引言随着我国经济的快速发展，能源缺口越来越大。生物质能的应用是缓解能源形势的方式之一，将生物质能之一的沼气耦合热电联产是分布式能源的常见运行方式[1-3]。生物质能主要以粪便、秸秆废弃物等为原料，使用生物质能可以缓解环境污染，减轻环保压力，使沼气得到更为充分的利用。通过将沼气转化为更高层次的电力能源，可以实现更高的社会经济性，故沼气热电联产是非常具有前景的可再生能源。通过发电机余热回收系统回收热能，为沼气工程酸化池、发酵塔、储气塔等单元进行补能增温，既有效保障了工程的稳定运行，提高了产气效率，又实现了热能的梯级利用，从而提高工程经济性。沼气发电机的余热利用组成主要有烟气的余热回收单元和缸套冷却水循环单元[4]。以沼气为燃料的热电联产机组能源利用率可以达到80%[5-7]，实现了能量的综合梯级利用。沼气热电联产系统总效率基于热力学第一定律，主要从“量”方面分析能源利用率，但热电联产系统主要产生电能与热能，在“质”方面存在较大差别，仅从“量”方面等量齐观存在问题，往往忽略“量”的差别，不利用能量综合应用和梯级利用[8]。目前沼气工程的余热利用系统的板式换热器、管壳式换热器的散热损失很小，似乎在“量”上无损失，因此，热量利用率和经济性均较高。但换热器是实现冷热流体传递热量的设备，即冷热流体间必然存在温差传热。由热力学第二定律可知，散热量基本忽略的情况下，换热器内仍存在冷热流体间温差传热引起的不可逆损失[9]，即能量“质”的降低。因此，沼气热电联产工程能量“质”与“量”的合理利用是优化设计面临的最大问题。以兰州某实际运行的沼气热电联产工程为例，运用分析法对机组余热利用系统进行分析。1余热回收系统简介及工质状态确定1.1系统简介兰州市红古区花庄镇的荷斯坦良种奶牛繁育中心在2005年10月完成沼气工程的主体工程建设，2006年8月26日两台发电机组调试成功，并开始运行。热电联产的沼气发电机组型号为cento T88 SPE B10，由捷克共和国的TEDOM公司设计，日产沼气1 200 m3，发酵工艺采用中温发酵(25~40 ℃)，发酵塔容积为1 200 m3，酸化池容积120 m3，日产沼液70 t。沼气发电机组余热回收利用方式为缸套水循环形成一次回路，二次循环水先和缸套水换热再与烟气换热，加热发酵塔和储气塔等，对能量实现量的回收，但在质上没有保证。机组余热回收系统[10]如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.F001图1机组余热回收系统注：1——板式换热器；2——管壳式换热器；PC-IN——缸套水进口温度；PC-OUT——缸套水出口温度；SC-IN——主循环水进口温度；SC-MT——主循环水通过板式换热器后的温度；SC-OUT——主循环水出口温度；E-XT——发动机排气温度；E-OUT——排放烟气温度。余热利用系统主要由缸套冷却水余热和烟气余热等两个部分组成。用于沼气池增温的主循环水依次通过板式换热器和管壳式换热器，分别与缸套冷却水和烟气进行换热。由于工程运行时间较长，换热器参数均在不同程度上有所降低，同时未考虑能量“质”的下降，且发酵塔内存在淤泥沉积、换热管附着杂质等问题，导致换热量不足，发酵温度受到影响，产气量低，可能形成恶性循环。机组余热使用策略存在问题，未考虑实际设备情况和用能需求[11]，无区别提供相同品质的热能，未遵循能的综合梯级利用原则，工程普遍存在能量“高品低用”现象，造成系统大量高品质热能损失，最终造成整个工程处于非正常工况下运行。1.2工质状态参数选取机组运行相对稳定的状态节点，确定2017年8月16日早上运行时主循环水温度互不相同的10组数据，进行对比分析。机组余热回收系统各部位运行温度如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T001表1机组余热回收系统各部位运行温度序号PC-INSC-INSC-OUTPC-OUTE-XTE-OUTEN167.047.767.071.152613618268.849.668.872.752713819369.650.669.873.552713919471.952.971.975.852813920573.554.873.777.452814122674.255.874.578.152714223774.256.174.877.952214328876.858.777.680.552314528978.760.779.282.8524146261078.961.579.482.852214626℃在机组运行过程中监测得到表1中的数据，烟气成分、烟气流量及主循环水温度SC-MT需要计算得到，计算时认为机组达到了稳定运行状态。选取另一组组数据进行分析，计算工质状态参数时，利用REFPROP来查询工质物性。机组运行温度取值如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T002表2机组运行温度取值序号PC-INSC-INSC-OUTPC-OUTE-XTE-OUTEN176.857.478.780.551614521276.857.678.480.551614521376.857.978.180.751614520476.857.677.680.551614520576.857.478.180.751614520℃1.2.1烟气成分及流量计算认为CH4充分燃烧，根据CH4和空气的反应计算烟气。CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2 (1)已知烟气中过量氧气为6.2%，可得：Qm1=ρ1Qvφ16×44+ρ2Qv(1-φ) (2)Qm2=2×ρ1Qvφ16×18 (3)Qm3=7.52×ρ1Qvφ16×28+qm4÷0.233×0.767 (4)Qm4=0.066(qm1+qm2+qm3) (5)式中：Qm1、Qm2、Qm3、Qm4——烟气中CO2、H2O、N2、O2的质量流量，kg/h；ρ1、ρ2——沼气中CH4、CO2的密度，kg/m3，沼气温度为25 ℃、压强为104.325 kPa；Qv——发电机组耗气量，取46 m3/h；φ——沼气中CH4体积分数，取53.8%，忽略沼气中的其他成分，沼气仅由CH4和CO2组成。计算烟气流量为468.06 kg/h，烟气中N2、CO2、H2O、O2含量为67.5%、18.3%、8.0%、6.2%。1.2.2工质进出口状态参数忽略缸套水和发动机排气的换热，板式换热器出口主循环水比焓hSC-MT为：hSC-MT=hSC-IN+qp(hPC-OUT-hPC-IN)qs (6)式中：hSC-IN、hSC-MT——板式换热器进、出口主循环水比焓，kJ/kg；hPC-IN、hPC-OUT——缸套冷却水进、出口比焓，kJ/kg；qp——缸套冷却水流量，取4 kg/s；qs——主循环水流量，取1.5 kg/s。通过hSC-MT计算其他状态参数。经过计算，两换热部件中换热工质状态参数如表3、表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T003表3系统工质平均状态参数参数板式换热器管壳式换热器热进冷进热出冷出热进冷进热出冷出温度/℃80.557.676.867.5516.067.5145.078.4压强/kPa170460120410103410103410流量/(kg/s)4.001.504.001.500.131.500.131.50比焓/(kJ/kg)337.21241.50321.64283.03—283.03—328.59比熵/[kJ/(kg·K)]1.0800.8001.0400.920—0.920—1.056注：“—”表示不需要此数据；下表同。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T004表4系统工质状态参数参数板式换热器管壳式换热器热进冷进热出冷出热进冷进热出冷出流量/(kg/s)4.001.504.001.500.131.500.131.50压强/kPa170460120410103410103410A组温度/℃70.347.766.458.1519.058.1136.067.0比焓/(kJ/kg)294.4200.1278.1243.6—243.6—280.8比熵/[kJ/(kg·K)]0.960.670.910.81—0.81—0.92B组温度/℃76.354.272.464.7522.064.7142.072.9比焓/(kJ/kg)319.6227.3303.2271.0—271.0—305.5比熵/[kJ/(kg·K)]1.030.760.980.89—0.89—0.99C组温度/℃80.558.776.868.7523.068.7145.077.6比焓/(kJ/kg)337.2246.1321.6287.7—287.7—325.2比熵/[kJ/(kg·K)]1.080.811.040.94—0.94—1.05D组温度/℃82.861.578.972.0522.072.0146.079.4比焓/(kJ/kg)346.9257.8330.5301.5—301.5—332.8比熵/[kJ/(kg·K)]1.110.851.060.98—0.98—1.072分析2.1及计算方法有效体现了沼气热电联产工程余热利用系统在环境条件下可转化为热量的最大值，工程中主循环水和烟气因具有热量而具备做功的能力，主循环水和烟气从初始状态经过余热利用系统变化至最终状态所能做出的最大有用功，为工质的物流[12]。工质的焓基本计算公式为：Ex,H=H-H0-T0(S-S0) (7)水为工质时：Ew,H,w=qwcw(Tw-T0-T0lnTwT0) (8)烟气工质时：Ew,H,ex=qex[cex(Tex-T0)-T0(cexlnTexT0-RglnPexP0)] (9)式中：Ex,H——工质的焓，kW；S、H——给定状态的工质的熵、焓，kW；S0、H0——环境状态的工质的熵、焓，kW；T0——环境温度，K；qw、qex——水和烟气的质量流量，kg/s；cw——水的比热容，取4.187 kJ/(kg·K)；cex——烟气的比热容，kJ/(kg·K)；Tw、Tex——水和烟气的温度，K；Rg——烟气气体常数，kJ/(kg·K)；Pex——烟气压强，取103.325 kPa；P0——大气压，取101.325 kPa。烟气比热容及气体常数按照理想气体混合物计算。c=∑ωici (10)Rg,eq=∑Rg,iωi (11)式中：c——烟气比热容，kJ/(kg·K)；ωi——烟气中第i组分的质量分数；ci——烟气中第i组分的比热容，kJ/(kg·K)；Rg,eq——烟气气体常数，kJ/(kg·K)；Rg,i——烟气中第i组分的气体常数，kJ/(kg·K)。2.2损失及效率换热器损失Ex为[13]：Ex=(Ex,H1-Ex,H2)+(Ex,L2-Ex,L1) (12)换热器的效率为：ηex=Ex,L2-Wx,L1Ex,H1-Ex,H2 (13)式中：Ex,L1、Ex,H2——冷流体进、出口焓，kW；Ex,H1、Ex,L2——热流体进、出口焓，kW。系统主要换热部件中工质的工质如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T005表5系统主要换热部件中工质的工质项目板式换热器管壳式换热器PC-OUTSC-INPC-INSC-MTE-XTSC-MTE-OUTSC-OUT工质/kJ90.1013.7674.7623.1131.2923.113.1931.403结果与分析3.1损失分别计算两个换热设备的损失。板式换热器损失为5.99 kW，管壳式换热器损失为19.81 kW。系统总损失为25.80 kW。主要换热部件损失分布如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.F002图2主要换热部件损失分布3.2效率分别计算两个换热器的效率，板式换热器的效率为61%，管壳式换热器的效率为29.5%。主要换热设备进出口工质及其变化如表6、表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T006表6主要换热设备进出口工质参数板式换热器管壳式换热器热进冷进热出冷出热进冷进热出冷出工质/kW90.1013.7674.7623.1131.2923.113.1931.4010.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.007.T007表7系统换热设备进出口工质变化序号板式换热器管壳式换热器热进冷进热出冷出热进冷进热出冷出172.69.063.116.332.016.52.923.1274.09.564.516.931.816.52.924.0376.210.166.117.531.917.62.924.9480.111.069.218.631.718.42.925.5578.510.968.118.131.418.22.925.3677.510.867.318.131.118.12.925.2764.68.154.214.230.214.12.719.9870.29.760.116.330.416.02.822.9982.312.170.120.130.620.12.926.31082.112.570.520.130.120.12.926.5kW4结语对兰州市红古区花庄镇荷斯坦良种奶牛繁育中心沼气热电联产工程进行分析，选取具有代表性的参数，计算其给定状态下的损失和效率，结论如下：（1）板式换热器损失为5.99 kW，管壳式换热器损失为19.81 kW，系统总损失为25.80 kW，管壳式换热器损失占总损失的77%。（2）板式换热器的效率为61%，管壳式换热器的效率为29.5%。（3）目前的沼气工程能量利用总效率虽然很高，但能量损失较大，效率低，表明工程用能供需不匹配，将能量不加区分地平均输送给各用能单元，未实现对余热回收能量的分级利用。荷斯坦良种奶牛繁育中心沼气热电联产工程是大中型沼气热电联产工程的缩影，大中型沼气热电联产工程可能存在能量利用率“量”高、“质”低的现象，具有较大的节能潜力。依据能量综合梯级利用的原则，制定合理的用能策略，优化余热利用的结构，推动能量依“质”分配，依“量”供给，可以有效保障能量的综合梯级利用，沼气热电联产工程效率在未来大中型沼气工程的建设中应当引起足够的重视，为沼气热电联产工程的设计和优化指明方向。