小功率沼气内燃机与有机朗肯联合循环系统性能研究

王春龙， 周正清， 李金平， 汪秋刚

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

小功率沼气内燃机与有机朗肯联合循环系统性能研究

王春龙1, 2, 3， 周正清1, 2, 3， 李金平1, 2, 3， 汪秋刚1, 2, 3

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050； 3. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

为了有效利用小功率沼气内燃机的排气余热，笔者设计了一套回收烟气余热的有机朗肯循环系统(ORC)，采用纯工质R245fa作为工作介质。试验通过数值模拟的方法对内燃机排气进行余热回收，在不同软件环境下建立内燃机子模型和有机朗肯循环子模型。结果表明，数值模拟值与试验值能较好吻合，验证了模型的正确性； 同时在不同甲烷体积分数情况下，观察了有机工质流量对ORC净功率的影响，并且随着燃气中甲烷体积分数的增大，ORC子系统输出功率也相应增大，最高达到3.4 kW，烟气余热利用率为64.8%，联合循环系统的热效率达到36.7%，较原有的内燃机热效率提高了7.6%。

沼气内燃机； 余热回收； 有机朗肯循环； 数值模拟

沼气发电技术将有机废弃物厌氧发酵产生的沼气转变为电能，降低了污染物的处理成本，产生了高效的清洁能源，得到了国内外的广泛重视和积极推广。在沼气发电过程中，30%～40%的沼气能量转化为了电能，其余能量通过冷却系统以及排气散失到环境中[1]，通常约有30%的能量随烟气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其他损失约占10%左右[2]。烟气热量不仅所占比例高，而且温度高，可以高达500℃[3]。因此，烟气余热回收利用对沼气内燃机发电效率的提高有重要意义。

作为低品位能量回收的有效途径，有机朗肯循环(ORC)技术在内燃机的余热回收领域得到了广泛的研究与应用[4-5]。很多国内外学者已经对柴油发动机、汽油发动机与ORC联合循环的系统做了许多试验、模拟研究。Vaja[6]等针对一台固定式柴油机，设计了三种不同结构的有机朗肯循环系统，分析结果表明有机朗肯循环系统可使内燃机的总效率提高12%。Gao[7]等针对一台涡轮增压柴油机，设计了一套ORC余热回收系统，用于回收柴油机运行过程中产生的尾气余热能，研究结果表明：加装余热回收系统后可使发动机的输出功率提高12%。天津大学的学者针对一台柴油机设计了一套有机朗肯循环系统的仿真模型，研究表明：大概 75%的排气余热和 9.5%的冷却液余热能被回收利用[8]。但以沼气为燃料输入的小型发动机与ORC联合循环系统的研究还是一片空白。

1 系统模型的建立

系统模型包括内燃机子系统模型和ORC子系统模型，整体模型构架如图1所示。联合循环系统主要由内燃机、蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成。有机工质通过工质泵加压后送入进入蒸发器，内燃机排气在蒸发器中与有机工质进行换热，吸热后的有机工质变为高温高压气体后推动膨胀机做功，膨胀放热后的气态有机工质进入冷凝器被冷却为液态有机工质。其中内燃机模型以潍柴的30 kW沼气发电机组为仿真对象，利用仿真模拟软件GT-power建立该发动机的仿真计算模型； ORC模型在Aspen Plus软件环境下搭建，将GT-power模型中模拟所得的排气信息，包括组分、流量和温度输入到ORC模型中去，然后对整个联合循环系统进行分析研究。

图1 内燃机余热回收系统示意图

1.1 内燃机模型

目前国内沼气内燃机多数都是由柴油机改造而来，由原来的压燃式内燃机改成了点燃式内燃机。点燃式压缩的是混合燃气，压缩终了时，活塞处于上止点，电火花引燃混合燃气，此时由于燃烧速度很快，活塞位移极小，几乎在定容下燃烧，因此在理论分析时可以把燃烧沼气的热力循环按定容加热(Otto)循环来分析处理。而在内燃机工作过程的模拟计算中，随着内燃机商业化软件发展，使得发动机工作过程的模拟已经达到实用化程度，GT-Power便能很好的实现此功能。

表1 内燃机基本参数

图2为GT-power软件中建立的直列四冲程沼气内燃机工作过程仿真模型，首先建立发动机的各个子系统，然后通过管道模拟来连接各个子系统，组成整个发动机的模拟系统，完成数学模型到物理模型的转化； 其次对在软件中所建立的物理模型，利用传热学等热力学知识对其进行数学描述； 最后完成整机模型的建立，并通过运行所建模型，结合试验和厂家所给数据对该模型进行进一步修改和校验。本模型中气缸模块是整个模拟的核心部分，其几何模型可以根据厂家所提供的参数来确定。传热模型通常选择Woschni传热模型。对于外部混合的发动机，一般选择韦伯燃烧模型，韦伯燃烧模型把燃烧分为预燃、主燃、末燃3个阶段，每个阶段用所占整个燃烧的比例、形状参数、燃烧持续期3个参数来定义，通过韦伯燃烧模型算法，根据输入的参数确定燃烧过程的放热方式。

采用纯工质R245fa作为有机朗肯循环系统的工作介质。表2给出了纯工质R245fa的基本物性，该工质被众多学者认为是较为理想的有机工质。

表2 R245fa基本物性参数

图2 直列四冲程沼气内燃机模型

ORC子系统是发动机烟气余热回收动力系统的关键。循环过程的计算公式如下。

膨胀机对外做工过程：

Wexp=m(h1-h2)

(1)

冷凝器的冷凝过程：

Qc=m(h3-h2)

(2)

工质泵的加压过程：

Wp=m(h4-h3)

(3)

蒸发器吸热过程：

100例慢性前列腺炎患者中,进行细菌培养分离出细菌60例,阳性率为60.00%,其中包括革兰阳性菌48例(78.33%),包括葡萄球菌25例(52.08%)凝固酶阴性葡萄球菌(溶血葡萄球菌、浮生葡萄球菌、表皮葡萄球菌、其他凝固酶阴性葡萄球菌)15例(31.25%),大肠杆菌3例(6.25%)以及革兰阴性菌5例(10.42%)。

Qeva=m(h2-h4)

(4)

以上各式中：m为有机工质流量；h为各状态点焓值；Qeva为蒸发器吸收的热量；Wexp为膨胀机输出功率;Wp为工质泵消耗的功率。

则ORC净功率为：

Wnet=Wexp-Wp

(5)

ORC热效率为：

η=Wnet/Qeve

(6)

整个系统的效率为：

ηsys=(Weng+Wnet)/mfuelHv

(7)

为了更加清楚的描述ORC子系统回收热量的能力，提出了烟气余热利用率：

ηur=Qeva/cpm(Tmax-Tmin)

(8)

式中：Weng为内燃机输出功率；mfuel为沼气流量；Hv为沼气热值；cp为烟气比热容，Tmax和Tmin为烟气最高和最低温度。

2 模型验证

对于该30 kW沼气发动机进行了模拟计算，因为大部分沼气发动机所使用的燃料都是经过净化提纯的沼气，所以使用甲烷体积分数为100%的沼气作为发动机的燃料，在发动机负载为100%,75%,50%的情况下，根据厂家所提供的耗气量与模拟输出的有效功率进行对比，由此来验证模型的正确性。将模拟结果与试验值进行对比如图4所示。从对比结果看，当负载为100%，耗气量为13.5 m3·h-1时，输出功率试验值为40 kW，模拟值为41.3 kW，相对误差3.1%； 当负载为75%，耗气量为10.4 m3·h-1时，输出功率试验值为30 kW，模拟值为29.5 kW，相对误差1.7%； 当负载为50%，耗气量为8 m3·h-1时，输出功率试验值为20 kW，模拟值为20.2 kW，相对误差1%。误差均在合理范围内，因此，该计算模型是正确的，模拟值和试验值比较吻合，且机组的排气温度和排气背压也均在试验值范围内。

3 结果分析及讨论

在沼气内燃机中要求沼气燃料中甲烷体积分数超过50%，内燃机就可以正常工作，对于不同甲烷体积分数的沼气对整个系统的影响进行分析及讨论。模拟部分初始条件如下：环境温度298 K，大气压力1 bar，发动机满负载运行，甲烷体积分数在50%～100%时沼气燃料驱动发动机的情况作了分析研究。

图4 沼气发动机负荷特性曲线

图5和图6示出发动机的有效输出功率、扭矩、排气温度和流量随混合燃气中甲烷体积分数的变化情况。从图中可以看出，随着燃气中甲烷体积分数的增加，发动机的有效输出功率、扭矩、排气温度和流量均不断提高，有效输出功率由甲烷体积分数在50%时的15.5 kW上升到纯甲烷燃烧时的41.3 kW，有效输出扭矩提高了约3倍； 甲烷体积分数每升高10%，输出有效功率提高约5 kW，烟气温度提高约15℃，排气流量提高约4 g·s-1。

图5 甲烷体积分数对输出功率和扭矩的影响

将上述计算所得到的排烟温度和流量分别带入ORC计算模型中去，设定有机工质的蒸发压力为2.5 MPa； 膨胀机的等熵效率为0.85，机械效率为0.98； 冷凝器的有机工质压力为0.2 MPa； 循环泵的等熵效率为0.9。首先对不同甲烷体积分数的情况下有机工质流量与ORC净功率的关系作了一个敏感性分析。从图7可以看出在ORC净功率随着工质流量的增加而增加，而后在工质达到饱和状态后降低，这是由于饱和状态时焓值不变而在泵压缩过程所需功率增加导致整个ORC净功率降低。以90%甲烷体积分数为例，工质流量在达到65 g·s-1时，净功率达到最大的2.95 kW，此特性表明在ORC实际运用于发动机时，工质流量无需限制于某一数值，而是根据不同工况选择最佳数值。

图6 甲烷体积分数对排烟温度和流量的影响

图7 不同甲烷体积分数工质流量与ORC净功率关系

因此，通过模拟分析可得出在不同甲烷体积分数情况下的最佳有机工质流量，如表3所示。图8表示在最佳有机工质流量的情况下ORC输出功率和效率随燃气甲烷体积分数的变化情况，可见，随着甲烷体积分数的不断升高，ORC输出的功率也在不断增大，在纯甲烷的时候可达到最大的3.4 kW，其效率也基本稳定在17.1%左右。因此，应根据工质的特性，尽可能地充分利用烟气的余热，以提高系统的输出功率。

表3 不同甲烷体积分数下最佳有机工质流量

图8 烷体积分数对ORC输出功率和效率的影响

表4显示了燃气中甲烷体积分数对发动机效率和系统总发电效率的影响。从表中可以看出，发动机在增加了ORC余热利用系统以后，总发电效率得到了显著提高。因此，充分利用烟气的余热，有利于系统性能的提高。

表4 不同甲烷体积分数下发动机总热效率 (%)

4 结论

(1)使用GT-power软件建立了小功率沼气发电机组发动机的模型，通过对比模拟计算结果和试验数据，验证了该模型的正确性； 并且在此基础上，建立烟气余热回收系统。

(2)在发动机满负载的工况条件下，随着沼气中甲烷体积分数的增大，发动机的有效功率、热效率以及排烟温度和流量都明显增大，因此，应尽量采用提纯后或甲烷体积分数较高的沼气作为燃料； 在不同甲烷体积分数的工况下，ORC净功率随着有机工质流量的增加而增加，之后随着流量的增加而下降，存在一个最佳值，这为实际应用中不同工况下工质流量的选取提供了重要参考； 且随着燃气中甲烷体积分数的增大，ORC子系统的输出功率也相应增大，最高达到3.4 kW，烟气余热利用率为64.8%，联合循环动力系统的效率较现有内燃机动力系统效率提高了约7.6%。

[1] Dolz V, Novella R, García A, et al. HD Diesel engine equipped with a bottoming Rankine cycle as a waste heat recovery system. Part 1: Study and analysis of the waste heat energy[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 36: 269-278.

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[8] Yu G, Shu G, Tian H, et al. Simulation and thermodynamic analysis of a bottoming Organic Rankine Cycle (ORC) of diesel engine (DE)[J]. Energy, 2013, 51(1): 281-290.

Performance of Small Power Biogas Internal Combustion Engine Combined with Organic Rankine Cycle System /

WANG Chun-long1, 2, 3, ZHOU Zheng-qing1, 2, 3, LI Jin-ping1, 2, 3, WANG Qiu-gang1, 2, 3/

(1.Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2.Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China; 3.Collaborative Innovation Center of Key Technology for Northwest Low-carbon Urbanization, Lanzhou 730050，China)

In order to effectively utilize exhaust heat of the small power biogas internal combustion engine (ICE), an Organic Rankine Cycle system (ORC) has been built to recover exhaust heat using R245fa as working fluid. The ORC based ICE exhaust heat recovery model was developed by two independent sub-models including ICE model and ORC model, which were established in different software environments, The results showed that the numerical simulation values were preferably tallied with the experimental data, which verified the correctness of the model. Meanwhile this paper analyzed effects of R245fa mass flow rate on ORC net power at different CH4content, and with the volume fraction of methane gas increasing, the net power output of ORC system could reach up to 3.4kW and waste heat utilization rate was up to 64.8%. The thermal efficiency of the combined system was 36.7%, which increased by 7.6% comparing with the original engine.

biogas internal combustion engine; waste heat recovery; ORC system; numerical simulation

2015-12-03

项目来源： 国家“863”计划课题(2014AA052801)； 甘肃省杰出青年基金(2012GS05601)； 甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)

王春龙(1967-)，男，山东青岛人，研究员，主要从事先进可再生能源系统等方面的研究工作，E-mail:835661532@qq.com

周正清， E-mail：alericjoe@163.com

S216.4; TK11

B

1000-1166(2016)06-0072-05