燃機分布式能源站；煙氣余熱利用方案；研究

引言

為了解決內燃機分布式能源站中煙氣余熱利用的問題，以瓦錫蘭20V38SG內燃機的分布式能源站為具體研究對象，采用定量的技術經濟分析的方法，分析了包括蒸汽余熱鍋爐+蒸汽型吸收式制冷機組、熱水余熱鍋爐+熱水型吸收式制冷機組、煙氣型吸收式制冷機組三種利用方案，得到了工程設計中三種常用的煙氣余熱利用方案的設備配置原則。研究結果表明，對于相同的熱源的熱水型制冷系統，當進口溫度為362℃煙氣時，采用煙氣型制冷系統的制冷量比熱水型、單效蒸汽型大，比雙效蒸汽型制冷量小。

1分布式能源站中內燃機的各類余熱型式

在燃氣內燃機運行時，天然氣進入內燃機混合器，與空氣混合，經過煙氣渦輪增壓器增壓、冷卻器冷卻后進入汽缸，通過火花塞高壓點火，燃燒膨脹，推動活塞做功，帶動曲軸轉動，由發電機輸出電能。燃氣內燃機運行時排出的熱量存在三種放熱物質：1）煙氣：燃氣內燃機的排氣溫度通常在400℃左右，需要考慮綜合煙氣回收方案的設備價格、燃料價格、熱價和電價，以及煙氣低溫腐蝕的影響，余熱利用后的煙氣溫度一般下降至150℃左右。煙氣可以通過加熱余熱鍋爐中的水成為蒸汽或熱水，用于吸收式制冷、采暖、供熱水；也可以直接進入吸收式制冷機提供冷水或熱水。此部分余熱大約占內燃機可利用余熱的50%～60%。2）高溫缸套水：燃氣內燃機的高溫缸套水溫度在80～120℃。高溫缸套水可用于吸收式制冷、采暖、供熱水。為保持內燃機汽缸有適當的溫度，高溫缸套水的熱量不能全部利用。3）低溫缸套水：燃氣內燃機的低溫缸套水溫度在40～70℃。低溫缸套水的水溫較低、熱量較少，可用于供熱水，可利用量有限。

2分布式能源站內燃機煙氣余熱利用方案

目前，大部分內燃機的排煙溫度為350～450℃。可考慮用于供熱、制冷或發電。目前，煙氣余熱的直接利用設備主要有余熱鍋爐、煙氣余熱發電裝置和煙氣型吸收式制冷機組。煙氣余熱利用的主要方案如下：1）余熱鍋爐生產蒸汽/熱水。適用于僅有蒸汽/熱水負荷需求、無冷負荷需求的場合。2）蒸汽余熱鍋爐+蒸汽型吸收式制冷機組。適用于有蒸汽負荷和冷負荷需求的場合，也適用于只有冷負荷需求的場合。3）熱水余熱鍋爐+熱水型吸收式制冷機組。適用于有熱水負荷和冷負荷需求的場合，也適用于只有冷負荷需求的場合。4）煙氣余熱發電裝置。適用于無蒸汽/熱水負荷、無冷負荷需求的場合。5）煙氣余熱發電裝置+電制冷。適用于無蒸汽/熱水負荷、有冷負荷需求的場合。6）煙氣型吸收式制冷機組。適用于無蒸汽/熱水負荷、有冷負荷需求的場合。根據以上的煙氣余熱利用方案及其適用場合可知，當有蒸汽/熱水負荷需求時，一般配置余熱鍋爐，若同時還有冷負荷，則配置相應的吸收式制冷機；當沒有蒸汽/熱水負荷、冷負荷需求時，可考慮配置余熱發電裝置；當沒有蒸汽/熱水負荷需求、只有制冷負荷需求時，可選擇第2）、3）、5）、6）種的煙氣余熱利用方案，下面針對這2）、3）、6）三種余熱利用方式進行分析比較。

2.1方案2）技術參數分析比較

下面以瓦錫蘭的20V38SG內燃機的煙氣余熱為例，制冷機按樣本參數選型，余熱鍋爐生產的蒸汽壓力、溫度和給水溫度（按冷凝水回水溫度）按制冷機的需求設置，其他的邊界條件（如內燃機排煙參數、制冷機冷卻水溫度、冷凍水溫度、余熱鍋爐節點溫差、窄點溫差和接近點溫差等）設置相同。在相同的煙氣參數輸入條件下，主蒸汽參數每上升約20℃，余熱鍋爐的排煙溫度升高約15℃。針對雙效型蒸汽制冷機組，在相同的煙氣參數輸入條件下，主蒸汽參數每上升約10℃，余熱鍋爐的排煙溫度升高約10℃。其原因是主蒸汽參數提高時，余熱鍋爐的蒸發量減少，給水量也減少，給水在余熱鍋爐省煤器內的吸熱量減少，故余熱鍋爐的排煙溫度越高。根據計算的制冷量可知，余熱鍋爐配置雙效型蒸汽制冷機的制冷量比配置單效型蒸汽制冷機的制冷量大很多；雙效型蒸汽制冷機采用的蒸汽壓力越低，制冷量越大；單效型蒸汽制冷機也一樣，采用的蒸汽壓力越低，制冷量越大。

2.2方案3）技術參數分析比較

內燃機煙氣余熱利用系統配置熱水余熱鍋爐，生產不同品質的熱水，可根據熱水品質配置相適用的雙效和單效的熱水型吸收式制冷機組。下面以瓦錫蘭的20V38SG內燃機的煙氣余熱為例，制冷機按樣本參數選型，熱水余熱鍋爐給水溫度（熱水回水溫度）和熱水供水溫度按制冷機的需求設置，其他的邊界條件（如內燃機的排煙參數、制冷機的冷卻水溫度、冷凍水溫度、余熱鍋爐的節點溫差等）設置相同，計算結果如表2所示。根據表2計算結果可知，雖然采用雙效熱水型制冷系統的余熱鍋爐排煙溫度較高，但其制冷系數COP比單效型大很多，采用雙效熱水型制冷系統制冷量要比單效型大，熱經濟性較好。由于余熱鍋爐生產雙效熱水型制冷的高溫熱水后，排煙溫度比較高，還能用于生產適用于單效熱水型制冷的低溫熱水，排煙溫度可降至與單效熱水型制冷相同的溫度。因此，對于相同的熱源的熱水型制冷系統，建議采用雙效熱水型制冷系統。

結語

通過分析比較內燃機煙氣余熱利用方案及其適用場合，得到如下結論：1）當有蒸汽/熱水負荷需求時，一般配置余熱鍋爐，若同時還有冷負荷，則配置相應的吸收式制冷機。2）當沒有蒸汽/熱水負荷、冷負荷需求時，可考慮配置余熱發電裝置。3）當沒有蒸汽/熱水負荷需求、只有制冷負荷需求時，可以有多種不同制冷方案。4）相同的煙氣參數，采用雙效蒸汽型制冷系統的制冷量最大，其次是煙氣型，熱水型的制冷量最小。

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（作者單位：杭州華電華源環境工程有限公司）