燃气内燃机排气流量和排气能量估算方法

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。……