内燃机分布式冷热电联供技术应用及发展趋势
第３０卷，总第１７２期２０１２年３月，第２期
《节能技术》
ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡｌｌＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＶｏＬ３０．Ｓｕｎｌ．Ｎｏ．１７２
Ｍａｒ．２０１２．Ｎｏ．２
内燃机分布式冷热电联供技术应用及发展趋势
蒋润花坼，杨晓西１．一。杨敏林１，杨小平∽
（１．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５１０６４０；
２．东莞理工学院广东省分布式能源系统重点实验室，广东
东莞５２３８０８）
摘要：分布式冷热电联产技术符合“温度对口，梯级利用”的科学用能原则，是实现节能减排的重要途径。以内燃机为动力装置的冷热电联产系统在国内外已有一定的应用，但在单元技术和系统集成技术上仍处于较低水平，系统节能率较低。新一代内燃机分布式冷热电联产技术通过吸收式除湿技术、升温型热泵技术等对内燃机缸套水低温余热进行更为有效的利用，使系统节能率上升至２５％以上。本文介绍了内燃机分布式冷热电联产技术的研究现状和应用现状，对新一代内燃机分布式冷热电联产技术应用的发展趋势进行了系统分析。
关键词：分布式能源系统；内燃机冷热电联产系统；系统集成；低温余热
中图分类号：ＴＫ４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—６３３９（２０１２）０２一０１２７—０４
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收稿日期２０ｌｌ—ｌＯ—０４修订稿日期２０１２—０ｌ一仍
基金项目：９７３计划项目（ＮＯ２０ｌＯＣＢ２２７３０６）；８６３计划目标导向项目（ＮＯ
２００９从０５冱１８）。
作者简介：蒋澜花（１９科一），女。博士，助研，从事分布式能源系统的研究工作。
・１２７・
万方数据
Ｏ
引言
能源是人类用来维持生存活动的基础。随着社会经济的发展，人们对于能源的需求越来越大。现阶段，我国能源消费主要以煤炭为主，能源结构不合理，利用率不高，二氧化碳排放强度相对较高；应迅
速走向可持续的、与大自然和谐相处的发展模式，如
发展多类能源系统集成、利用可再生能源等¨吒。。分布式能源系统是美国于１９７８年颁布公共事业政策后正式开始推广建设，然后被其他先进国家接受，是直接面向用户提供各种形式能量的中小型终端供能系统，符合吴仲华先生提倡的“温度对口，梯级利用”科学用能原则，具有较高能源利用率、低能源成本、较高供能安全性以及更好的环保性能等优点而被推广。冷热电联产系统是分布式能源系统
中前景最为明朗，也是最具实用性和发展活力的系
统，直接面向用户，按用户需求提供电、冷、热以及生
活热水等，同时解决多重用能需求和实现多重供能目标‘３１。
目前，燃气轮机和内燃机是冷热电联产系统中
动力系统主要采用设备，ｌＭＷ以下冷热电联产系统，内燃机占据了绝对主导地位，对１—５Ｍｗ的冷热电联产系统，燃气轮机数量大约为内燃机的一半，但对于内燃机分布式冷热电联产系统的研究还处于起步阶段，当前多数只是对其布置形式及用途的分类或者具体案例性能的研究，研究还不够充分，特别是单元技术和系统集成技术，在我国的研究还处于较低水平。本文以内燃机分布式冷热电联产系统的集成技术一低品位热量利用的关键技术展开讨论，介绍内燃机分布式冷热电联产技术研究现状，对新一代内燃机分布式冷热电联产技术应用现状及发展趋势进行了系统分析。
１
内燃机分布式冷热电联产技术研究现状
内燃机分布式冷热电联产技术已在国内外得到一定程度的应用，目前继续处于快速发展的阶段，国内外有许多从事基于内燃机冷热电联产系统的研究。从现有的公开文献来看，当前有关冷热电联产
系统的研究大都是针对燃气轮机作原动机的研究，
而对于内燃机或者研究余热回收具体案例及简单的
经济性分析，或者只是针对联产系统进行热力学第
一定律的分析。
Ｍａｉｄｍｅｎｔ等基于内燃机使用吸收式制冷机的冷热电联产系统用于某超市进行了研究，该方案中压缩式制冷系统直接由内燃机带动，从而减少了
・１２８・
万方数据
功一电一功转化过程中的损失；内燃机排向外界的热量被回收，用于向超市提供热水ＨＪ。文献［５］给出一个典型的瓦锡兰燃气内燃机热电联产方案，较详细的分析了排气、冷却水、润滑油系统等各部分余热利用情况。该燃气内燃机发电效率为４５％，总效率为９３％。ＭｅｈｍｅｔＫａｎｏｇｌｕ等人对土耳其Ｂａｔｍ肌市的某内燃机发电系统进行了分析研究。该内燃机装机容量为１２０ＭＷ，燃料为重油，其排放污染物通过特殊装置进行处理。通过对内燃机电站系统中不同部件的质量、热量、温度、压力等性能参数的详细测量、估算，进行了整个内燃机电站的总能效率及当量效率的计算分析，结果分别为４７％和４４％【６Ｊ。
７蹦ｂｉ研究了内燃机冷热电联产系统中涡轮增压柴
油机和吸收式制冷机组的接口技术，并对系统性能的提高作了评估ｒ¨。上海交通大学建立的一个基于内燃机的微型冷热电联产系统，该系统回收缸套水和烟气余热，采用新型吸附式制冷机实现系统的
冷量供应博Ｊ。
内燃机分布式冷热电联产技术已在国内外得到一定程度的应用，目前继续处于快速发展的阶段。从现有的公开文献来看，当前有关冷热电联产系统的研究大都是针对燃气轮机作原动机的研究，或者是对于内燃机余热回收具体案例及简单的经济性分析，或者只是针对联产系统进行热力学第一定律的分析，而对于内燃机分布式冷热电联产技术基于能量品位、变工况的分析研究还比较少。
２内燃机分布式冷热电联产系统中低温余热利用
一般内燃机中的燃料燃烧放出来热量可以分为５个部分：转化为有用功的热量、冷却系统带走的热量、排气带走的热量、润滑油带走的热量以及其它散
热损失。燃料的热量除去转化为有用功的热量，其
余为余热，可回收的余热主要包括内燃机排气和缸套水（冷却系统）余热。
图ｌ为典型内燃机分布式冷热电联产系统流程图。如图所示，内燃机的可利用的余热包括：内燃机排气和内燃机缸套水。内燃机排出３５０—４５０℃烟气，这部分烟气余热可以满足供暖需求或提供生活热水，或可以通过驱动制冷机组将热量转化为冷量，以满足供冷需求。
工作时，气缸内的燃气温度高达２
０００—
２
５００℃，特别是直接与燃烧气体接触的缸盖、活塞、
缸套和气门等零件受热强烈，在发动机运转过程中，这些零件会因为工作温度太高导致材料强度下降或
图ｌ
典型内燃机分布式冷热电联产系统流程图
热疲劳破坏，从而影响发动机寿命及工作可靠性。因此，需要发动机冷却系统将受热部件所传导出来
的热及时带走，以保证发动机在最适宜温度范围工作，需要用缸套水对内燃机的内部部件进行循环冷
却。缸套水出口温度一般低于１００℃，这部分能量品位较低，但数量较大，随着缸套水排出的余热量占
输入燃料的３０％一４０％，可以用于提供生活热水，
或者驱动除湿装置及吸收式热泵。本文主要讨论对缸套水余热利用的关键技术：吸收式除湿技术和吸
收式热泵技术。
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图２液体吸收除湿装置系统流程
２．１吸收式除湿技术
适合于联产系统关键过程技术的研发是分布式供能技术研究的重要方面，美国能源部分布式能源计划及近年来的分布式供能系统工程示范工程中，液体吸收式除湿技术都是系统主要组成部分。近年
来，液体除湿技术在我国也有很快的发展。图２为ＵＣｌ液体吸收式除湿机技术的原理工艺流程图。吸收式除湿机的主要设备为：吸收除湿器３、浓溶液发
生器８、吸收器溶液冷却器５、发生器溶液加热器１０、溶液换热器６、主风机２与再生风机７，吸收器溶
液循环泵４、发生器溶液循环泵９。
图２中。吸收除湿器、吸收器溶液冷却换热器、
与主风机构成系统的常温除湿部分。在常温条件
下，待除湿空气通过主风机送人吸收器，在吸收器内，靠溶液吸收器对空气中水蒸气的强烈吸收作用，
使水蒸气转人液相，被吸收剂带出。由于吸收过程
万方数据
放出的大量热导致吸收液出口温度明显上升，吸收效果由于升温而减弱。为保证吸收在一定温度下继
续进行，通过溶液冷却器将吸收液冷却到入口温度
进行循环吸收操作。为了维持一定的吸收液浓度，
一部分溶液通过溶液换热器被送往发生器进行脱水再生。浓溶液发生器、发生器溶液加热器与再生风机构成系统的高温再生部分。吸收液通过溶液加热
器使温度升高，饱和蒸汽压上升。继续将升温后的
吸收液送入发生器，并通过再生风机送入湿度低于
吸收液饱和蒸汽压的再生空气，于是在发生器中吸
收液的水分被蒸发。由于蒸发作用及与空气的换热
作用，吸收液出口温度降低明显，不能保证蒸发过程
的有效进行，需要通过溶液加热器加热循环溶液。浓溶液与除湿后的吸收液混合后，一部分通过溶液
换热器被送往吸收器供进行脱水再生，一部分被送往吸收器供吸收除湿部分使用。
系统的效益体现在空气的除湿（甚至降温），代
价是要消耗一定量的热（根据情况可以是蒸汽，也可以是余热），还要消耗一定量的冷（根据情况可以是冷水，也可以是冷却水或空气）。利用内燃机缸
套水的低温余热，驱动吸收式除湿机，为吸收式除湿机中的发生器再加热器提供热源，以替代空调制冷
的除湿负荷，达到节能的目的归Ｊ。２．２升温型热泵技术
另一种低温余热利用的关键技术是升温型吸收式热泵，也叫第二类吸收式热泵，第二类吸收式热
泵，也称升温型热泵，是利用大量的中温热源产生少量的高温有用热能。即用中低温热能驱动，利用大量中温热源和低温热源的热势差，制取热量少于
但温度高于中温热源的热量，将部分中低热能转移
到更高温位，从而提高了热源的利用品位。第二类吸收式热泵性能系数总是小于ｌ，一般为０．４～０．５。它不需要高温热源驱动，可以回收６０—１００℃的低品位热量，最高可以提供１５０℃左右的热量。对于
单效升温型热泵ＣＤ尸一般可以达到０．４５。该技术特别适合有较多低温余热，同时有蒸汽需要的场合。
升温型热泵其原理与吸收式制冷机组的原理相
同，主要组成部分也包括冷凝器、蒸发器、吸收器、溶
液热交换器和发生器，基本循环流程如图３。蒸发器中的冷媒剂吸收外界大量的中间废热，气化成为冷媒蒸汽。进入吸收器，被来自溶液热交换器的浓溶度的吸收剂吸收，放出热量并形成稀溶液；稀溶液通过溶液泵加压，送入发生器，外界热源加热，产生
冷媒蒸汽，形成浓溶液，完成吸收剂再生过程。产生
的冷媒蒸汽进入冷凝器被冷凝为液体，放出热量，通
・１２９・
过节流阀降压进入蒸发器，进入下一级循环‘１们。图３升温型吸收式热泵工作原理
整个热泵系统中，蒸发器和发生器吸收外界热量，而吸收器和冷凝器对外界放出热量。冷媒剂在
蒸发器中蒸发可以吸收环境热量，发生器由外界热源驱动，考虑采用内燃机缸套水为驱动热源，使内燃
机联产系统的热量得到更好的利用，提高了联产系统总能利用率，具有更好的节能效果。
３
内燃机分布式冷热电联产系统在我国的
应用现状及发展趋势
改革开放以来，我国经济飞速发展，电力行业也
处于快速发展。但随着经济的快速发展，我国电力
增长远远落后于电力需要的增长，电网供电日趋紧
张，部分地区已出现严重缺电的现象，特别是在炎热
的夏季，已采取拉闸限电措施，如长江三角洲、珠江三角洲以及华北地区，因此，近年，分布式能源系统在我国引起广泛的关注及应用。目前，我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已逐步进入实质性开发实施阶段，在北京、上海和广州等大城市的居民
小区、商城楼宇、大学城都有一批热、电、冷联产示范工程投运，而基于内燃机冷热电联供系统占有很大一部分比例。如北京市燃气集团监控中心采用以天然气为燃料的燃气内燃机三联产系统以满足建筑面
积为３２
０００
ｍ２大楼的用电、采暖和空调的需要。该
系统选用两台进口的额定功率分别为４８０ｋＷ、
７２５ｋＷ的燃气内燃机发电机组，ｌ台ｌ１６３ｋＷ、ｌ台２
３２６ｋｗ的余热直燃型溴化锂制冷机组。广东铝
业集团采用ｌ台７２５ｋＷ的重油内燃机，１台Ｂｚ２００
型余热直燃型溴化锂制冷机组。
目前珠江三角洲和长江三角洲等沿海地区采用
的是数万台简单的自备发电机组，普遍技术落后，能源利用率只有３０％左右，而内燃机分布式冷热电联
供系统具有投资成本低、启动快、运行可靠性好、变
工况运行效率高、适用不同能源需求（特别是紧急或备用发电）等优点，如果采用内燃机冷热电联供
系统，能源利用率可达到７５％以上，特别是通过对
内燃机缸套水低温余热利用技术的开发，节能率达
・１３０・
万方数据
到２５％以上，节能减排，在我国将具有更广阔的市
场‘１１’１３】。
４结论
目前对于内燃机分布式冷热电联供系统研究还处于起步阶段，特别是在系统集成、变工况等方面；内燃机缸套水余热占燃料热值很大一部分，大约三分之一左右，因此开展低温余热利用的关键技术具
有重要意义，如吸收式除湿技术和吸收式热泵技术；通过对内燃机分布式冷热电联供系统性能与应用技术方面的研究，有助于改善内燃机能源利用状况，提高我国内燃机分布式冷热电联供技术的节能水平，促进分布式供能技术推广和应用，从而推进工业节
能过程和建筑节能进程。
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内燃机分布式冷热电联供技术应用及发展趋势
作者：作者单位：
蒋润花， 杨晓西， 杨敏林， 杨小平， JIANG Run-hua， YANG Xiao-xi， YANG Min-lin， YANG Xiao-ping
蒋润花,杨晓西,杨小平,JIANG Run-hua,YANG Xiao-xi,YANG Xiao-ping(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510640;东莞理工学院广东省分布式能源系统重点实验室,广东 东莞523808) ， 杨敏林,YANG Min-lin(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,510640)
节能技术
Energy Conservation Technology2012,30(2)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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