燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較講解

1、第25卷 第1期煤氣與熱力Vol.25No.12005年1月GAS&HEATJan.2005燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較 左政，華賁(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510141) 摘 要：介紹了美國建筑燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn) 狀。從變工況下的熱電效率和火用效率兩個方面比較了MW級燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)性能，分析了兩者在不同冷熱電需求下的一次能耗。對 13MW建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有明顯的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益，而燃?xì)廨?機(jī)聯(lián)合循環(huán)適用于規(guī)模更大的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：冷熱電聯(lián)產(chǎn)；燃?xì)廨啓C(jī)；燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)；節(jié)能中圖分類號:

2、TU995文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號：1000-4416(2005)01-04Comparis on Betwee nGasE ngineandsinsZUO(KeyLabofHeatTra nsferU niversityofTech nology, ,Chi na)en gi nean dgasturbi neCCHPsystemsappliedi nAmerica non thermoelectrica ndexergyefficie n cies un dervariableoperatio neon di2ti on s,performa nceofMWclassgase nginean

3、 dgasturb in eCCHPsystemsiscompared,a ndprimarye nergyc on sumptio no fabovetwosystemsisa nalyze dun derdiffere ntdema ndforcooli ng,heata ndpower.ltca nbec on cludedthatgase ngin ehasmor eadva ntages inen ergysav ingan dec ono micbe ne2fitsfo 3MWbuildi ngCCHPsystem,a ndgasturbi necombi nedcyclewoul

4、dbeapplicableforlargerCC HPsystem.Keywords: CCHP; gasturbine; gasengine; energysaving隨著我國天然氣的快速開發(fā)，大力發(fā)展以天然 氣為一次能源的分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的時機(jī)已經(jīng) 成熟。分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模從數(shù)十kW到上萬kW,原動機(jī)有微燃機(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī) 等。根據(jù)我國目前的用能狀況和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，從 100kW到數(shù)千kW的小型分布式冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將占領(lǐng)我國建筑用能的主要市場。 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)均相當(dāng) 成熟,其中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的額定功率通常在 505000 kW,而燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率在80

5、0kW以上。對于1000kW到數(shù)千kW的冷熱電聯(lián) 產(chǎn)系統(tǒng)，存在兩種原動機(jī)選擇。本文對此功率范圍內(nèi)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱 電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)性能和節(jié)能與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。1應(yīng)用現(xiàn)狀美國從20世紀(jì)70年代開始發(fā)展冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù) 1999年的統(tǒng)計(jì)資料，美國在商業(yè)、公共建筑中已運(yùn)行的分布式冷熱電系統(tǒng)980座，總裝機(jī)容量4926MW,其中內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)770座,平均裝機(jī)容量0.7基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G20000263);廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(133-B27380) ? 39?第1期煤氣與熱力第25卷MW;燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)系統(tǒng)104座,平均裝機(jī)容量

6、9.0MW;燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 27座，平均裝機(jī)容由圖1可知,此功率下燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率高于燃?xì)廨啓C(jī)10個百分點(diǎn)以上。隨著負(fù)荷率的降低，兩者發(fā)電效率均呈下降趨勢，且下降的幅度大致 相同。對于余熱利用(最終煙氣排放溫度為120C)，燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率明顯 高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，其中燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低而降低，而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱利用效率隨著負(fù)荷率的降低有上升趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)原動機(jī)負(fù)荷率 減小時，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口空氣流量基本保持不變，其煙氣出口溫度隨負(fù)荷率減小而 降低;而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的進(jìn)口空氣流量隨負(fù)荷率減小而減小，出口煙氣溫度反而呈上升趨勢。因此，盡管兩者在額定工況下具有大致相同的

7、熱電總效率，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有比燃?xì)廨啓C(jī)更好的部分負(fù)荷特性。顯然，對于那些冷熱負(fù)荷波動較大的終端，形 式,但其余熱有一(溫度為9099°C),只能用于供熱或作為單效吸收式制冷機(jī)組的 熱源,而且該部分熱量份額較大，通常占總余熱量的1/31/2。燃?xì)廨啓C(jī)的余熱品位 較高,煙氣溫度一般為450600 C2量78.1MW循環(huán)系統(tǒng)。1。對小于15MW容量的系統(tǒng)，兩者 裝機(jī)情況比較見表1,其中括號內(nèi)為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合 表1美國不同規(guī)模建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與 燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)情況比較Tab.1Comparis onofin stalledcapacityofgase ngi nean dgasturbi

8、neun derdiffere ntscaleofCCHPin America nbuild ings功率/MW01155101015內(nèi)燃機(jī)燃?xì)廨啓C(jī) /座平均功率/MW/座平均功率/MW662831670.142.195.9912.37204216(3)110.772.816.09(7.40) 12.67由表1可知，對于1MW以下的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)占據(jù)了絕對主導(dǎo)地位， 這是由于此容量范圍內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率通常較低，節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益不明顯。對15MW的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，機(jī)數(shù)量大約為內(nèi)燃機(jī)的一半。對于510MW上范圍,、調(diào)節(jié)靈。2技術(shù)性能比較變工況特性比較 以3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)(G3616型)和

9、燃?xì)廨啓C(jī)(Centaur40)為對象進(jìn)行比較。根據(jù)基本 參數(shù)和熱力學(xué)計(jì)算，兩者在變工況下的熱效率和發(fā)電效率比較如圖1所示。，可產(chǎn)生參數(shù)較高的蒸汽，進(jìn)一步形成燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，單純地以熱效率和發(fā)電效 率來評價(jià)它們的性能是不夠的，下面從火用的角度對兩種原動機(jī)的效率進(jìn)行比較。對于純物質(zhì)，火用e可以用下式計(jì)算e=(h-h0)-T0(s-s0)3 圖1 3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)不同負(fù)荷率下 熱效率和發(fā)電效率的比較Fig.1Comparis ono fheata ndpowerefficie nciesof3MWgase ngi nean dgasturbi ne

10、un derdiffere ntlo adfactors火式中 e用h、s系統(tǒng)溫度下的焓與熵hO、s0物質(zhì)在環(huán)境溫度TO下的焓與熵如果將煙氣視為純物質(zhì)，內(nèi)燃機(jī)的冷套冷卻水進(jìn)出口溫度為8595C ,計(jì)算得到兩者在不同負(fù)荷率下的火用效率如圖2所示。由圖2可知,在滿負(fù)荷工況下，燃?xì)廨啓C(jī)的火用效率高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，這是由于燃?xì)?輪機(jī)的余熱品位相對較高；當(dāng)負(fù)荷率降低至0.8以后，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的火用效率高于燃 氣輪機(jī)，說明內(nèi)燃機(jī)具有更好的部分負(fù)荷特性。當(dāng)然，整個冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的火用 效率還取決于余熱利用設(shè)備的性能和最終熱（冷）利用的? 40?第1期左 政,等:燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的比較第25卷狀

11、態(tài)參數(shù)。環(huán)保效益是以天然氣為一次能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一個優(yōu)勢，在相同發(fā)電量下燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的1NOx的排放濃度通常為燃?xì)廨啓C(jī)的510倍，因此，燃?xì)廨啓C(jī)在環(huán)保方面具有更大 的競爭力05540.500.4006().8負(fù)荷率】燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)2.燃?xì)廨啓C(jī)0.45的熱（冷）負(fù)荷比時，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比燃?xì)廨啓C(jī)明顯節(jié)能；隨著熱（冷）負(fù) 荷的增加，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)余熱不能滿足用戶需求，燃?xì)忮仩t投入使用，節(jié)能率逐步減小; 只有當(dāng)用戶熱需求接近燃?xì)廨啓C(jī)最大可回收煙氣余熱時，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)一次能耗才 開始小于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)；隨著熱（冷）負(fù)荷的進(jìn)一步增加，兩者都需要補(bǔ)燃，其一次能源 消耗差將保持不變。很明顯，當(dāng)用戶熱（冷）

12、需求從內(nèi)燃機(jī)余熱回收能力到燃?xì)廨啓C(jī) 余熱回收能力之間變化時，在大部分區(qū)域燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)比燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能5 5 5 I - I - 10 9 &?1翳自婪g 5 . 出 且_凰0.81.01.21.4 L6 L8 2.0熱電比I燃?xì)廨啓C(jī)2.燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)圖2 3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)不同負(fù)荷率下火用效率的比較Fig.2 Comparis ono fexergyof3MWgase nginean dgas turbi neun derdiffere ntloadfactors3燃料耗量的比較用戶實(shí)際需求熱（冷）（冷）,使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱（，盡量避免補(bǔ)燃和余熱排空現(xiàn)象，從而 獲得較大的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。

13、對于建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，冷熱負(fù)荷全年波動較大， 就不得不經(jīng)常采用補(bǔ)燃或煙氣部分排空的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面比較燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同的熱（冷）電比下的一次能源消耗量,仍然以3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為對象，比較基于以下假設(shè)：原動 機(jī)保持滿負(fù)荷運(yùn)行，所產(chǎn)生的電力總可以被消耗，且系統(tǒng)為簡單循環(huán)。供熱工況 下煙氣余熱和內(nèi)燃機(jī)冷卻水余熱都被充分利用。供冷工況下，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽用于雙效吸收制冷機(jī)組（性能系數(shù)為1.3），內(nèi)燃機(jī)高溫冷卻水進(jìn)入單 效吸收機(jī)組（性能系數(shù)為0.7）。當(dāng)冷熱負(fù)荷供應(yīng)不足時，采用燃?xì)忮仩t進(jìn)行補(bǔ)燃， 熱效率取0.9;當(dāng)余熱過剩時，煙氣部分排空以保持熱量平衡

14、。根據(jù)以上假設(shè)，圖3、 4分別給出了在供熱工況和供冷工況下，當(dāng)熱（冷）電比變化時二者的燃料耗量的比 較。由圖3、4可知,當(dāng)滿足同樣的電負(fù)荷時，在較低 圖3 3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在 不同熱電比下燃料耗量比較Fig.3Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwith3MWgase nginean dgasturb ineund erdiffere ntheat/ powerrati&5 *1立1.0 1.4 1.8 2.2 2.6冷電比I燃?xì)廨啓C(jī)2.燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)o圖4 3MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同冷電比下

15、燃料耗量比較Fig.4Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwith3MWgase nginean dgasturb ineunderdiffere ntcool/powerratio圖5、6還分別比較了 1MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)（G3516型）和燃?xì)廨啓C(jī)（Saturn20）冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在供熱和供冷工況下，不同熱（冷） 電比下的燃料耗量。由圖5、6可知,對于1MW冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，在? 41?第1期煤氣與熱力第25卷任意的冷熱負(fù)荷需求模式下，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)都比燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能，這是因?yàn)榇斯β氏聝?nèi) 燃機(jī)的一次發(fā)電效率比燃?xì)廨啓C(jī)高13個百分點(diǎn)，即使在

16、余熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需 求，需要投入燃?xì)忮仩t大量補(bǔ)燃的情形下，其整體效率也高于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)l.(J L2 1.4 J .6 L8 2.0222.426熱電比I燃?xì)廨啓C(jī)2燃?xì)鈨?nèi)遨機(jī)命、大修間隔基本相同，而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)單位容量的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用略高于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī) 組。因此，對于一個具體的冷熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，采用何種形式原動機(jī)需要根據(jù)全年負(fù) 荷波動、當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格以及環(huán)保要求做進(jìn)一步的分析。4結(jié)論 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)具有比燃?xì)廨啓C(jī)更好的部分負(fù)荷特性 ，主要體現(xiàn)在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余 熱利用效率隨負(fù)荷率的降低有所提高，而燃?xì)廨啓C(jī)的余熱利用效率隨原動機(jī)負(fù)荷率 的降低而降低；從火用效率的角度看，在較高的負(fù)荷工況下，燃?xì)廨啓C(jī)的火用效率

17、要 高于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，而在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)將優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)。 對于3MW的系統(tǒng)，當(dāng)用戶熱需求在兩者最大可利用余熱量之間變化時，由于 此功率等級,任意情形下都不如燃?xì)?。對?MW以上的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)可以采 用聯(lián)合循環(huán)形式，其整體節(jié)能特性將會優(yōu)于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn) ：1U.S.Departme ntofE nergy,E nergyl nformatio nAdmi nis2trati on .Themarketa ndtech ni calpote ntialforcombi nedheata ndpoweri nthecommercial/i nsti tuti on als

18、ectorR.Washi ngto n:U.S.Departme ntofE nergy,E nergy圖5 1MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同熱電比下燃料耗量比較Fig.5Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwith1MWgase nginean dgasturb ineund erdiffere ntheat/ powerratio圖65 5 55-4.Xr 5 d1 I“1.216 2XJ 2.42.83.2冷電比I燃?xì)廨啓C(jī)2燃?xì)馊馊紮C(jī)1MW燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在不同冷電比下燃料耗量比較Fig.6Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwithlMWgase nginean dgasturb ineund erdiffere ntcool/powerratioIn formatio nAdmi nistrati on ,200