燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的比较讲解

1、第25卷 第1期煤气与热力Vol.25No.12005年1月GAS&HEATJan.2005燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的比较 左政，华贲(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510141) 摘 要：介绍了美国建筑燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的应用现 状。从变工况下的热电效率和火用效率两个方面比较了MW级燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统的技术性能，分析了两者在不同冷热电需求下的一次能耗。对 13MW建筑冷热电联产系统，燃气内燃机具有明显的节能和经济效益，而燃气轮 机联合循环适用于规模更大的系统。关键词：冷热电联产；燃气轮机；燃气内燃机；节能中图分类号:TU99

2、5文献标识码:A文章编号：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 dga

3、sturb 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 nedcyclewouldbea

4、pplicableforlargerCC HPsystem.Keywords: CCHP; gasturbine; gasengine; energysaving随着我国天然气的快速开发，大力发展以天然 气为一次能源的分布式冷热电联产系统的时机已经 成熟。分布式冷热电联产系统的规模从数十kW到上万kW,原动机有微燃机、燃气内燃机和燃气轮机 等。根据我国目前的用能状况和技术经济水平，从 100kW到数千kW的小型分布式冷热电联产系统将占领我国建筑用能的主要市场。 燃气内燃机和燃气轮机的热电联产技术均相当 成熟,其中燃气内燃机的额定功率通常在 505000 kW,而燃气轮机的发电功率在800kW以

5、上。对于1000kW到数千kW的冷热电联 产系统，存在两种原动机选择。本文对此功率范围内的燃气内燃机和燃气轮机冷热 电联产系统的技术性能和节能与经济性进行分析。1应用现状美国从20世纪70年代开始发展冷热电联产技术，建筑冷热电联产系统是其重要的应用领域。根据 1999年的统计资料，美国在商业、公共建筑中已运行的分布式冷热电系统980座，总装机容量4926MW,其中内燃机系统770座,平均装机容量0.7基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(G20000263);广东省科技攻关项目(133-B27380) ? 39?第1期煤气与热力第25卷MW;燃气轮机简单循环系统104座,平均装机容量9.0M

6、W;燃气轮机联合循环系统 27座，平均装机容由图1可知,此功率下燃气内燃机的发电效率高于燃气轮机10个百分点以上。随着负荷率的降低，两者发电效率均呈下降趋势，且下降的幅度大致 相同。对于余热利用(最终烟气排放温度为120C)，燃气轮机的余热利用效率明显 高于燃气内燃机，其中燃气轮机的余热利用效率随着负荷率的降低而降低，而燃气内燃机的余热利用效率随着负荷率的降低有上升趋势。这是因为当原动机负荷率 减小时，燃气轮机的进口空气流量基本保持不变，其烟气出口温度随负荷率减小而 降低;而燃气内燃机的进口空气流量随负荷率减小而减小，出口烟气温度反而呈上升趋势。因此，尽管两者在额定工况下具有大致相同的热电总效

7、率，燃气内燃机具有比燃气轮机更好的部分负荷特性。显然，对于那些冷热负荷波动较大的终端，形 式,但其余热有一(温度为9099C),只能用于供热或作为单效吸收式制冷机组的 热源,而且该部分热量份额较大，通常占总余热量的1/31/2。燃气轮机的余热品位 较高,烟气温度一般为450600 C2量78.1MW循环系统。1。对小于15MW容量的系统，两者 装机情况比较见表1,其中括号内为燃气轮机联合 表1美国不同规模建筑冷热电联产系统内燃机与 燃气轮机装机情况比较Tab.1Comparis onofin stalledcapacityofgase ngi nean dgasturbi neun derdi

8、ffere ntscaleofCCHPin America nbuild ings功率/MW01155101015内燃机燃气轮机 /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，对于1MW以下的冷热电联产系统，内燃机占据了绝对主导地位， 这是由于此容量范围内的燃气轮机发电效率通常较低，节能和经济效益不明显。对15MW的冷热电联产系统，机数量大约为内燃机的一半。对于510MW上范围,、调节灵。2技术性能比较变工况特性比较 以3MW燃气内燃机(G3616型)和燃气轮机(Centa

9、ur40)为对象进行比较。根据基本 参数和热力学计算，两者在变工况下的热效率和发电效率比较如图1所示。，可产生参数较高的蒸汽，进一步形成燃气- 蒸汽联合循环发电系统，可提高系统的发电效率。因此，单纯地以热效率和发电效 率来评价它们的性能是不够的，下面从火用的角度对两种原动机的效率进行比较。对于纯物质，火用e可以用下式计算e=(h-h0)-T0(s-s0)3(1) 图1 3MW燃气内燃机和燃气轮机不同负荷率下 热效率和发电效率的比较Fig.1Comparis ono fheata ndpowerefficie nciesof3MWgase ngi nean dgasturbi neun derd

10、iffere ntlo adfactors火式中 e用h、s系统温度下的焓与熵hO、s0物质在环境温度TO下的焓与熵如果将烟气视为纯物质，内燃机的冷套冷却水进出口温度为8595C ,计算得到两者在不同负荷率下的火用效率如图2所示。由图2可知,在满负荷工况下，燃气轮机的火用效率高于燃气内燃机，这是由于燃气 轮机的余热品位相对较高；当负荷率降低至0.8以后，燃气内燃机的火用效率高于燃 气轮机，说明内燃机具有更好的部分负荷特性。当然，整个冷热电联产系统的火用 效率还取决于余热利用设备的性能和最终热（冷）利用的? 40?第1期左 政,等:燃气内燃机与燃气轮机冷热电联产系统的比较第25卷状态参数。环保效

11、益是以天然气为一次能源的冷热电联产系统的一个优势，在相同发电量下燃气内燃机的1NOx的排放浓度通常为燃气轮机的510倍，因此，燃气轮机在环保方面具有更大 的竞争力0.500.4006().8负荷率】燃气内燃机2.燃气轮机0.45的热（冷）负荷比时，燃气内燃机冷热电联产系统比燃气轮机明显节能；随着热（冷）负 荷的增加，内燃机系统余热不能满足用户需求，燃气锅炉投入使用，节能率逐步减小; 只有当用户热需求接近燃气轮机最大可回收烟气余热时，燃气轮机系统一次能耗才 开始小于内燃机系统；随着热（冷）负荷的进一步增加，两者都需要补燃，其一次能源 消耗差将保持不变。很明显，当用户热（冷）需求从内燃机余热回收能

12、力到燃气轮机 余热回收能力之间变化时，在大部分区域燃气内燃机比燃气轮机节能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热电比I燃气轮机2.燃气内燃机图2 3MW燃气内燃机和燃气轮机不同负荷率下火用效率的比较Fig.2 Comparis ono fexergyof3MWgase nginean dgas turbi neun derdiffere ntloadfactors3燃料耗量的比较用户实际需求热（冷）（冷）,使得系统设计的热（，尽量避免补燃和余热排空现象，从而 获得较大的节能和经济效益。对于建筑冷热电联产系统，冷热负

13、荷全年波动较大， 就不得不经常采用补燃或烟气部分排空的方式进行调节。下面比较燃气内燃机和燃气轮机冷热电联产系统在不同的热（冷）电比下的一次能源消耗量,仍然以3MW燃气内燃机和燃气轮机为对象，比较基于以下假设：原动 机保持满负荷运行，所产生的电力总可以被消耗，且系统为简单循环。供热工况 下烟气余热和内燃机冷却水余热都被充分利用。供冷工况下，烟气进入余热锅炉产生的低压蒸汽用于双效吸收制冷机组（性能系数为1.3），内燃机高温冷却水进入单 效吸收机组（性能系数为0.7）。当冷热负荷供应不足时，采用燃气锅炉进行补燃， 热效率取0.9;当余热过剩时，烟气部分排空以保持热量平衡。根据以上假设，图3、 4分别

14、给出了在供热工况和供冷工况下，当热（冷）电比变化时二者的燃料耗量的比 较。由图3、4可知,当满足同样的电负荷时，在较低 图3 3MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在 不同热电比下燃料耗量比较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冷电比I燃气轮机2.燃气内燃机o图4 3MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同冷电比下燃料耗量比较Fig.4Comparis

15、 ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwith3MWgase nginean dgasturb ineunderdiffere ntcool/powerratio图5、6还分别比较了 1MW燃气内燃机（G3516型）和燃气轮机（Saturn20）冷热电联产系统在供热和供冷工况下，不同热（冷） 电比下的燃料耗量。由图5、6可知,对于1MW冷热电联产系统，在? 41?第1期煤气与热力第25卷任意的冷热负荷需求模式下，燃气内燃机都比燃气轮机节能，这是因为此功率下内 燃机的一次发电效率比燃气轮机高13个百分点，即使在余热远远不能满足用户需 求，需要投入燃

16、气锅炉大量补燃的情形下，其整体效率也高于燃气轮机系统l.(J L2 1.4 J .6 L8 2.0222.426热电比I燃气轮机2燃气内遨机命、大修间隔基本相同，而燃气内燃机单位容量的运行维护费用略高于燃气轮机机 组。因此，对于一个具体的冷热电联产项目，采用何种形式原动机需要根据全年负 荷波动、当地能源价格以及环保要求做进一步的分析。4结论 燃气内燃机具有比燃气轮机更好的部分负荷特性 ，主要体现在燃气内燃机的余 热利用效率随负荷率的降低有所提高，而燃气轮机的余热利用效率随原动机负荷率 的降低而降低；从火用效率的角度看，在较高的负荷工况下，燃气轮机的火用效率要 高于燃气内燃机，而在低负荷运行工况

17、下，燃气内燃机将优于燃气轮机。 对于3MW的系统，当用户热需求在两者最大可利用余热量之间变化时，由于 此功率等级,任意情形下都不如燃气。对于5MW以上的联产系统，燃气轮机可以采 用联合循环形式，其整体节能特性将会优于燃气内燃机系统。参考文献 ：1U.S.Departme ntofE nergy,E nergyl nformatio nAdmi nis2trati on .Themarketa ndtech ni calpote ntialforcombi nedheata ndpoweri nthecommercial/i nsti tuti on alsectorR.Washi ngto n

18、:U.S.Departme ntofE nergy,E nergy图5 1MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同热电比下燃料耗量比较Fig.5Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwith1MWgase nginean dgasturb ineund erdiffere ntheat/ power5 5 55-4.Xr 5 d1 I“1.216 2XJ 2.42.83.2冷电比I燃气轮机2燃气肉燃机ratio图61MW燃气内燃机和燃气轮机联产系统在不同冷电比下燃料耗量比较Fig.6Comparis ono ffuelc on sumpti ono fcomb in edsystemwithlMWgase nginean dgasturb ineund erdiffere ntcool/powerratioIn formatio nAdmi nistrati on ,2000.