燃气内燃机分布式能源系统性能试验

国旭涛，韩高岩，刘 虎，茅建波

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

分布式能源系统(distributed energy system, DES)将中、小型能量转换利用设备分散安装在用户端，直接面对用户的能源需求，是集中式能源系统的有力补充。分布式能源系统具有以下特征：冷热电联供与多联产；能源梯级利用，综合利用效率高；接近负荷，大大减少线损；清洁环保；可提高能源供应安全性；对电网和天然气管网具有双重削峰填谷作用[1-4]。燃气冷热电分布式能源系统是天然气能源高效利用的最佳途径，已受到社会的广泛关注[5]。截止2015年底，我国天然气分布式能源项目约288个(包括已建和在建)，装机规模达1.112×107kW[6]。《天然气分布式能源示范项目实施细则》指出天然气分布式能源的综合能源利用效率需在70%以上，该效率指标已成为项目能否获得财政补贴的重要评判标准[7]。

天然气分布式能源系统的性能表现一直是学者研究的重点之一。文献[14]从热力学、经济性、环保性和综合性四个方面介绍了分布式能源系统的评价方法，并指出单一指标的分析方法都存在一定的局限性。文献[15]则通过对能源利用效率评价方法的总结和分析，提出了一种天然气分布式能源系统综合评价方法，包括能效技术指标、经济性指标和环境性指标。文献[16]指出原有分布式能源系统节能率计算中通常忽略可再生能源或者可再生能源缺少转化标准、计算方式简化单一，无法真正体现能源系统的节能效果。文献[17]通过计算机辅助测试系统采集运行数据，从而计算热力性能评价指标，虽然实现了数据的实时采集功能，但是关注的重点集中在联供系统与分供系统的CO2排量上，关注指标比较单一。

目前较多的研究仍集中在天然气分布式能源系统的性能分析方法比较和配置选型优化上，而对分布式能源系统机组的实际运行状况研究较少[18]。文献[19]参照ASME标准对天然气分布式能源系统中的原动机——燃气轮机的性能考核试验进行了概述，对一种天然气取样装置进行了性能试验现场应用，重点考察了燃气轮机的出力、热耗率以及排气温度等参数。文献[20]对天然气分布式能源热力系统性能评价的测试边界进行了论述，并总结了热力系统的一类特征测试参数。指出测量参数的不确定度和参数的不确定度均在相关规范中有说明，但是需要分析试验结果的不确定度。文献[21]对产业园天然气分布式能源系统的性能进行了测试，分析结果集中在效率、性能系数等热力性能，而对环保等指标关注较少。文献[22]研究了冷热电三联供系统燃机性能的影响因素，指出机组实际运行条件对机组性能影响较大。因此，不能仅凭铭牌参数考虑机组性能，需要经通过性能试验以了解机组的性能情况。

近来，国内新投运的天然气分布式能源系统较多，但对能源系统运行状况下的性能研究较少。同时，天然气分布式能源系统设备较多，涉及原动机、余热/冷吸收利用设备、蓄能设备等，其中还包含了能源的多级转换利用，整体性能受到多种因素影响。因此，为了更好地了解系统性能，有必要对能源系统进行性能测试。本文通过对某燃气分布式能源系统的性能测试，总结在现场中进行热力、环保等指标的系统性能测试方法，并分析讨论试验结果。

1 燃气分布式能源系统性能试验

1.1 试验装置

某医院采用天然气分布式能源系统为其供能，该能源站主要包括：1 台燃气内燃机组(GE能源颜巴赫燃气发动机公司)，2 台烟气热水补燃型溴化锂机组(以下简称“补燃溴化锂机组”)和1 台直燃型溴化锂机组(以下简称“直燃溴化锂机组”)，配套有冷热交换器系统、循环冷却水系统、补水系统、电气系统等。能源站主要设备的性能参数如表1所示。

表1 天然气封闭式能源系统主要设备性能参数

Table 1 Main equipment performance parameters of closed natural gas energy system

比较项目数值燃气内燃机额定功率/kW851发电效率/%>39隔音罩外噪音指标/dB80补燃溴化锂机组(供热工况)额定暖通供热量/kW1803制热性能参数(含主机电耗)>0.9直燃溴化锂机组(供热工况)直燃额定制热量/kW4652制热性能系数(含主机电耗)>0.9

市政天然气经过调压后进入燃气内燃机，在缸体内爆燃，转化成的机械能带动发电机发电。燃气内燃机排放的高温烟气和部分缸套水进入补燃溴化锂机组进行余热利用，或部分缸套水热量通过板换进行余热利用。当燃气内燃机负荷达到最大时，而补燃溴化锂机组供冷/热负荷仍无法满足需求时，机组的补燃系统就会开启，当补燃达到最大负荷仍无法满足冷/热需求时，可开启直燃溴化锂机组进行补充。能源站系统流程图如图1所示。

图1 能源站系统流程图

1.2 试验方案

性能试验是为了确定机组的出力、效率等性能参数是否达到合同保证值。由于试验工况和设计工况存在一定的差别，通常需要将试验所得的性能参数修正到设计工况下，然后与合同中的性能参数保证值进行比较。

1.2.1 基本参数

天然气分布式能源系统中涉及到天然气燃烧的化学反应，而空气作为助燃剂对燃烧效果存在影响[23-25]。因此，需要测量大气压力、环境空气温度、大气湿度等[22]。

(1) 使用英国Druck公司生产的大气压力表DPI740对大气压力进行测量，测量点位于内燃机安装处的周边空旷区域，且周围气流相对稳定，高度与内燃机轴心线处于同一水平线，每30 min记录1次，测量3次取平均值，量程0～350 kPa。

(2) 使用芬兰Vaisala公司生产的温湿度仪HM 41对环境空气温度、大气湿度进行测量，测量点位于内燃机安装处的周边空旷区域，每30 min记录1次，测量3次取平均值。

1.2.2 天然气流量及低位热值

天然气流量采用安装在各个用气机组总管的超声波流量计进行计量。在超声波流量计附近安装有热电阻和压力变送器测量天然气温度和压力。该超声波流量计在安装前应由制造商负责完成校验，并出具相应的校验报告，以确保测量的准确性和可靠性。天然气气质分析如表2所示。

表2 天然气气质分析结果

天然气的取样分析直接影响性能试验的准确性，对试验结果至关重要[19]。因此，需要尽可能地提高天然气分析结果的准确性。天然气真实体积发热量为

我国的商品天然气已脱水，其含水量低于0.3 g/m3(标准状态下)，远低于空气中的含水量，因此，通常对天然气中的含水量忽略不计。

1.2.3 设备状态

将燃气内燃机、直燃溴化锂机组、补燃溴化锂机组分别设定在目标功率，待其稳定运行后，测量输出功率、排烟成分，并记录天然气标准参比条件(101.325 kPa，293.15 K)[27]下的流量。取50%、75%和100%负荷率作为内燃机测试的试验工况。以上测量参数均每20 min测量1次，共记录5组数据。

1.2.4 设备环保相关参数

图2 氮氧化物取样点分布图

(1) 烟气大气污染物测量。对燃气内燃机脱硝后烟气、直燃溴化锂机组和补燃溴化锂机组的排放烟气进行污染物测量。在烟道周向开设有1 个试验用测量孔，采用网格法测量烟气中污染物浓度。取样点分布图如图2所示,图中长度数据的单位为mm。延烟道截面的直径方向布置4 个取样点。取样过程中，每次在取样点停留一段时间，保证仪器测量数据稳定后开始试验数据记录。试验过程中使用取样枪+干燥装置进行烟气前处理，同时缩短烟气取样管路，以减少烟气中水分等凝结对氮氧化物测量的影响。

(2) 对能源站边界进行噪音测量。根据GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》的方法测试能源站噪音：分别在昼间、夜间对能源站边界外1 m处进行测量，同时记录设备正常运行工况下的噪音与背景音。

2 试验结果与分析

虽然天然气流量计经过校验，可以保证数据的真实性，但是天然气流量数据对燃气内燃机、直燃溴化锂和补燃溴化锂性能参数的计算结果至关重要，因此，采用热平衡法验证天然气流量计及相关测试数据的准确性。

根据热力学第一定律，推导出机组热平衡偏差校核公式(3)，以此验证测量参数的准确性。

(3)

式中：Δ为热平衡偏差；qh为供电量或供热量，kW;qi为能源输入能量，kW；A为消耗电力，kW；qf为机组热损失，kW。

2.1 燃气内燃机性能分析

采用GB/T 21404—2008《内燃机发动机功率的确定和测量方法一般要求》中功率修正方法对试验工况下的内燃机机组出力进行修正，修正公式为

式中：Pr为ISO工况下功率，kW；αa为修正系数，0.96<αa<1.06；Py为试验工况下功率，kW；pr为总气压，kPa；py为试验工况下的总气压，kPa；φr为相对湿度；φy为试验工况下的相对湿度；psr为标准基准饱和蒸汽压力；psy为试验环境饱和蒸汽压力；Ty为试验工况下的空气温度℃；Tr为试验工况下的增压中冷介质温度，℃。这里ISO工况为：pr=100 kPa，Tr=298 K，φr=30%，Tcr=298 K。

燃气内燃机输入热量和输出热量情况如表3所示。燃气内燃机的输入能量包含天然气输入能量和带入显热、空气显热、燃气内燃机本体辅机做功带入热量；输出能量包含排烟热量、输出电功率、机组本体散热、缸套水带走热量、中温水带走热量和不完全燃烧损失。在热平衡法校验过程中，燃气内燃机辅机送入燃气内燃机功率根据相关设备铭牌数值取5 kW，忽略内燃机的排烟不完全燃烧损失。根据热平衡法校核计算结果，燃气内燃机的输入能量和输出能量的偏差值为1.14%<5%，验证了测量参数的准确性。

表3 燃气内燃机输入和输出能量

图3 燃气内燃机性能测试值

燃气内燃机分别在50%、75%和100%负荷率工况下的机组出力修正值和发电效率情况如图3所示。在3种负荷率工况下，内燃机的机组出力出现良好的线性变化，线性拟合方程相关系数为0.999 86。但是，内燃机发电效率在机组负荷率从75%升至100%的增加值比从50%升至75%的增加值提高了91.8%。内燃机在100%负荷率工况下，机组出力为851.4 kW，发电效率为39.63%，满足机组保证处理851 kW和发电效率保证值40%±1%。

2.2 直燃溴化锂机组性能分析

采用热平衡校验公式(3)对直燃溴化锂机组进行计算，机组的输入和输出能量偏差值为-19.86%<-5%。这表明，测量数据误差较大。因此，采用反向热平衡法计算机组供热能力和供热能效性能系数，性能系数计算公式如式(6)所示，直燃溴化锂机组输入和输出能量如表4所示。

(6)

式中：ηCOP1表示机组能效；Qpy为排烟损失功率，kW；Qsr为散热损失功率，kW；Qair为空气带入功率，kW；Qlow为天然气带入功率(按天然气低位热值计算)，kW；Qxr为天然气显热带入功率，kW；W为辅机带入功率，kW。

表4 直燃溴化锂机组输入和输出能量

考虑环境温度与湿度，以及冷温水温度、输入热量等因素对直燃溴化锂机组的性能参数进行修正。直燃溴化锂机组的性能测试值如表 5所示。通过反向热平衡法计算，直燃溴化锂机组的供热能力为4 427.32 kW，修正至设计工况下的供热能力为4 683.01 kW，已满足性能要求。

表5 直燃溴化锂机组的性能值

2.3 补燃溴化锂机组性能分析

根据式(3)对补燃溴化锂机组的输入能量和输出能量偏差进行校核，偏差值为1.64%<5%。这表明，可采用正向平衡法对补燃溴化锂机组进行供热能力和供热能效性能系数的计算，如式(7)所示，直燃溴化锂机组输入和输出能量如表6所示。

考虑环境温度与湿度，以及冷温水温度、输入热量等因素对补燃溴化锂机组的性能参数进行修正。补燃溴化锂机组的性能值如表7所示。经过修正，补燃溴化锂机组的性能系数为0.914>0.9，满足性能要求。

(7)

式中：ηCOP2表示机组能效；Qcool为冷温水输出热功率，kW；Qhot为生活热水输出热功率，kW。

表6 补燃溴化锂机组纯补燃工况

表7 补燃溴化锂机组的性能值

2.4 大气污染物排放测试

参考GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》，将实测的SO2、NOx的排放浓度经式(8)计算折合到3.5%干烟气O2基准下的浓度值。

(8)

式中：ρ为大气污染物基准氧含量排放质量浓度，mg/m3；ρ′为实测的大气污染物排放质量浓度，mg/m3；φ(O2)为基准氧含量，%，取3.5；φ′(O2)为实测的氧含量，%。

由于天然气中所含硫元素是烟气中SO2污染物的最主要来源，而根据表2中天然气气质分析结果可知，H2S是最主要的硫元素来源，但其含量极低。以天然气中H2S成分完全转化为SO2进行计算，然后折合到3.5%干烟气O2基准下的浓度值，结果如图 4所示。烟气中估算SO2排放浓度在0.30～0.36 mg/m3，远低于50 mg/m3的排放限值。

图4 不同机组SO2污染物排放情况

对燃气内燃机、直燃溴化锂和补燃溴化锂机组的NOx污染物排放浓度进行测量，并折算至3.5%干烟气O2基准下，结果如图5所示。经过烟气脱硝处理，烟气中NOx(3.5%@O2)排放浓度在92.5～118.3 mg/m3，低于200 mg/m3的限值。

图5 不同机组NOx污染物排放情况

2.5 噪音测试

能源站的噪音情况是重点关注的指标之一，将会影响周边用户的舒适度[28-29]。能源站主要噪声源包括：燃气内燃机、补燃溴化锂机组和直燃溴化锂机组、循环水泵等。对燃气内燃机周边1 m处和能源站边界外1 m处进行噪音测量，噪音较大处的结果如表8所示。通过对燃气内燃机安装隔音罩、厂界安装吸音墙面等噪音治理措施，能源站的噪音符合GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》中的相关要求。

表8 能源站噪音较大处测量情况

3 讨论

在性能试验过程中，发现一些问题，这里将分析几个重要问题并提出解决方案。

(1) 目前，虽然国内存在一些对天然气分布式能源系统单一设备的测试标准，但是尚缺乏针对天然气分布式能源系统性能测试的统一性标准。这样，无法对包含较多单一设备的能源系统进行有效、统一的测试评价。

(2) 出于对天然气输送的安全性考虑，无法在天然气管道上设置流量表计，只能采用厂家所提供的天然气流量计的数据，缺乏数据来源的可靠性与统一性。解决方案：在测试前，应验证天然气流量计的校核报告，以保证天然气流量计数据的准确性。

(3) 天然气气质分析报告中包含天然气成分分析以及高位发热量，实际计算过程中采用的是低位热值。解决方案：利用天然气气质分析报告中的成分分析，通过计算得到不同温度、不同压力条件下的天然气低位热值数据。

(4) 由于医院用户负荷的限制，无法对燃气内燃机和补燃溴化锂机组满负荷联合运行工况进行试验，因此，本文中缺少了一次能源利用率的考核。系统一次能源利用率是天然气分布式能源系统的重要指标，一次能源利用率高也是分布式能源系统得到广泛重视的主要原因之一[20]。解决方案：如需对分布式能源系统进行一次能源利用率、节能率等指标的测试，应提前了解用户负荷情况，采取旁通等方式尽量提高能源系统负荷率。

(5) 性能试验过程中所测量的数据较多，需要验证方法以保证计算的准确性。解决方案：采用热平衡校验方法对正反能量偏差进行校核。当正反能量偏差在±5%内时，说明测量数据真实可靠；当正反能量偏差小于-5%或大于5%时，说明应采用反向热平衡法进行计算。

(6) 对于重要环保性能参数——氮氧化物的取样测量，测量过程中缺少取样管路的保温，烟气中存在的水分由于温度降低从而凝结，会对测量结果造成一定的影响。解决方法：采用配有电加热的取样管路，以保证烟气取样过程中水分不凝结。

4 结论

天然气分布式能源系统比传统的能源利用方式更具有经济、技术、技能等方面的优势，但是能源系统也更加的复杂，所包含的机组设备也更多。因此，在测试过程中需要尽量保证数据的准确性，同时，也需要采用热平衡校验方法对数据进行校核，以确保数据的真实可靠。由于试验工况通常与机组设计工况存在一定的偏差，应通过影响因素将测量指标修正至设计工况条加下。

天然气分布式能源系统的性能考核试验是为了验证机组出力、效率等性能指标是否达到合同保证值，本文参照国家相关标准，结合工程实际，对某天然气分布式能源系统进行了性能考核试验，并针对测试过程中的问题，提出了针对性的解决方案和建议，对以后天然气分布式能源系统性能试验的开展具有指导性的重要参考价值。