微燃機冷熱電三聯供系統建模及熱力學分析

謝 娜，韓高巖，呂洪坤，國旭濤，孫五一，劉 虎

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

冷熱電三聯供系統在我國發展了十多年，是我國能源戰略的重要組成部分[1]。該供應系統結合了發電、制冷和供熱的多種能源，采用以天然氣為主的一次能源，利用燃氣輪機或內燃機發電，并回收排煙的低品質余熱進行制冷、供暖或供生活熱水，從而實現能量的梯級系統，提高一次能源的利用率，提高系統的效率，具有能效高、損耗小、污染小的優點。近幾年，國內的冷熱電三聯供系統裝機容量增長速度較快，廣泛應用于數據中心、能源站、工業園區、商業中心、醫院、機場、大學城、辦公大樓等，其中微型燃氣輪機（以下簡稱“微燃機”）冷熱電三聯供系統應用還處在發展階段[2-3]。因此，微燃機冷熱電三聯供系統的研究工作對于推動我國分布式能源的發展具有實際意義。

近年來，許多學者分別對分布式能源系統進行熱力學分析。黃河清等人[4]對分布式能源系統（內燃機+煙氣熱水型溴化鋰機組）進行數學建模，通過EES 軟件計算了空氣燃料比和環境溫度對系統的影響；秦朝葵等人[5]搭建了微燃機冷熱電三聯供實驗機組，通過原理、公式對系統進行熱力學分析；史航等人[6]對微燃機冷熱電三聯供系統進行熱力學分析，確定了各組件的熱力學過程和損失計算方法。

在學者研究的基礎上，本文基于Ebsilon 穩態仿真平臺，針對某辦公大樓的微燃機冷熱電三聯供系統，結合微燃機的相關性能曲線進行建模，計算了在不同工況下系統的一次能源利用率和效率，并用該模型對實際運行工況進行分析，可對系統實際運行起到指導作用。

1 系統工作原理

某辦公大樓微燃機冷熱電三聯供系統的原動機選用美國CAPTON-C200 型微燃機，額定輸出功率為200 kW；熱水型溴化鋰冷水機組，額定制冷量為212 kW；熱水換熱器，額定供熱量262 kW。其主要原理是天然氣進入微燃機透平做功，燃燒后排放的280 ℃高溫煙氣進入熱水換熱器制取90 ℃熱水，夏季工況下，系統為冷電聯供系統，熱水進入熱水型溴化鋰機組進行余熱回收制冷，溴化鋰機組由發生器、吸收器、冷凝器、蒸發器、溶液熱交換器、溶液泵、冷劑泵、抽排氣裝置等組成。冬季工況下，系統為熱電聯供系統，熱水不進入溴化鋰機組，通過旁路進入大樓供熱管網，系統如圖1 所示。

2 模型搭建

2.1 仿真模型假定

圖1 微燃機冷熱電三聯供系統

本仿真模型包括微燃機機組、溴化鋰制冷機組和熱水換熱器的仿真。其中，微燃機是基于廠家的特性數據曲線進行模擬的。而溴化鋰吸收式制冷機組和熱水換熱器的仿真模型為了簡化，進行如下假定[7-8]：

（1）系統處于熱平衡和穩定流動狀態。

（2）吸收器和發生器出口的溴化鋰-水溶液處于飽和狀態。

（3）冷凝器和蒸發器出口的制冷劑處于相應壓力下的飽和狀態。

（4）節流前后工質的焓值不變。

（5）吸收器的壓力等于蒸發器的壓力，發生器的壓力等于冷凝器的壓力。

（6）不考慮溶液泵和冷劑泵做功。

（7）因為管道較短、有保溫，不考慮管道阻力及散熱損失。

2.2 模型搭建

首先，在Ebsilon 軟件界面選擇設備，包括燃氣輪機Gas turbine 元件、熱水換熱器Heat exchanger 元件、發生器Rectifier 元件、冷凝器Condenser 元件、節流閥Control valve 元件、蒸發器Evaporator 元件、吸收器Absorber 元件、溶液熱交換器Air preheater 元件、溶液泵Pump 元件等。其次，進行必要的參數輸入來完成系統質量、能量平衡計算，本系統計算需要輸入的參數分兩部分，物流部分包括：微燃機進口空氣的溫度、壓力，微燃機進口天然氣的溫度、壓力、熱值，熱水換熱器進口煙氣的溫度，熱水換熱器出口煙氣的溫度、壓力，熱水換熱器進口熱水的溫度、壓力、流量，冷卻水進口的溫度、壓力、流量，冷卻水出口的溫度，冷凍水進口的溫度、壓力、流量，冷凍水出口的溫度；設備部分包括：冷凝器的冷凝壓力，蒸發器的蒸發壓力，吸收器的吸收溫度，發生器的發生溫度，溶液熱交換器的換熱溫差等。

結合微燃機的性能曲線，軟件可以計算出微燃機的輸出功率、排煙溫度和排煙流量，進而可以計算微燃機煙氣的可利用余熱。仿真模型不考慮設備的熱量損失，則夏季冷電聯供時，發生器的吸熱量等于熱水換熱器的換熱量；冬季熱電聯供時，系統的供熱量等于熱水換熱器的換熱量。仿真模型中的微燃機和溴化鋰機組通過控制器元件建立關系，通過調整發生器產生的蒸氣流量使發生器的吸熱量等于熱水換熱器的換熱量。設計工況的模擬流程見圖2。微燃機冷熱電三聯供系統的主要設計參數見表1。設計工況系統各物流主要節點的熱力參數，見表2。通常軟件模擬的誤差要求在3%～5%，由表1 可知，本次系統模型的模擬值與設計值的相對誤差小于5%，可以認為此模型合理。

2.3 評價指標

微燃機冷熱電三聯供系統的熱力學評價方法已經比較成熟[9-10]，主要是熱量分析法[11]和分析法[12-13]。

熱量分析法是基于熱力學第一定律，評價指標為一次能源利用率，可按下式計算，即：

表1 系統主要設計參數

式中：VH為燃料的高位發熱量；e 為氣體燃料的比。

圖2 設計工況下模擬流程

表2 設計工況下各物流主要熱力參數

對于穩定流動體系，輸入與輸出之間的 平衡按式（4）計算：

式中：Ein和Eout分別為穿過體系邊界的輸入和輸出；Iint為內部損失。

式中：Eg和Ey分別為體系在能量轉變過程中的收益和支付。

式中：E1和E2分別表示天然氣物理、空氣物理；e 表示天然氣的比化學；M1表示天然氣流量；E20表示冷凍水進入系統的；E17表示冷卻水進入系統的；W 表示微燃機電功率；E4表示煙氣排出系統的；E21表示冷凍水流出系統的；E19表示冷卻水流出系統的；Iint則表示系統的內部損失；Iout表示系統的外部損失。

3 熱力學分析

3.1 環境溫度對系統性能的影響

實際運行中，環境溫度對系統的整體性能影響較大。通過Ebsilon 對微燃機冷熱電三聯供系統模型進行變工況計算。環境溫度在24～38 ℃，辦公樓需要供冷，此時系統為冷電聯供，主要設備包括微燃機、熱水換熱器和溴化鋰制冷機組。當環境溫度在（-10）～24℃，系統切換為熱電聯供，供應生活熱水或制熱，主要運行的設備只有微燃機和熱水換熱器。圖3 所示為冷電聯供時微燃機效率、系統一次能源利用率與環境溫度的關系，圖4 所示為冷電聯供時煙氣可利用余熱、制冷量和微燃機發電量與環境溫度的關系。從圖3、圖4可知，環境溫度從24 ℃變化到38 ℃，輸入系統的燃料總熱量從652.4 kW 降低為591.2 kW，微燃機的熱效率從0.304 降低為0.292，發電量從198.3 kW 降低到172.6 kW，制冷量從226.5 kW升高為229.1 kW，系統的一次能源利用率從0.652 升高到0.68。結合式（1）可知，雖然微燃機的熱效率降低，發電量降低，但是輸入系統的燃料總熱量降幅更大，即系統輸出能量的總和比輸入系統的燃料總熱量的降幅小，因此系統的一次能源利用率升高。

圖3 微燃機效率、系統一次能源利用率與環境溫度的關系（冷電聯供）

圖4 煙氣可利用余熱、制冷量、燃料總熱量和微燃機發電量與環境溫度的關系（冷電聯供）

圖5 微燃機效率、系統一次能源利用率與環境溫度的關系（熱電聯供）

圖6 煙氣可利用余熱、燃料總熱量、微燃機發電量與環境溫度的關系（熱電聯供）

圖5 所示為熱電聯供時微燃機效率、系統一次能源利用率與環境溫度的關系，圖6 所示為熱電聯供時煙氣可利用余熱、制冷量和微燃機發電量與環境溫度的關系。從圖5、圖6 可知，環境溫度從-10 ℃變化到24 ℃，輸入系統的燃料總熱量從625 kW 增加到654.5 kW，微燃機的熱效率從0.32 降低到0.304，發電量基本保持不變，供熱量從210.53 kW 升高為285.2 kW，系統的一次能源利用率從0.664 升高到0.742。結合式（1）可知，系統輸出能量的總和比輸入系統的燃料總熱量的增幅大，因此系統的一次能源利用率升高。當環境溫度大于8 ℃時，系統的一次能源利用率大于70%。

由于環境溫度升高會影響微燃機天然氣和空氣的進量，所以對微燃機的發電量影響較大。當環境溫度低于25 ℃時，微燃機的發電量基本不變。通過對比設計工況可知，在冷電聯供下，系統能提供的制冷量大于設計冷負荷（212 kW），為了保證系統有較大的能源利用率，應充分利用系統制取的冷量，可通過蓄冷罐蓄存多余的冷量；在熱電聯供下，當環境溫度低于12 ℃時，系統能提供的供熱量小于設計熱負荷（262 kW），為了保證大樓的熱需求供應，需要通過鍋爐、熱泵等設備進行補充。

3.2 微燃機負荷率變化對系統性能的影響

微燃機負荷率變化后，煙氣可利用的余熱也隨之改變，進而影響系統的制冷或制熱情況。系統在冷電聯供模式下，取環境溫度為32 ℃，當微燃機負荷率在30%～100%變化時，微燃機效率、系統一次能源利用率與微燃機發電負荷率的關系如圖7 所示，煙氣可利用余熱、制冷量隨微燃機發電量的變化情況見圖8。微燃機從滿負荷降低到30%負荷運行時，微燃機熱效率從0.30 降低到0.24，發電量從183.21 kW 降低到54.96 kW，制冷量從228.77 kW 降低到82.37 kW，系統一次能源利用率從0.669 降低為0.603。從圖7 可知，當微燃機負荷率在1.0～0.8 時，微燃機熱效率基本保持不變；負荷率在0.3～0.5 時，微燃機熱效率和系統一次能源利用率下降較快。因此，微燃機應盡量在0.8～1.0 的負荷率下運行。

圖9、圖10 所示為系統在熱電聯供模式下，取環境溫度為0 ℃，當微燃機負荷率在0.3～1.0變化時，微燃機效率、系統一次能源利用率、供熱量與微燃機發電負荷率的關系。微燃機從滿負荷降低到30%負荷運行時，微燃機熱效率從0.319降低到0.259，發電量從200 kW 降低到60 kW，供熱量從229.6 kW 降低到66.2 kW，系統一次能源利用率從0.685 降低為0.544。

3.3 系統典型工況 分析

圖7 微燃機效率、系統一次能源利用率與微燃機負荷率的關系（冷電聯供）

圖8 煙氣可利用余熱、制冷量與微燃機負荷率的關系（冷電聯供）

圖9 微燃機效率、系統一次能源利用率與微燃機負荷率的關系（熱電聯供）

基于Ebsilon 軟件分別對微燃機冷熱電三聯供系統典型工況（供冷、供熱）進行 分析，結果見表3。

圖10 供熱量與微燃機負荷率的關系（熱電聯供）

表3 微燃機冷熱電三聯供系統分析

表3 微燃機冷熱電三聯供系統分析

3.4 實際運行數據分析

表4 是1 組實際運行數據，將這組數據作為微燃機三聯供系統模型的已知數據進行模擬計算，計算結果列在表5。實際運行工況下，微燃機輸出功率為190.1 kW，仿真模擬計算得到的微燃機輸出功率為191.7 kW，偏差0.8%，可見模擬計算可靠，計算結果具有參考價值。

表4 微燃機冷熱電三聯供系統實際運行數據

表5 系統實際運行工況仿真計算結果

計算可知，系統溴化鋰機組的制冷效率較低，此時系統的一次能源利用率只有57.3%，主要是由于當時辦公樓的冷負荷小，使得冷凍水入口溫度較低。如果保持其他數據不變，只提高冷凍水入口溫度，當冷凍水入口溫度為11.1 ℃時，系統可以提供的制冷量約為223 kW。

可見，電負荷大、冷負荷較小使得系統的發電量、制冷量不匹配，導致系統的一次能源利用率較低。假設通過蓄冷罐蓄存多余的制冷量，提高冷凍水回水溫度，可使系統一次能源利用率提高到65.2%，提高約13.8%。增加蓄冷罐，可以大大提高系統的靈活性[15-16]。比如，在大樓冷（熱）負荷小的時候，機組可以停機，此時利用蓄冷罐供冷（熱），電網供電，避免微燃機機組在低負荷功率下運行，從而提高系統的運行效率；或者利用分時峰谷電差價，以運行費用最小為目標制定運行策略，可提高系統的經濟性。

4 結論

通過Ebsilon 軟件，結合微燃機的性能曲線，對微燃機冷熱電三聯供系統進行建模計算，分別采用熱量分析法和分析法對系統進行熱力學評價，得到以下結論：

（1）某200 kW 微燃機冷熱電三聯供系統分為熱電聯供和冷電聯供2 種模式。冷電聯供時，環境溫度從24 ℃變化到38 ℃，系統一次能源利用率為65.2%～68%；熱電聯供時，環境溫度從-10℃變化到24℃，系統一次能源利用率為66.4%～74.2%。在冷電聯供下，系統能提供的制冷量大于設計冷負荷，為了保證系統有較大的能源利用率，應充分利用系統制取的冷量，可通過蓄冷罐蓄存多余的冷量；在熱電聯供下，系統能提供的供熱量小于設計熱負荷，為了保證大樓的熱需求供應，需要通過鍋爐、熱泵等調峰設備進行調峰。

（2）當微燃機負荷率在30%～100%變化，系統冷電聯供（取環境溫度為32 ℃）運行時，系統一次能源利用率為60.3%～66.9%；系統熱電聯供（取環境溫度為0 ℃）運行時，系統一次能源利用率為54.4%～68.5%。

（4）通過搭建的微燃機三聯供系統模型對實際運行數據進行分析，實際運行工況存在冷負荷較小的問題，若通過蓄冷罐蓄存多余冷量，系統的一次能源利用率可提高13.8%。