内燃机分布式能源站中烟气余热利用方案的研究
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【摘 要】随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的提高。目前，用于分布式能源站的原动机主要有小型燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机。基于燃气内燃机分布式冷热电多联供系统通常配置于小型楼宇，与燃气轮机为主的区域式分布式能源站相比，系统设备位于用户附近，用户的电力和冷、热需求可以就近解决，减少了长距离输送造成的成本增加和能源损耗。燃气轮机冷、热、电三联供系统在中国的发展已经相对成熟，而基于内燃机分布式冷、热、电多联产系统的研究尚未成熟，还处于发展初期。因此，本文从内燃机分布式能源站余热利用的角度，以瓦锡兰的20V38SG内燃机及其系列内燃机为例，提出了燃气内燃机的余热利用方案，对内燃机余热利用的各种技术方案进行对比分析，得到了工程设计中三种常用的烟气余热利用方案的设备配置原则。
【关键词】内燃机分布式能源站；烟气余热利用方案；研究
引言
为了解决内燃机分布式能源站中烟气余热利用的问题，以瓦锡兰20V38SG内燃机的分布式能源站为具体研究对象，采用定量的技术经济分析的方法，分析了包括蒸汽余热锅炉+蒸汽型吸收式制冷机组、热水余热锅炉+热水型吸收式制冷机组、烟气型吸收式制冷机组三种利用方案，得到了工程设计中三种常用的烟气余热利用方案的设备配置原则。研究结果表明，对于相同的热源的热水型制冷系统，当进口温度为362℃烟气时，采用烟气型制冷系统的制冷量比热水型、单效蒸汽型大，比双效蒸汽型制冷量小。
1分布式能源站中内燃机的各类余热型式
在燃气内燃机运行时，天然气进入内燃机混合器，与空气混合，经过烟气涡轮增压器增压、冷却器冷却后进入汽缸，通过火花塞高压点火，燃烧膨胀，推动活塞做功，带动曲轴转动，由发电机输出电能。燃气内燃机运行时排出的热量存在三种放热物质：1）烟气：燃气内燃机的排气温度通常在400℃左右，需要考虑综合烟气回收方案的设备价格、燃料价格、热价和电价，以及烟气低温腐蚀的影响，余热利用后的烟气温度一般下降至150℃左右。烟气可以通过加热余热锅炉中的水成为蒸汽或热水，用于吸收式制冷、采暖、供热水；也可以直接进入吸收式制冷机提供冷水或热水。此部分余热大约占内燃机可利用余热的50%～60%。2）高温缸套水：燃气内燃机的高温缸套水温度在80～120℃。高温缸套水可用于吸收式制冷、采暖、供热水。为保持内燃机汽缸有适当的温度，高温缸套水的热量不能全部利用。3）低温缸套水：燃气内燃机的低温缸套水温度在40～70℃。低温缸套水的水温较低、热量较少，可用于供热水，可利用量有限。
2分布式能源站内燃机烟气余热利用方案
目前，大部分内燃机的排烟温度为350～450℃。可考虑用于供热、制冷或发电。目前，烟气余热的直接利用设备主要有余热锅炉、烟气余热发电装置和烟气型吸收式制冷机组。烟气余热利用的主要方案如下：1）余热锅炉生产蒸汽/热水。适用于仅有蒸汽/热水负荷需求、无冷负荷需求的场合。2）蒸汽余热锅炉+蒸汽型吸收式制冷机组。适用于有蒸汽负荷和冷负荷需求的场合，也适用于只有冷负荷需求的场合。3）热水余热锅炉+热水型吸收式制冷机组。适用于有热水负荷和冷负荷需求的场合，也适用于只有冷负荷需求的场合。4）烟气余热发电装置。适用于无蒸汽/热水负荷、无冷负荷需求的场合。5）烟气余热发电装置+电制冷。适用于无蒸汽/热水负荷、有冷负荷需求的场合。6）烟气型吸收式制冷机组。适用于无蒸汽/热水負荷、有冷负荷需求的场合。根据以上的烟气余热利用方案及其适用场合可知，当有蒸汽/热水负荷需求时，一般配置余热锅炉，若同时还有冷负荷，则配置相应的吸收式制冷机；当没有蒸汽/热水负荷、冷负荷需求时，可考虑配置余热发电装置；当没有蒸汽/热水负荷需求、只有制冷负荷需求时，可选择第2）、3）、5）、6）种的烟气余热利用方案，下面针对这2）、3）、6）三种余热利用方式进行分析比较。
2.1方案2）技术参数分析比较
下面以瓦锡兰的20V38SG内燃机的烟气余热为例，制冷机按样本参数选型，余热锅炉生产的蒸汽压力、温度和给水温度（按冷凝水回水温度）按制冷机的需求设置，其他的边界条件（如内燃机排烟参数、制冷机冷却水温度、冷冻水温度、余热锅炉节点温差、窄点温差和接近点温差等）设置相同。在相同的烟气参数输入条件下，主蒸汽参数每上升约20℃，余热锅炉的排烟温度升高约15℃。针对双效型蒸汽制冷机组，在相同的烟气参数输入条件下，主蒸汽参数每上升约10℃，余热锅炉的排烟温度升高约10℃。其原因是主蒸汽参数提高时，余热锅炉的蒸发量减少，给水量也减少，给水在余热锅炉省煤器内的吸热量减少，故余热锅炉的排烟温度越高。根据计算的制冷量可知，余热锅炉配置双效型蒸汽制冷机的制冷量比配置单效型蒸汽制冷机的制冷量大很多；双效型蒸汽制冷机采用的蒸汽压力越低，制冷量越大；单效型蒸汽制冷机也一样，采用的蒸汽压力越低，制冷量越大。
2.2方案3）技术参数分析比较
内燃机烟气余热利用系统配置热水余热锅炉，生产不同品质的热水，可根据热水品质配置相适用的双效和单效的热水型吸收式制冷机组。下面以瓦锡兰的20V38SG内燃机的烟气余热为例，制冷机按样本参数选型，热水余热锅炉给水温度（热水回水温度）和热水供水温度按制冷机的需求设置，其他的边界条件（如内燃机的排烟参数、制冷机的冷却水温度、冷冻水温度、余热锅炉的节点温差等）设置相同，计算结果如表2所示。根据表2计算结果可知，虽然采用双效热水型制冷系统的余热锅炉排烟温度较高，但其制冷系数COP比单效型大很多，采用双效热水型制冷系统制冷量要比单效型大，热经济性较好。由于余热锅炉生产双效热水型制冷的高温热水后，排烟温度比较高，还能用于生产适用于单效热水型制冷的低温热水，排烟温度可降至与单效热水型制冷相同的温度。因此，对于相同的热源的热水型制冷系统，建议采用双效热水型制冷系统。
结语
通过分析比较内燃机烟气余热利用方案及其适用场合，得到如下结论：1）当有蒸汽/热水负荷需求时，一般配置余热锅炉，若同时还有冷负荷，则配置相应的吸收式制冷机。2）当没有蒸汽/热水负荷、冷负荷需求时，可考虑配置余热发电装置。3）当没有蒸汽/热水负荷需求、只有制冷负荷需求时，可以有多种不同制冷方案。4）相同的烟气参数，采用双效蒸汽型制冷系统的制冷量最大，其次是烟气型，热水型的制冷量最小。
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（作者单位：杭州华电华源环境工程有限公司）
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