内燃机独立供能系统的性能实验

任 勇，杨 昭

(天津大学热能研究所，天津 300072)

内燃机独立供能系统的性能实验

任 勇，杨 昭

(天津大学热能研究所，天津 300072)

基于能量综合梯级利用理论提出了一种全新的能量供给系统形式——内燃机独立供能系统.介绍了系统的工作原理和特点.建造了实验样机，介绍了实验样机的系统组成.利用实验样机进行了详细的发动机性能实验、余热回收利用实验和内燃机独立供能系统总体特性实验.研究结果表明：所选用发动机具有较好的性能，能够满足内燃机独立供能系统的使用要求；设置的余热回收利用系统能够有效地回收发动机工作过程中产生的余热，随着发动机转速的提高，余热回收量增加，但余热利用率下降；系统总体性能较好，有较高的COP和COPz，系统的一次能源利用率大部分都在1以上，说明系统具有优越的变工况运行性能和较高的能源综合利用效率.

内燃机；独立供能；余热回收；一次能源利用率；燃气机热泵

1947年，前苏联的兹辛提出用煤气机驱动热泵的设想.安装在英国泰晤士河畔皇家庆典礼堂里的燃气机热泵(gas engine driven heat pump，GEHP)可能是有记载的最早应用的燃气机热泵[1].1948年，美国人 Miller K W 提出推广燃气机热泵的建议.美国燃气机热泵技术研究受燃气研究所和能源署的资助，于 1992年先后开发成功 10,kW、17.5,kW 和500,kW 的燃气机热泵机组[2].日本是世界上燃气机热泵系统应用最广泛的国家，至 2003年累计销售50万台[3].欧洲国家也对GEHP技术的研究给予了高度的重视[4].

我国的燃气机热泵技术研究始于 20世纪 80年代，天津大学热能研究所在国内率先开展了此方面的研究.特别是在最近对燃气机热泵技术进行了系统的研究.前期研究结果表明[5-9]，由于燃气机热泵可以回收发动机冷却水和排烟中的热量，因此系统具有较高的一次能源利用率，属于节能环保的高技术产品，具有较广阔的发展前景.

基于上述考虑，在能量综合梯级利用理论[10]的基础上，笔者提出了一种全新的系统形式——内燃机独立供能(internal combustion engine energy independence，ICEEI)系统.该系统不但能够根据需要使用多种燃料，实现燃气机热泵的所有功能，而且还能够发电供系统本身使用，真正做到了独立供能.本文介绍了 ICEEI系统的工作原理和特点，以及实验样机的组成.利用该实验样机进行了发动机性能、余热回收利用和系统总体特性实验.

1 内燃机独立供能系统的工作原理及特点

1.1 内燃机独立供能系统的工作原理

内燃机独立供能系统是以天然气、汽油、柴油、醇类和醚类等为燃料，通过内燃机将燃料燃烧释放的热能转化为机械能，从而驱动压缩机和发电机工作的联合供能系统；同时，回收发动机缸套和排烟的余热，其系统原理如图1所示.

图1 内燃机独立供能系统示意Fig.1 Diagram of ICEEI system

内燃机独立供能系统工作原理如下所述.

燃料在发动机内部燃烧释放出能量对外做功，一方面，发动机输出的机械功驱动压缩机，压缩机再驱动制冷剂实现制冷或供热循环，完成热泵工作流程；另一方面，发动机输出的机械功同时驱动发电机工作，发电机发出的电主要供系统本身的用电设备和控制设备使用，系统无需从外界接入电源.发动机缸套冷却水和排烟余热通过热量回收系统进行回收，进一步提高了系统的综合能源利用效率.

1.2 内燃机独立供能系统的特点

内燃机独立供能系统是在能量综合梯级利用理论的基础上提出来的，是对燃气机热泵技术、内燃机热泵技术的继承和发展，是能量综合梯级利用理论的一种具体应用形式.内燃机独立供能系统具有一次能源利用率高、部分负荷性能好、可以显著改善电力峰谷平衡和适用范围广等燃气机热泵系统的普遍优势，又由于可以使用多种燃料，增强了燃料适应性，而且还能够自带发电设备，可以满足系统自身用电需求，做到不依赖于外部电能，进一步增强了系统的生命力.

内燃机独立供能系统是一种全新的能量综合梯级利用系统模式，需要通过实验详细研究该系统在各种工况下的运行性能，以便为系统的应用提供理论依据.为此，本实验室热泵课题组在原有燃气机热泵实验样机的基础上重新设计了实验样机，利用新实验样机对系统进行了详细的实验研究.

2 实验样机简介

实验样机的系统组成如图1所示，实验样机本体的实体如图2所示.

根据作用不同，整个内燃机独立供能系统实验样机主要分为 5个子系统：内燃机热泵系统、冷热源系统、控制系统、数据测量与采集系统和发电系统.

1) 内燃机热泵系统

内燃机热泵系统主要包括燃料供给装置、汽油天然气两用发动机、开启式活塞压缩机、翅片管式冷凝器、储液器、视液镜、干燥过滤器、电子膨胀阀、钎焊板式蒸发器、缸套冷却水换热器、板翅式排烟换热器、余热回收板式换热器及生活热水板式换热器等部件.

2) 冷热源系统

设计冷热源系统的目的是为内燃机独立供能系统创造一个“环境”和“用户”，从而满足独立供能系统连续运行的外部条件.本系统主要包括表面冷却器、蒸发器水泵、连接管道以及水箱等.水路系统采用两管制.

3) 控制系统

控制系统为内燃机独立供能系统提供安全运行、工况调节等各方面的技术保障，包括主机控制部分和冷冻水系统控制部分.控制系统由硬件和软件两部分构成，硬件包括控制器、传感器和执行机构，软件包括可编程控制器编程软件和组态软件.

4) 数据测量与采集系统

数据测量与采集系统主要包括温度、压力、流量、转速、电流等传感器以及各种显示仪表和计算机数据自动采集系统.该系统可以设置采样时间，能够实现自动扫描、数据实时采集、处理、显示和报警等功能.数据测量与采集系统与控制系统相关联.

5) 发电系统

发电系统是内燃机独立供能系统区别于一般燃气机热泵和内燃机热泵的重要标志.发电系统包括发电机、蓄电装置、控制装置和传动机构等，可以解决系统本身主要用电设备的供电问题，做到无需从外界接入电源.

图2 实验样机本体实体Fig.2 Photo of model machine for experiment

3 内燃机独立供能系统实验

前文分析表明，内燃机独立供能系统采用了节能、高效的能量综合梯级利用技术.为了定量分析这种系统的性能特点，进行了独立供能系统的实验研究.实验包括发动机性能实验、余热回收利用实验和内燃机独立供能系统总体特性实验.

用于衡量系统性能参数的定义式为

式中：β为余热利用率，%；Qw为从发动机排热中回收的热量，kW；Qy为发动机的排热量，kW.

制冷系数为

式中：COP为制冷系数；Qe为制冷量，kW；P为发动机向压缩机输出的功率，kW.

式中：E为发电机的发电量，kW；Qa为燃料燃烧产生的热量，kW.

3.1 发动机性能

发动机是内燃机独立供能系统的唯一动力来源，其性能优劣对系统总体性能具有较大影响.图 3～图6是本次实验的发动机特性曲线.

从图 3可以看出，随着发动机转速的增加，发动机输出功率也随之增加，此时，发动机的耗气量也增加，如图4所示.从图5可知，随着发动机转速的增加，耗气率是先下降后回升的，基本在2,800,r/min处降到最低，说明此转速附近是该发动机的经济工作区.图 6表明，随着发动机转速的增加，排烟温度明显上升，但上升趋势逐渐变缓，全部处于排烟温度的允许范围之内.

图3 发动机转速和功率的关系Fig.3 Relationship between engine speed and power

图4 发动机转速和耗气量的关系Fig.4 Relationship between engine speed and gas consumption

图5 发动机转速和耗气率的关系Fig.5 Relationship between engine speed and gas consumption rate

图6 发动机转速和排烟温度的关系Fig.6 Relationship between engine speed and flue gas temperature

3.2 余热回收利用

余热大量回收并有效利用是内燃机独立供能系统的一个主要特点，也是该系统优于电动热泵等形式的一个重要标志.余热回收利用的实验结果如图 7～图10所示.

图7～图9表明，随着发动机转速的提高，回收的余热量也相应增大，还可以看出，缸套换热器回收的余热量明显多于排烟换热器回收的余热量，这是因为缸套换热器的换热性能要优于排烟换热器的缘故.

从图 10可知，余热利用率是随着发动机转速的增大而下降的，这主要是因为随着发动机转速的升高，产生的余热量明显增大，而余热利用板换的换热量并没有相应地显著增大，因此，总的余热利用率是表现为下降的.

图7 发动机转速和排烟换热器换热量的关系Fig.7 Relationship between engine speed and flue Fig.7 gas heat recovery

图8 发动机转速和缸套换热器换热量的关系Fig.8 Relationship between engine speed and heat Fig .8 exchange of cylinder linder

图9 发动机转速和余热回收量的关系Fig.9 Relationship between engine speed and heat recovery amount

图10 发动机转速和余热利用率的关系Fig.10 Relationship between engine speed and heat recovery utilization rate

3.3 系统总体特性

分析表明，建筑负荷处于最大值的时间是非常短的，也就是说独立供能系统满负荷运行的时间在一天中(或一年中)很短，因此，分析系统的部分负荷特性就显得尤为重要.图11～图14描述了独立供能系统的总体性能情况.

从图11可知，系统的COP随着发动机转速的提高有下降的趋势，这主要是因为随着发动机转速的提高，压缩机所需的轴功率增加量比制冷量的增加量大，从而导致系统 COP呈下降的趋势.PER变化趋势的形成原因与 COP类似，也是因为随着发动机转速的增加，耗气量增加量比制冷量增加量和余热回收量增加量大.分析可知，COP和 PER整体都处于较高水平，特别是考虑了余热回收之后的性能系数COPz几乎都在 4以上，再结合图 12中 PER的变化情况可知，独立供能系统具有较高的能量利用效率和较好的变工况运行性能.图 13和图 14给出了制冷量和发电量的变化趋势，可见，制冷量和发电量基本是随着发动机转速升高而增大的.

从研究结果来看，所得结果与设计初衷一致，但由于样机尚处于运行调试阶段，所以，实验曲线不是十分理想，存在一定的误差，这也是笔者下一步研究的改进目标.

图11 发动机转速和制冷性能系数的关系Fig.11 Relationship between engine speed and the refrigerating coefficient of performance

图12 发动机转速和一次能源利用率的关系Fig.12 Relationship between engine speed and the primary energy utilization ratio

图13 发动机转速和制冷量的关系Fig.13 Relationship between engine speed and refrigerating capacity

图14 发动机转速和发电量的关系Fig.14 Relationship between engine speed and generating capacity

4 结 论

(1) 内燃机独立供能系统是能量综合梯级利用理论的一种具体应用形式，既具有一次能源利用率高、部分负荷性能好、可以显著改善电力峰谷平衡和适用范围广等燃气机热泵系统的普遍优势，又具有燃料适应性强、不依赖于外部电能等新优点.

(2) 发动机性能实验表明，随着发动机转速的增加，发动机输出功率和耗气量也随之增加；而耗气率是先下降后回升的，经济工作区位于 2 800,r/min附近.排烟温度随着发动机转速的增加明显上升，但上升趋势逐渐变缓，且全部处于排烟温度的允许范围之内.

(3) 余热回收利用实验表明，余热回收量随着发动机转速的提高而增大，而且缸套换热器的余热回收量明显多于排烟换热器的余热回收量.余热利用率是随着发动机转速的增大而下降的.

(4) 系统总体特性实验表明，系统的 COP随着发动机转速的提高有下降的趋势，但是整体都处于较高水平，特别是考虑了余热回收之后的折算性能系数COPz几乎都在4以上.结合PER的变化情况可以看出，独立供能系统具有较高的能量利用效率和较好的变工况运行性能.制冷量和发电量基本是随着发动机转速升高而增大的.

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Jin Hongguang，Lin Rumou.Synthetic Cascade Utilization of Energy and Gas Turbine Total Energy System[M]. Beijing：Science Press，2008(in Chinese).

Performance Experiment of ICEEI System

REN Yong，YANG Zhao
(Thermal Energy Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on the energy cascade utilization conception，a new energy supply system，internal combustion engine energy independence(ICEEI)system，was put forward. The system’s working principle and features were expounded. An experimental prototype was built up，whose system components were introduced. Experiments were carried out，including：engine performance experiment，recovery of waste heat experiment，and overall characteristics experiments of the system. The results show that the engine selected has perfect performance and can meet the system’s operating requirements. The recycling system can effectively recycle the waste heat generated by the engine，and the amount of recycled heat rises with the increase of engine speed whilethe waste heat utilization rate declines. The overall performance of the system is satisfactory，with high COP and COPZ，and the primary energy utilization ratio of the system is almost above 1，indicating that the system has high energy utilization efficiency and superior performance when operating conditions vary.

internal combustion engine；energy supply independence；waste heat recycling；primary energy ratio；gas engine driven heat pump

TK019

A

0493-2137(2011)01-0029-06

2009-09-21；

2010-05-24.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA05Z223)；教育部博士学科点基金资助项目(200800560041)；天津市科技支撑计划资助项目(07ZCGYSF02600)；北京市重点实验室开放基金资助项目(G208695).

任 勇（1978— ），男，博士.

杨 昭，zhaoyang@tju.edu.cn.