CN210422764U

CN210422764U - 热电联产燃气机组

Info

Publication number: CN210422764U
Application number: CN201921338702.5U
Authority: CN
Inventors: 唐行辉
Original assignee: Weichai Xigang New Energy Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Xigang New Energy Power Co Ltd
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2029-08-16

Abstract

本实用新型公开了一种热电联产燃气机组，包括燃气发动机、发电机和发动机ECU，燃气发动机上设有进气装置、排气装置、水冷循环装置和余热回收装置，排气装置上还连通有余热旁通装置，发动机ECU分别连接至进气装置、余热回收装置和余热旁通装置，发动机ECU还连接有主供电选择按钮和主供热选择按钮；一台热电联产燃气机组可实现主供热模式和主供电模式的切换，其中主供热模式以余热回收输出为主，电力输出为辅；主供电模式则以电能输出为主，热量输出为辅，且两者之间转换简单，通过主供电选择按钮或主供热选择按钮进行选择即可，客户可以根据自己的使用需要灵活控制，一键操作即可实现工作模式间的切换。

Description

热电联产燃气机组

技术领域

本实用新型涉及燃气机组设备技术领域，尤其涉及一种能够供电、供热转换的热电联产燃气机组。

背景技术

燃气发电机组以天然气、沼气等燃气为燃料，输出电能的发电设备。燃气发电机组在产生电能时会同时产生大量的余热，如机组循环水热量、排气热量以及中冷热量等，一般转化为电能的热量仅占燃气总热量的35％左右，而余热热量占燃气总热量的60％以上。目前使用的燃气发电机组目的在于利用其发出的电能，机组在运行时形成的大量余热尚无法利用，以全部散热浪费掉，造成了能源浪费，为了避免能源浪费，热电联产燃气机组应运而生。

热电联产燃气机组是以天然气、沼气等燃气为燃料，同时输出电能和余热热量的燃气机组。热电联产燃气机组还利用配套的余热回收装置，将机组产生的大部分余热进行最大化的回收利用，以获得更加大的经济效益。据相关资料显示热电联产燃气机组对燃料热量的综合利用率高达88％以上，综上得之燃气机组热电联产余热回收后，使燃气利用率大大提升，经济效益可观。

但目前市场上的热电联产燃气机组几乎统一为发电为主、余热回收为辅的配置方式，即以发出电能用于自用或者并入国家电网获利，而余热通过吸收后辅助供暖，或者与溴化锂机组配套使用，利用溴化锂机组辅助制冷，从而形成单一使用模式。这种单一模式在使用过程中存在明显的弊端，一是余热回收没有实现自动化控制，人工操作费时且具有烫伤的危险性；二是无法满足相当一部分用户对于供热需求大于供电需求的状况。且实际应用中，随着天然气阶梯价格的升高，利用热电联产天然气机组发电获利的空间急剧减小，其经济价值严重缩水。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可根据用户的使用要求，自动切换机组的供电或供热功能模式，提高机组操作灵活性的热电联产燃气机组。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：热电联产燃气机组，包括燃气发动机，所述燃气发动机的动力输出端传动连接有发电机，所述燃气发动机和所述发电机分别连接至发动机ECU，所述燃气发动机上设有进气装置、排气装置和水冷循环装置，还包括与所述进气装置、所述排气装置和所述水冷循环装置配合使用的余热回收装置，所述排气装置上还连通有余热旁通装置，在所述排气装置上所述余热回收装置和所述余热旁通装置并联设置，所述发动机ECU分别连接至所述进气装置、所述余热回收装置和所述余热旁通装置，所述发动机ECU还连接有主供电选择按钮和主供热选择按钮。

作为优选的技术方案，所述排气装置包括排气管，所述排气管上依次串接有烟气换热器和尾气处理器。

作为优选的技术方案，所述余热旁通装置包括连通在所述排气管与所述尾气处理器之间的余热旁通管，且所述余热旁通管的进气口位于所述烟气换热器的进气侧，所述余热旁通管上安装有余热电子旁通阀，所述余热电子旁通阀信号连接至所述发动机ECU。

作为优选的技术方案，所述进气装置包括进气管，所述进气管上沿气体输送方向依次串接有燃气进气阀、燃气增压器、中冷器和电子节气门，所述燃气进气阀和所述电子节气门分别信号连接至所述发动机ECU。

作为优选的技术方案，所述水冷循环装置包括串接在所述燃气发动机内的冷却水路上的循环水换热器。

作为优选的技术方案，所述余热回收装置包括分别与所述中冷器、所述烟气换热器和所述循环水换热器对应设置的余热回收换热管，相邻两所述余热回收换热管之间连接有余热回收串接管，所述余热回收换热管的冷媒输入端连接有余热回收进水管，所述余热回收换热管的热媒输出端连接有余热回收出水管，所述余热回收出水管上安装有温度传感器，所述温度传感器信号连接至所述发动机ECU。

由于采用了上述技术方案，热电联产燃气机组，包括燃气发动机，所述燃气发动机的动力输出端传动连接有发电机，所述燃气发动机和所述发电机分别连接至发动机ECU，所述燃气发动机上设有进气装置、排气装置和水冷循环装置，还包括与所述进气装置、所述排气装置和所述水冷循环装置配合使用的余热回收装置，所述排气装置上还连通有余热旁通装置，在所述排气装置上所述余热回收装置和所述余热旁通装置并联设置，所述发动机ECU分别连接至所述进气装置、所述余热回收装置和所述余热旁通装置，所述发动机ECU还连接有主供电选择按钮和主供热选择按钮；本实用新型的有益效果是：利用一台热电联产燃气机组可实现主供热模式和主供电模式的切换，其中主供热模式以余热回收输出为主，电力输出为辅；主供电模式则以电能输出为主，热量输出为辅，且两者之间转换简单，通过主供电选择按钮或主供热选择按钮进行选择即可，客户可以根据自己的使用需要灵活控制，一键操作即可实现工作模式间的切换。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例余热回收的简易结构原理图；

图中：1-燃气发动机；2-发电机；3-发动机ECU；4-点火装置；5-进气管；6-燃气进气阀；7-燃气增压器；8-中冷器；9-电子节气门；10-循环水换热器；11-排气管；12-烟气换热器；13-余热旁通管；14-余热电子旁通阀；15-机组余热输出端；16-机组冷媒输入端；17-余热回收换热管；18-余热回收串接管；19-余热回收进水管；20-余热回收出水管；21-温度传感器；22-主供电选择按钮；23-主供热选择按钮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1所示，热电联产燃气机组，包括燃气发动机1，所述燃气发动机1的动力输出端传动连接有发电机2，所述发电机2的电力输出端连接至电网或负载，用于向外输出电能。所述燃气发动机1和所述发电机2分别连接至发动机ECU3，所述发动机ECU3连接至所述燃气发动机1上的点火装置4，实现所述燃气发动机1的启动控制。所述燃气发动机1上设有进气装置、排气装置和水冷循环装置，还包括与所述进气装置、所述排气装置和所述水冷循环装置配合使用的余热回收装置，所述排气装置上还连通有余热旁通装置，在所述排气装置上所述余热回收装置和所述余热旁通装置并联设置，所述发动机ECU3分别连接至所述进气装置、所述余热回收装置和所述余热旁通装置，用于控制余热回收率。

具体地，所述进气装置包括进气管5，所述进气管5上沿气体输送方向依次串接有燃气进气阀6、燃气增压器7、中冷器8和电子节气门9，所述燃气进气阀6和所述电子节气门9分别信号连接至所述发动机ECU3，通过所述发动机ECU3可以控制所述燃气进气阀6开启或关闭，用于连通或截止所述发动机ECU3的燃气源，所述发动机ECU3还可以控制所述电子节气门9的开度，用以调整所述燃气发动机1的功率。所述余热回收装置与所述中冷器8配合，将所述燃气增压器7形成的高压高温气体内的部分热量回收；所述水冷循环装置包括串接在所述燃气发动机1内的冷却水路上的循环水换热器10，所述余热回收装置与所述循环水换热器10配合，用于将所述循环水换热器10内高温水的热量回收，同时实现循环水的降温冷却。所述进气管5的相关结构、所述水冷循环装置的具体结构及连接关系均等为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。

本实施例的所述排气装置包括排气管11，所述排气管11上依次串接有烟气换热器12和尾气处理器，所述余热旁通装置包括连通在所述排气管11与所述尾气处理器之间的余热旁通管13，且所述余热旁通管13的进气口位于所述烟气换热器12的进气侧，所述余热旁通管13上安装有余热电子旁通阀14，所述余热电子旁通阀14信号连接至所述发动机ECU3。所述余热回收装置与所述烟气换热器12配合，用于吸收所述燃气发动机1高温尾气中的热量。通过设置的所述余热旁通装置实现尾气中热量回收量的调整，使余热回收量可调可控，以满足不同客户、不同使用场合对热量使用量的要求。

在余热回收过程中，如果所述余热回收装置出水端的温度高于设定值时，所述发动机ECU3控制所述余热电子旁通阀14开启，通过所述余热旁通管13将所述燃气发动机1的部分高温尾气直接通过所述尾气处理器排出，减少进入所述烟气换热器12内的烟气量，从而降低所述烟气换热器12的换热效率，进而实现所述余热回收装置出水端温度的调整。图1中为了便于简化布局，将所述燃气发动机1中所述进气装置、所述排气装置和所述水冷循环装置过程中的热量输出进行了汇总显示，即图中机组余热输出端15和机组冷媒输入端16与所述余热回收装置配合，实现余热的回收利用。

结合体1和图2所示，具体地，所述余热回收装置包括分别与所述中冷器8、所述烟气换热器12和所述循环水换热器10对应设置的余热回收换热管17，相邻两所述余热回收换热管17之间连接有余热回收串接管18，所述余热回收换热管17的冷媒输入端连接有余热回收进水管19，所述余热回收换热管17的热媒输出端连接有余热回收出水管20，所述余热回收出水管20上安装有温度传感器21，所述温度传感器21信号连接至所述发动机ECU3，所述余热回收装置内的水流经所述中冷器8、所述烟气换热器12和所述循环水换热器10的顺序并不受附图2所显示内容的限定，根据所述燃气发动机1结构布局、安装空间等流经顺序可自行调整，所述发动机ECU3通过所述温度传感器21可以实时获知所述余热回收出水管20端的热水温度，用于与客户的设定值比较，从而根据客户需求调整所述余热回收装置的换热效率，以达到稳定输出热水温度的目的。

所述发动机ECU3还连接有主供电选择按钮22和主供热选择按钮23。当所述主供电选择按钮22按下，有信号输出至所述发动机ECU3时，所述燃气发动机1组工作在主供电模式，即以向外输出电能为主，输出热能为辅；当所述主供热选择按钮23按下，有信号输出至所述发动机ECU3时，所述燃气发动机1组工作在主供热模式，即以向外输出热能为主，输出电能为辅。

本实施例中主供电模式与主供热模式控制方法是在所述发动机ECU3的配合下完成的，具体包括以下步骤：

步骤一、台架试验

S_1-1、安装

将所述发动机ECU3、所述燃气发动机1和所述发电机2连接安装好，形成热电联产燃气发电机组。

S_1-2、主供电模式的试验

主供电模式为在满足机组运行正常且在安全裕度的范围内，机组在各功率状态下的电输出效率最高的状态，即相应功率下机组需要大点火角和大空燃比，使输出电效率最高。主供电模式需要机组尽量的输出电效率最高，以获得最大的电能效益，此时，需要在所述燃气发动机1的各运行功率中，需要采用较大的点火角和较大的空燃比，使燃气消耗率最低，即电效率最高。

设置所述燃气发动机1的试验功率变化梯度，所述试验功率变化梯度为40KW，按照设置的所述试验功率变化梯度，依次增加所述燃气发动机1的功率直至额定功率，试验中时刻观察所述燃气发动机1的缸压曲线和气耗仪数据，调整点火角以及空燃比，在避免所述燃气发动机1爆震的安全前提下，使所述燃气发动机1气耗率最低，即测试每个功率梯度点值下所述燃气发动机1对应的最佳点火角和最大空燃比，绘制所述主供电模式的点火角和空燃比的二维表格，存入所述发动机ECU3内。

以工作转速1500r/min，额定功率200kW的机组为例，在所述主供电模式下，所述燃气发动机点火角和空燃比的二维表格如表1所示。

表1

根据测试及经验，在主供电模式下机组运行时不同功率对应的最佳点火角a₁₁～a₁₆的取值在25°～35°之间，b₁₁～b₁₆的取值在1.4～1.7之间，具体参数需要根据不同的机型通过试验确定。

S_1-3、主供热模式的试验

主供热模式为在满足机组运行正常且在安全裕度的范围内，机组在各功率状态下的热输出效率最高的状态，即相应功率下机组需要小点火角和小空燃比，使输出热效率最高。所述主供热模式下以产生较多的余热为主，不再着重考虑发电效率，此时在保证机组各项指标在安全裕度范围的前提下，调整点火角和空燃比，使得机组排温相对升高，机组的中冷器释放热量、排气温度以及循环水温度升高，使得机组在同等功率下比所述主供电模式释放更多的余热。

按照设置的所述试验功率变化梯度，依次增加所述燃气发动机1的功率直至额定功率，试验中观察所述排气管11和所述燃气增压器7的排温不要超安全限值，测试每个功率梯度点值下所述燃气发动机1对应的最小点火角和最小空燃比，并绘制主供热模式的点火角和空燃比的二维表格，存入所述发动机ECU3内。

以工作转速1500r/min，额定功率200kW的机组为例，在所述主供热模式下，所述燃气发动机点火角和空燃比的二维表格如表2所示。

表2

根据测试及经验，在主供热模式下机组运行时不同功率对应的最佳点火角a₂₁～a₂₆的取值在15°～25°之间，b₂₁～b₂₆的取值在1.1～1.5之间，具体参数需要根据不同的机型通过试验确定。

步骤二、主供电模式的激活

S_2-1、按下所述主供电模式按钮，所述发动机ECU3检测到所述主供电模式按钮输送的激活信号后，调取内部预存的在S_1-2步骤形成的二维表格。

S_2-2、客户根据实际使用需要设定机组的目标功率值，并输送给所述发动机ECU3，所述发动机ECU3将接收到的所述目标功率值作为输入量，通过调节所述电子节气门9的开度，使机组的实际功率值与所述目标功率值一致。

所述发动机ECU3查询并调取在S_1-2步骤形成的二维表格中，与所述实际功率值或所述目标功率值相应的点火角参数和空燃比参数，并根据该点火角参数和该空燃比参数控制机组运行在最佳的燃气消耗率状态，使机组进入所述目标功率值下输出电效率最高的主供电模式，在此模式运行过程中，机组运行在最佳的燃气消耗率的状态，最终使得机组输出的电效率最高。

如果在此运行过程中，客户有余热回收利用需求，可以通过以下步骤实现：

S_2-3、在主供电模式中满足客户发电量需求的前提下，客户还有余热回收要求，通过所述发动机ECU3设定目标温度值，启动余热回收功能。在余热回收过程中，所述发动机ECU3实时读取所述温度传感器21的参数，获知所述余热回收装置的热水输出温度值，并且与所述目标温度值进行相应比对。

S_2-4、当所述余热回收装置的热水输出温度值小于或等于所述目标温度值时，所述发动机ECU3控制所述余热电子旁通阀14关闭，所述余热旁通管13截止，使所述燃气发动机1运行过程中所述中冷器8、所述烟气换热器12和所述循环水换热器10分别与相应的所述余热回收换热管17进行热交换，实现余热全部回收；上述工作状态下，所述余热回收装置的热水输出温度值还是小于所述目标温度值，客户需要增加额外的热源进行热量补充，如电加热等其它常规辅热方式。

S_2-5、当所述余热回收装置的热水输出温度值大于所述目标温度值时，所述发动机ECU3控制所述余热电子旁通阀14开启，通过所述余热旁通管13将所述排气管11内的一部分机组尾气直接输送至所述尾气处理器，降低所述烟气换热器12换热效率，直至所述余热回收装置的热水输出温度值与所述目标温度值一致。

通过上述步骤，最终使机组始终处于高效的发电状态，且能对余热吸收量进行调整，以满足客户对机组主供电模式的需求。

步骤三、主供热模式的激活

S_3-1、按下所述主供热模式按钮，所述发动机ECU3检测到所述主供热模式按钮输送的激活信号后，调取内部预存的在S_1-3步骤形成的二维表格。

S_3-2、客户根据热量实际需要情况设定目标温度值，并输送给所述发动机ECU3，所述发动机ECU3还实时读取所述温度传感器21的参数，获知所述余热回收装置热水输出端的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值之间的温度差值，所述发动机ECU3以计算的温度差值为基础对所述电子节气门9进行调整，实现机组的功率调整，所述发动机ECU3获知所述燃气发动机1的实际运行功率后，根据该实际运行功率调取并查询内部存储的S_1-3步骤形成的二维表格，并根据该表格中对应的点火角参数和空燃比参数，调整且控制机组在上述参数下运行的最佳燃气消耗率状态，使机组进入该功率下输出热效率最高的主供热模式。

在余热回收时，所述实际温度值与所述目标温度值会出现温度差值，可以以该温度差值为基础，通过调整所述电子节气门9来实现余热输出，具体方法为：

S_3-3、所述温度差值为负值时，则证明所述余热回收装置输出端的热量实际采集值温度偏低，所述发动机ECU3判断需要增加所述燃气发动机1的功率以获取更高的余热热量，所述发动机ECU3通过PID调节或其他调节方式将所述电子节气门9的开度增大，使所述燃气发动机1进气量增多，功率增大，余热量增加，减少所述实际温度值与所述目标温度值之间的差值，直至两者相等。

S_3-4、所述温度差值为正值时，则证明所述余热回收装置输出端的热量实际采集值温度偏高，所述发动机ECU3判断所述燃气发动机1需要降低功率，所述发动机ECU3通过PID调节或其他调节方式将所述电子节气门9的开度减小，使所述燃气发动机1进气量减少，功率降低，余热量减少，减少所述实际温度值与所述目标温度值之间的差值，直至两者相等。通过上述步骤，可实时调整机组运行的功率，来满足客户对余热能量的变化需求，实现余热的高效利用。

本实用新型利用一台热电联产燃气机组可实现主供热模式和主供电模式的切换，其中主供热模式以余热回收输出为主，电力输出为辅；主供电模式则以电能输出为主，热量输出为辅，且两者之间转换简单，通过主供电选择按钮或主供热选择按钮进行选择即可，客户可以根据自己的使用需要灵活控制，一键操作即可实现工作模式间的切换。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.热电联产燃气机组，包括燃气发动机，所述燃气发动机的动力输出端传动连接有发电机，所述燃气发动机和所述发电机分别连接至发动机ECU，所述燃气发动机上设有进气装置、排气装置和水冷循环装置，其特征在于：还包括与所述进气装置、所述排气装置和所述水冷循环装置配合使用的余热回收装置，所述排气装置上还连通有余热旁通装置，在所述排气装置上所述余热回收装置和所述余热旁通装置并联设置，所述发动机ECU分别连接至所述进气装置、所述余热回收装置和所述余热旁通装置，所述发动机ECU还连接有主供电选择按钮和主供热选择按钮。

2.如权利要求1所述的热电联产燃气机组，其特征在于：所述排气装置包括排气管，所述排气管上依次串接有烟气换热器和尾气处理器。

3.如权利要求2所述的热电联产燃气机组，其特征在于：所述余热旁通装置包括连通在所述排气管与所述尾气处理器之间的余热旁通管，且所述余热旁通管的进气口位于所述烟气换热器的进气侧，所述余热旁通管上安装有余热电子旁通阀，所述余热电子旁通阀信号连接至所述发动机ECU。

4.如权利要求3所述的热电联产燃气机组，其特征在于：所述进气装置包括进气管，所述进气管上沿气体输送方向依次串接有燃气进气阀、燃气增压器、中冷器和电子节气门，所述燃气进气阀和所述电子节气门分别信号连接至所述发动机ECU。

5.如权利要求4所述的热电联产燃气机组，其特征在于：所述水冷循环装置包括串接在所述燃气发动机内的冷却水路上的循环水换热器。

6.如权利要求5所述的热电联产燃气机组，其特征在于：所述余热回收装置包括分别与所述中冷器、所述烟气换热器和所述循环水换热器对应设置的余热回收换热管，相邻两所述余热回收换热管之间连接有余热回收串接管，所述余热回收换热管的冷媒输入端连接有余热回收进水管，所述余热回收换热管的热媒输出端连接有余热回收出水管，所述余热回收出水管上安装有温度传感器，所述温度传感器信号连接至所述发动机ECU。