燃气内燃机分布式能源系统的热力学分析_张杰

1.2 系统热力学分析 1.2.1 能源综合利用率
本分布式能源系统的能量平衡可用下式表示 [8]： Qα+ Qg+VgHl = W+Qh/c+ Qst+ Qex+ Qv+ Qerr （1） 式中：Qα为空气物理热，Qg为燃气物理热，Hl 为 燃气低位发热量，Vg为燃气流量，W为系统额定输 出电功率，Qh/c为系统对外供热/冷量，Qst为系统对 外供蒸汽量，Qex为排烟热损失，Qv为机组冷却散 热量，Qerr 为其它散热量。 参考三联供工程技术规程 [9]，本系统的能源综 合利用率为：
4 结论
图5 分布式能源系统的能源综合利用率
（1）分布式能源系统具有较大的节能优势， 在空调季节节能优势更加明显，分布式能源系统 节能 20% 左右；
（2）分布式能源系统在不同的工况下㶲效率 不同，采暖工况下的㶲效率最高，制冷工况次之， 过渡季节最小；
（3）本分布式能源系统充分体现了能量的梯
INFORMATION AND DYNAMIC
却塔直接冷却，保证发电机组的正常运行。
图2 分布式能源系统夏季工况下的㶲效率
过渡季节（环境温度 15℃）运行时，与分产 系统相比，分布式能源系统的的㶲效率如图 4 所示。
从图 2 中可以看出：（1）分布式能源系统的
从图 4 中可以看由于发电机组的缸套水余热
电㶲效率高于分产系统市电的㶲效率，这主要由 直接散失，因此分布式能源系统在此工况下㶲效
Key words: Internal-combustion Engine, Distributed Energy System, Thermodynamic Analysis
[作者简介]
张杰：（1988-），男，汉族，湖北省天门市，工程师，硕士，主要从事分布式能源系统的研究。
2015 年第 10 期 SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
分布式能源系统常常从以下 3 方面评价：以 热力学第一定律为代表的能量平衡分析法，焓分 析法和以热力学第二定律为代表的热力性能评价 指标；以投资回收期、年度化费用为代表的经济 性能评价指标；以 CO2 减排量为代表的环境性能 评价指标。P.J. Mago[4] 从能源节能率、运行成本 和 CO2 减排量建立了分布式供能系统评价体系， Daniel Maraver[5] 建立以生物质燃料为动力的分布 式供能系统的环境指标，并与传统的三联供系统 进行对比。P. Roque Díaz[6] 从热经济学角度分析了 一个分布式供能系统。M.A.Ehyaei[7] 等以满足一楼 宇电负荷、热负荷和冷负荷的微型燃气轮机分布 式供能系统，并分析了 3 种工况下能量消耗、经 济性和环境因素下分布式供能系统的运行情况。
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上海节能
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
No.10 2015
分 布 式 能 源 系 统（DES，Distributed Energy System）是一种新型的能源系统，它强调整个能 源系统的综合和优化集成，系统全工况能源输出 与用户动态需求的集成，以及与环境的友好协调 等特性，以减少中间环节损耗，降低对环境的污 染和破坏，保证能源供应安全，调整能源结构 。 [1-3]
系统相比，分布式能源系统的的㶲效率如图 3 所示。
夏季运行时分布式能源系阀门 3、4 开启，阀
门 1、2 关闭，燃气内燃发电机组燃烧天然气以“并
网不上网”的模式给工厂车间供电，余热锅炉回
收燃气内燃发电机组产生的烟气余热产生蒸汽，
满足工厂工艺蒸汽负荷需求；溴化锂制冷机组回
收燃气内燃发电机组缸套水余热制冷，满足厂区
Zhang Jie, Zhang Dan, Xu Zhenghua, Guo Jiasheng, Shen Dandan Shanghai Aerospace Energy Limited Company
Abstract: Aiming at some new-built factory in Shanghai with gas-fired internal-combustion generator units distributed energy system, based on the first law of thermodynamics and the second law of thermodynamics the article analyzes comprehensive energy utilization rate and exergy efficiency under different seasons and different operation modes. The results show that: under the heating condition this energy system has higher energy utilization ratio and exergy efficiency; compared with distributed system (city electric power and gas-fired boiler plus electric refrigeration) , the distributed energy system energy utilization rate increases 14% 19% and exergy efficiency increases 12% - 15%.
（4）
（5） （6）
式中 H表示焓值，S表示熵值，T0为环境温度，
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节能技术与产品 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGIES AND PRODUCTS
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGIES AND PRODUCTS
张 杰，等 燃气内燃机分布式能源系统的热力学分析
然各自㶲效率较高但组成系统后㶲效率反而降低。
2.2 冬季运行工况
该系统与夏季运行模式主要的不同是分布式 能源系阀门 1、2 开启，阀门 3、4 关闭，用板式
图4 分布式能源系统过渡季节的㶲效率
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上海节能
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
（2）
1.2.2 㶲效率
对一个热力学系统不仅要关注能源的综合利 用率，还要关注系统的㶲效率，作为对能量系统 利用的合理性和热力学完善程度的分析，㶲效率 显得尤为重要。
本分布式能源系统的㶲平衡式如下：
Eα+ Eg+VgHl = W+Eh/c+ Est+ Eex+ Ev+ Eerr （3）
式中：Eα为空气物理㶲，Eg为燃气物理㶲，Eh/c为 热/冷量㶲，Est为蒸汽㶲，Eex为排烟㶲损失， Ev为 冷却通风㶲损失， Eerr为其它散热㶲损失。
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3 分布式能源系统变工况能源综合利用率分析
与分产系统相比，分布式能源系统的能源综 合利用率如图 5 所示。从图中可以看出，分布式 能源系统的节能优势非常明显，特别是在空调季 节，分布式能源系统比分产系统节能 20%。尽管 过度季节能源利用率低于 70%，但是上海地区过 渡季节时间短，因此，全年能源综合利用率能够 满足国家相关要求。
部分制冷负荷。
夏季（参考环境温度 T=25℃）运行时，与分
产系统（市电 + 燃气蒸汽锅炉 + 电制冷机组，市
电采用燃气发电效率 0.4，输电效率 0.9，燃气锅 炉效率 0.9，电制冷机组 COP=4.5，下同）相比，
图3 分布式能源系统冬季工况下的㶲效率
分布式能源系统的㶲效率如图 2 所示。
从图 3 中可以看出：（1）冬季环境温度较低，
下标 in 表示流进；out 表示流出。
2 分布式能源系统变工况㶲效率分析
2.1 夏季运行工况
上海节能
节 能
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
技
术
与
换热器代替溴化锂制冷机组回收发电机组缸套水
产 品
余热进行采暖，满足厂区部分采暖空调负荷。
冬季（参考环境温度 T=0℃）运行时，与分产
本系统的㶲效率为：
图1 分布式能源系统流程图
1 系统分析
1.1 系统流程
本分布式能源系统位于上海闵行某工厂，按照 “以基本电负荷定容量、热电平衡、电力并网不上 网”的设计原则进行系统配置。分布式能源系统主
式（1）中： Ehc = (Hh/c,out- Hh/c,in)- T0(Sh/c,out- Sh/c,in) Est = (Hst,out- Hst,in)- T0(Sst,out- Sst,in)
摘要：针对上海某厂新建燃气内燃发电机组分布式能源系统，基于热力学第一 定律和热力学第二定律分析了该系统在不同季节、不同运行模式下的能源综合利用 率和㶲效率，结果表明：本能源系统在采暖工况下具有更高的能源利用率和㶲效率； 与分产系统（市电 + 燃气锅炉 + 电制冷）相比，分布式能源系统能源利用率提高 14%-19%，㶲效率提高 12%-15%。
节能信息与动态
级利用原则，除了发电外，将不同品位的烟气合 理利用，高温段产蒸汽，低温段制冷 / 采暖，因此 本系统的㶲效率远高于分产系统的㶲效率。
参考文献
[1]冯志兵，金红光．燃气轮机冷热电联产系统与蓄能变工况特性[J]． 中国电机工程学报，2006，26(4)：25-30． [2]宋之平．议分布式能量系统[J]．沈阳工程学院学报：自然科学版， 2005，1(1)：12-16． [3]随军，金红光，林汝谋．分布式供能及其系统集成[J]．科技导报， 2007，24：58-62． [4]P.J. Mago, L.M. Chamra. Analysis and optimization of CCHP systems based on energy, economical, and environmental considerations[J]. Energy and Buildings,2009, 41(10):1099-1106 [5]Daniel Maraver, Ana Sin, Fernando Sebastián, et al.Environmental assessment of CCHP (combined cooling heating and power) systems based on biomass combustion in comparison to conventional generation[J]. Energy, 2013,57(1): 17-23 [6]P. Roque Díaz, Y.R. Benito, J.A.R. Parise. Thermoeconomic assessment of a multi-engine, multi-heat-pump CCHP (combined cooling, heating and power generation) system – A case study[J]. Energy, 2010,35(9) : 3540-3550 [7]M.A. Ehyaei, A. Mozafari. Energy, economic and environmental (3E) analysis of a micro gas turbine employed for on-site combined heat and power production[J], Energy and Buildings, 2010(42): 259–264 [8]秦朝葵，吴念劬，章成骏．燃气节能技术[M]．上海:同济大学出版 社，1998． [9]中华人民共和国住房和城乡建设部. CJJ 145-2010．燃气冷热电三联 供工厂技术规程. 北京：中国建筑工业出版社，2010