燃气内燃机排气流量和排气能量估算方法
2019-08-13童航李国敏王宝玉阮慧锋孙亮
童航，李国敏，王宝玉，阮慧锋，孙亮
(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)
0 引言
天然气分布式能源具有综合能效高、清洁环保、就近供应等优点，近年来，随着人们节能环保意识的不断增强，以燃气内燃机为原动机的分布式能源得到越来越多的应用。燃气内燃机排气流量和排气能量是污染物排放总量统计和余热利用设备(溴化锂吸收式制冷机、余热锅炉等)能效测试过程中的关键参数。
ASME PTC4.4—2008 和 ASME PTC22—2005标准介绍了燃气轮机热平衡和余热锅炉热平衡两种估算燃气轮机排气流量的方法，通过联立燃气轮机或余热锅炉物质守恒和能量守恒方程，解出过量空气系数，进而求出排气流量和排气成分。但该方法计算过程复杂，计算结果的准确度受余热锅炉散热损失和燃气轮机各项损失(发电机损失、传动装置损失、固定损失等)的预估精度影响较大[1-5]。
本文根据元素守恒原理，对天然气在内燃机中的燃烧过程进行简化，提出了碳平衡法和氧平衡法两种燃气内燃机排气流量和排气能量估算方法。
1 理想燃烧过程
天然气是一种多组分混合气体，主要成分为烷烃，其中甲烷占绝大多数，此外还含有H2S，CO2，N2，H2O(气态)以及Ar等惰性气体。假设天然气(Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6)和标准干空气Airdry(各组分摩尔分数为：x(N2)=78.084 0%，x(O2)=20.947 6%，x(Ar)=0.936 5%，x(CO2)=0.031 9%)在内燃机内完全燃烧，过量空气系数为1，空气和燃料中的N2，H2O(气态)以及Ar等惰性气体不发生化学反应，燃烧产物只有H2O(气态)和CO2，燃烧化学反应方程式可简化为
(1)
n1=x(CH4)+2x(C2H6)+3x(C3H8)+
4x(C4H10)+5x(C5H12)+6x(C6H14)+
x(CO2) ，
(2)
n2=4x(CH4)+6x(C2H6)+8x(C3H8)+
10x(C4H10)+12x(C5H12)+
14x(C6H14)+2x(H2O) ，
(3)
n3=2x(CO2)+x(H2O)+2x(O2) ，
(4)
n4=x(H2S) ，
(5)
n5=2x(N2) ，
(6)
n6=x(Ar) ，
(7)
式中：x(i)为天然气中组分i的摩尔分数。
2 实际燃烧过程
天然气在内燃机中的燃烧过程较为复杂，燃烧产物除了H2O(气态)和CO2之外，还有少量NO，NO2，SO2，SO3以及CO。实际燃烧过程中，天然气燃烧所需空气含有一定水分，并且过量空气系数一般在2左右。
由湿空气带入的水蒸气质量mH2O,in表示为
mH2O,in=mair,dry×d，
(8)
式中：mair,dry为干空气质量；d为空气含湿量，g/kg。
则湿空气质量mair,wet表示为
(9)
因此，当过量空气系数为α时，考虑入口空气中含湿量，则式(1)转化为
Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6+(α×nair)Airwet=c1H2O+
c2CO2+c3N2+c4SO2+c5Ar+c6O2
(10)
其中
(11)
(12)
(13)
c4=n4，
(14)
(15)
(16)
(17)
式中：nair为完全燃烧1摩尔天然气所需空气的摩尔数，可通过化验天然气成分并利用式(2)—(7)计算得出；Airwet为标准湿空气。
3 排气流量和排气能量计算
根据式(10)可以得出1摩尔天然气燃烧后烟气各成分干、湿基状态的摩尔分数，见表1。
表1 干、湿基状态下烟气各成分摩尔分数Tab.1 Molar ration of exhaust gas components in dry and wet base
烟气成分测量时，一般CO2采用红外法测量，O2采用顺磁法测量。烟气中水蒸气会吸收一部分红外辐射，对CO2测量结果产生正干扰，同时水蒸气作为逆磁性气体也会对O2测量产生负干扰。因此，烟气必须经冷凝干燥后才能进入烟气分析仪进行测量，得到的CO2和O2体积分数均为干基体积分数。
碳平衡法和氧平衡法是利用烟气分析仪测得CO2或O2的干基体积分数，代入表2计算得到CO2或O2的湿基体积分数，再代入式(11)—(17)，求出过量空气系数、排气流量和排气能量。
根据烟道的尺寸，按照GB 10184—2015《电站锅炉性能试验规程》附录B[6]介绍的网格法多次多点测量CO2或O2的体积分数(干基)，取算术平均值得到CO2或O2的干基体积分数，代入表1即可求出过量空气系数α和干、湿基状态下烟气各成分的摩尔分数。
燃气内燃机排气湿基质量流量
qm，out=qm，air,in+qm，fuel
(18)
式中：qm，air,in为入口空气质量流量；qm，fuel为天然气质量流量。
内燃机排气比焓等于其中各组分比焓的质量加
权平均，将某一组分的摩尔流量与对应组分的相对分子质量的乘积除以燃烧产物的总质量流量，即可求出燃烧产物各组分的质量分数。因此，内燃机排气比焓可表示为
hout=∑w(i)hTi，
(19)
式中：w(i)为排气中i组分的质量分数；hTi为排气中i组分在温度T下的比焓，可通过查表或Thermal-Build函数计算得出[7]。
内燃机排气能量Pout可表示为
Pout=hout×qm,out。
(20)
4 算例分析
某天然气分布式能源项目主机和余热利用设备分别为内燃机和烟气热水型溴化锂制冷机组，内燃机额定功率为3 300 kW。内燃机满负荷时，经网格法多次测量取平均值，测得内燃机排气中CO2体积分数为5.2%，O2体积分数为11.2%。天然气平均分子式为C1.039 3H3.997 4O0.031 8N0.023 2，天然气流量为830.69 m3/h(标态)，性能测试数据见表2，内燃机排气成分和排气比焓计算结果见表3。
表2 性能测试数据Tab.2 Performance test data
因此，采用氧平衡法计算得到内燃机排气流量为5 637.10 g/s，排气比焓为388.92 kJ/kg，排气能量为 2 192.39 kW；采用碳平衡法计算得到的内燃机排气流量为5 591.65 g/s，排气比焓为388.92 kJ/kg，排气能量为2 234.75 kW。
5 算例分析
5.1 大气湿度对结果的影响
上文算例中过量空气系数为2.185、含湿量为1.994 6 g/kg时，烟气中H2O的质量分数为6.86%，空气带入的H2O的质量分数为1.36%，对出口烟气而言，这部分H2O的质量分数仅为1.32%，占比相对较小，可以忽略，或使用设计值替代。
5.2 天然气不完全燃烧对结果的影响
天然气在燃烧过程中会有少量NOx(大部分为NO)和CO生成，内燃机排放的烟气中NOx的摩尔分数约为0.025%，CO的体积分数约为0.03%，对排气中O2和CO2的体积分数影响较小，可以忽略。
表3 碳平衡法和氧平衡法计算结果Tab.3 Results calculated by carbon balance method and oxygen balance method
5.3 CO2和O2测量精度对结果的影响
CO2和O2测量的精度直接决定排气流量和排气比焓的准确性，实际测量过程中内燃机负荷变化、烟气混合不均匀均会造成CO2和O2实测结果存在偏差。GB/T 8190.2—2011中7.4.3要求气体排放物体积分数测量的准确度为读数值的±5%。假定CO2和O2测量误差在读数值±5%范围内变化，采用碳平衡法和氧平衡法估算排气流量和排气能量的误差如图1、图2所示。在CO2和O2相对测量误差相同的情况下，采用碳平衡法估算的内燃机排气流量和排气能量比采用氧平衡法误差较小。
图1 CO2和O2测量相对误差对排气流量的影响
Fig.1 Influence on exhaust gas flow brought byrelative error of CO2and O2
5.4 天然气流量测量偏差对结果的影响
天然气流量测量偏差主要影响完全燃烧理论空气量，各燃烧产物的质量分数不变，可近似认为烟气比焓不变。因此，排气总比焓偏差正比于天然气流量测量偏差，且灵敏度系数为1。
图2 CO2和O2测量相对误差对排气能量的影响
Fig.2 Influence on exhaust gas energy broughtby relative error of CO2and O2
5.5 CH4测量误差对结果的影响
天然气平均分子式Cn1Hn2On3Sn4Nn5Arn6中n1，n2等系数由CH4等烷烃气体的摩尔分数或体积分数确定。天然气主要成分为CH4，CH4的测量误差对平均分子式影响最大。假定CH4的测量误差为1.0%，由图3可知，排气流量和排气能量的测量误差超过0.8%。
图3 CH4测量相对误差对排气流量及排气能量的影响
Fig.3 Influence of relative error of CH4onexhaust gas flow and energy
6 结论
(1)无论采用碳平衡法还是氧平衡法，均可较为准确地计算出内燃机排气流量和排气能量。
(2)排气流量和排气能量计算精度主要取决于烟气成分、天然气流量和CH4含量3个分量。
(3)在相同的烟气成分测量误差下，采用碳平衡法估算排气流量和排气能量的误差较氧平衡法小。因此在测量过程中应严格按照网格法多点测量，并应尽可能保持内燃机负荷波动稳定，测量管路密封良好，以提高测量精度。
