发明内容

本发明的目的在于提供一种柴油发电机热电联供装置，以解决上述背景技术中提出的问题，通过该装置确保系统安全运行，控制烟气出口温度不小于140℃，防止对柴发烟囱的腐蚀；控制烟气换热器内烟气流速，延缓结垢，提高换热效率。控制烟气出口压力损失及环境温度，机组运行比采用标准风冷散热设备的机组省油。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种柴油发电机热电联供装置，包括包括柴油发电机、余热空调机组、中冷换热器与烟气换热器，所述柴油发电机分别与中冷换热器、烟气换热器连接，所述中冷换热器包括一组管壳换热器、二组管壳换热器和三组管壳换热器，所述中冷换热器通过一组管壳换热器、二组管壳换热器和三组管壳换热器分段式冷却，所述烟气换热器包括烟气进口、三组火管式管壳换热器和电动控制阀，所述三组火管式管壳换热器上设置有冷却液进口、冷却液出口、排污口，所述冷却液出口与所述中冷换热器连接，所述电动控制阀与所述三组火管式管壳换热器一侧连接，所述电动控制阀控制烟气在所述三组火管式换热器的流速，实现回收热量的调节，所述烟气换热器通过烟气旁通阀调节烟气量，所述余热空调机组与所述低温冷却液出口连接。

优选的，所述一组管壳换热器一侧设置有冷却液入口和低温冷却液出口，所述一组管壳换热器另一侧设置有冷空气出口，所述二组管壳换热器一侧设置有板交热源侧入口，所述二组管壳换热器另一侧设置有缸套水入口，所述三组管壳换热器一侧设置有板交热源侧出口，所述三组管壳换热器另一侧设置有热空气入口和缸套水出口，所述一组管壳换热器、二组管壳换热器和三组管壳换热器串联连接。

优选的，通过所述一组管壳换热器和二组管壳换热器将热空气入口的烟气由温度180～200℃冷却至90～100℃，通过所述三组管壳换热器件烟气温度由90～100℃冷却至冷空气出口温度30～40℃。

优选的，所述一组管壳换热器通过所述低温冷却液出口连接于余热空调机组，通过余热空调机组控制热量平衡将空调机房温度在33～35℃。

优选的，通过空调热量平衡公式完成对空调热量的平衡分析，所述平衡分析公式为：

余热空调机组供给侧热量来自涡轮增压热空气Q_RecoveryAir，将室外冷空气(T_OA)提升到余热空调机组出口温度T_Supply；

Q_RecoveryAir＝m_air·C_pair(T_Supply-T_OA) (1)

式中m_air：余热空调机组补风量kg/s

C_pair：空气比热，1.01kJ/kg·℃

余热空调机组负荷侧需消除机房内的发热量及维护结构得失热量，维持机房适宜的温度T_Room；柴发运行时机房内的发热量较大，维护结构热量可忽略，机房发热量主要是柴油发动机的辐射热量及发电机的对流散热之和Q_Genearator。

Q_Genearator＝m_air·C_pair(T_Room-T_Supply) (2)

上述二式(1)(2)联立，可得余热空调机组补风量：

m_air＝(Q_Genearator+Q_RecoveryAir)/[C_pair(T_Room-T_OA)] (3)

上式中C_pair约等于1，公式(3)可简化

m_air＝Q/△T (4)

Q＝Q_Genearator+Q_RecoveryAir

△T＝T_Room-T_OA

Q为柴油发电机辐射及部分涡轮增压热空气发热量，与柴油发电机发电量成正比；式(4)可见柴油发电机补风量与余热空调机组发电量成正比，与室内外温差成反比；通过改变风量m_air维持柴油发电机房适宜的温度和柴发涡轮增压进气降温。

优选的，所述烟气换热器通过电动控制阀和烟气旁通阀进行冷却液出水温度上限和烟气出口温度下限、烟气在换热器内流速及最大压损的控制，实现烟气换热器长时间高效运行，高效运行控制公式为：

Q_{RecoveryExhaust}＝m_Exhaust·C_pExhaust(T_Exhaust-T_Finalgas) (5)

式中Q_{RecoveryExhaust}：烟气换热器换热量(kW)

m_Exhaust：烟气质量流量kg/s

C_pExhaust：烟气比热，1.05kJ/kg·℃

T_Exhaust：柴油发电机出口烟气温度，℃

T_Finalgas：烟气换热器出口烟气温度，℃

烟气换热器为逆流式换热器

Q_{RecoveryExhaust}＝ε·m_Exhaust·C_pExhaust(T_Exhaust-T_Waterin) (6)

式中T_Waterin：烟气换热器入口冷却液温度(℃)

ε：烟气换气器效率

联立公式(5)及(6)可得；

T_Exhaust-T_Finalgas＝ε(T_Exhaust-T_Waterin) (7)

T_Finalgas＝(1-ε)·(T_Exhaust-ε·T_Waterin) (8)

烟气换热器的烟气出口温度T_Finalgas控制在140℃以上，减少对烟囱的腐蚀；柴油发电机部分负荷运行时,烟气出口温度T_Exhaust降低，T_Waterin相对稳定，通过(8)式能够得，部分负荷时烟气换热器的ε减小才能实现部分负荷时T_Exhaust降低的同时，维持烟气出口温度T_Finalgas的相对稳定；

ε＝{1-exp[-NTU(1-Rc)]}/{1-Rc.exp[-NTU(1-Rc)]} (9)

式中：Rc＝m_Exhaust·C_pExhaust/m_Water·C_pWater，

NTU＝UA/m_Exhaust·C_pExhaust (10)

由于Rc偏小，(9)式可近似表达为：

ε＝1-exp(-NTU) (11)

柴油发电机部分负荷时烟气质量m_Exhaust减小，(m_Exhaust减小时U值会略变小，但变化幅度远小于m_Exhaust的减小幅度)，从式(10)可见，柴发低负荷运行时NTU增大；从式(11)可知,ε增大随着NTU的增大而增大；综合式(10)、(11)可得，柴油发电机在冷却液工况(壳程)不变的情况下，随着发电量的降低，烟气温度及烟气量减少，总的换热量减少的同时换热效率ε提高，从而导致烟气出口温度降低；通过改变换热面积A，能够实现在低负荷运行时降低NTU从而降低烟气换热器的换热效率，提高换热器出口烟气温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用分段式中冷换热器回收高温高压涡轮增压进气的热量，负荷侧分高温段和低温段，其中高温段的缸套水和二次侧板式换热器热源侧直接混合，柴油发电机的缸套水热量和涡轮进气热量通过直接混合和管壳换热传递给二次侧板式换热器的热源侧。经过高温段后涡轮进气温度不能满足设计要求，进一步通过柴油发电机房预热空调机组与中冷器低温段的串联，实现了低温冷空气的预热及涡轮进气的进一步冷却。

2)中冷换热器的控制关键是低温段，通过预热空调机组变风量调节实现低温段换热量的变化，从而实现柴油发电机房补充空气的温度调节以及涡轮进气温度的调节。预热空调机组风量与柴油发电机发电量成正比，与室内外温差成反比，维持室内适宜的温度有利于机组高效运行。为此，通过室内温度变频控制空调机组风量，设定最低频率维持机组正常工作所需的最小风量，当风量达到最大，室内温度超过设定温度时，维持最大风量。当最低风量时，室内温度低于设定温度，补风再热后送入柴油发电机房。涡轮增压经过中冷器热回收后的出口温度应设定最低值，一般情况下不低于室内温度T_Room，当室外温度特别低时，改变旁通阀开启度，调节经过预热空调机组盘管的热媒流量，维持进气温度在适宜的范围。

3)机房内采用置换通风，让补充的冷空气吹向电球，柴油发电机的电球部分低温有利于发电机效率的提高。

4)解决烟气换热器的积灰问题是烟气回热器稳定运行的关键，一般的烟气换热器采用水管式管壳换热器，烟气在壳程，换热面积较火管式换热器大，但烟气在换热器内流速低，特别是在低负荷时积烟现象严重，经过20天左右，换热效率降低50％，且不易清理，经过几个月的运行，烟气换热器换热效率非常低，烟气换热器无法正常运行。为此，采用火管式烟气换热器，部分负荷时通过分组换热器烟气阀调节运行的换热器组数，从而改变烟气换热器的换热面积，保证在柴油发电机运行范围内的烟气流速及换热器整体效率，烟气出口温度控制在140℃以上，不同发电量运行时兼顾热回收效率与安全运行。

5)烟气换热器的自清洁、吹扫运行模式是保证烟气换热器减少积灰积烟的有效措施。每日定时开启3分钟高速烟气冲洗，此时只有一组换热器运行，其他二组换热器的烟气阀关闭，原先通过三组换热器的高温烟气全部通过一组换热器，烟气流速可达正常运行的三倍，高速烟气可将积聚在换热管内表面的浮灰吹走，相当于压缩空气吹扫的效果，可保证烟气换热器的污垢始终保持在低水平，保证烟气换热器的换热效果。工程实践中柴油发电机运行一年，烟气换热器换热量降低约15％，保持烟气流速和清洁吹扫起了很大作用。

6)烟气换热器两侧设有法兰片，方便日后拆开清洗。每组换热器可在半天内完成清洗。