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沼气发电机组、瓦斯发电机组、天然气发电机组—缸套水余热回收利用系统设计
发布时间：2025/12/1

近期有客户来访，提到沼气发电机组缸套水余热回收利用的问题，高温缸套水经板式热交换器可将部分热量回收加工成热水，供酒店、洗浴、餐饮等适用或冬季取暖、职工浴池。针对沼气发电机组、瓦斯发电机组、天然气发电机组、铁合金尾气发电机组、高炉尾气发电机组等燃气发电机组缸套水余热回收，做以下分析，仅供参考。

1.燃气余热回收介绍




燃气发电机的能量分配遵循热力学第一定律：燃料化学能 = 电能输出 ＋ 各项热损失。其中，烟气余热和缸套水余热是两大主要可回收热源。

🔥 燃气发电机能量分配比例（典型值）


能量去向 占燃料输入热值比例 温度/形式 可回收性
电能输出 35％~42％ ——

✅ 有用功

烟气余热 28％~32％ 550~650℃（排烟温度）

✅ 高品质，可产蒸汽

缸套水余热 24％~28％ 70~80℃（冷却水）

✅ 中温，适合制热水、供暖

润滑油散热＋辐射/摩擦损失 3％~6％ 80~100℃（油冷器）

⚠️一般忽略

✅ 总可回收余热 ≈ 52％ – 60％。

✅ 综合能源利用效率（电 ＋ 热）可达 85％ 以上。

🔥 缸套水可利用余热量计算示例


以发电功率为1000KW的柴发为例，
  • 发电效率按40％ → 燃料输入功率 = 1000 / 0.4 = 2500 kW
  • 缸套水热量 ≈ 26％ × 2500 = 650 kW

🔥 国华绿能缸套进出水温度值


厂商 缸套进水温度建议 缸套出水温度典型值

国华绿能

60–70℃

70–80℃





2.系统设计




 1、系统设计原理图 




如上图所示，柴发缸套冷却水循环系统（蓝色）由循环泵、空气散热器及循环管路组成，在原冷却水系统基础上，从柴发缸套出水总管上设置三通阀旁通接出一套余热利用回路（橙色）。



 2、系统设计要点 


① 缸套冷却水进水温度


冷却水温度与缸套壁温的关系：❗ 为什么冷却水温度要 ≥70℃？因为：冷却水温度决定了缸套内壁金属温度。


  • 燃气中含有 0.1％–0.5％ 的硫（S），硫酸（H₂SO₄）蒸气，当缸套壁温 < 140℃（具体值取决于燃料硫含量），就可能低于硫酸露点，导致 H₂SO₄ 冷凝，对柴发造成腐蚀。
  • 实验和工程经验表明：当冷却水进水温度 ≥70℃ 时，缸套内壁温度通常可维持在150℃以上，避免酸露点腐蚀。
  • 设计时，为安全起见，留有一定余量，本次按≥73℃考虑，为充分利用热媒，将旁通换热循环回水温度设计为70~74℃，则空气散热器出水温度应高于73℃，为安全考虑，可设定为78℃。

❗ 冷却水进水温度 <70℃ 的根本危害是：引发硫酸露点腐蚀 ＋ 燃烧恶化，是保护发动机本体安全的硬性边界条件。

② 冷却水循环泵的设置位置


一般安装在散热器出口、回缸套前（即由空气散热器冷却后的水由泵打回柴发缸套），这是为了保证泵入口为低温水（相对于缸套出水温度而言），延长水泵寿命，防止汽蚀。（高温水90℃＋，若直接进泵，易汽化，导致气蚀损坏。）



③ 旁通余热利用回水管接管位置


热回收回水应接入空气散热器出口与水泵入口之间的管段，与已经空气散热器冷却的水混合后再进入水泵。


  • 为什么不能直接回缸套？

回水温度可能仍较高，若直接回机，会导致缸套进水温度过高，发动机过热。


  • 为什么回散热器出口？

此处水温已由散热器降至78℃，加入70℃左右的热回收回水后，混合水温仍能满足发动机缸套进水温度要求。



④ 热回收支路流量设计


为保障冷却水系统的可靠性，保障柴发的安全运行，应采用主回路旁通的方式进行热回收，热回收作为“热量分流器”，应控制旁通支路的流量。


支路流量 ≤ 缸套总流量的 30~40％（通常热回收取热量不超过总废热的50％）。主回路仍保留完整散热器冷却能力，回水温度经混合后，缸套进水温度控制在 70~85℃ 范围内。


✅ 最终目标：


无论是否启用热回收，缸套进水温度始终维持在60–70℃安全窗口内。在设计缸套热回收系统时，必须将“防止水温过低”作为首要控制目标，通过温度监测、联锁阀门、智能调度等手段，确保柴发始终运行在安全热工窗口内。



⑤ 水泵是否变频


1）冷却水循环泵不应变频


冷却水流量不得低于额定值的90％，且不建议流量调节。变频可能存在的问题：变频降速 → 流量下降 → 冷却不均 → 严重时可能导致缸盖开裂。其流量应根据厂家样本或技术手册确定。


2）热回收循环泵可根据热回收系统规模设置变频


节能，不影响冷却水主回路的正常运行。水泵的额定流量可按40％冷却水循环总流量确定，水泵扬程应尽量匹配额定工况下的水头损失，避免水泵实际运行时存在较大偏差。水泵可根据换热流量大小设计工作泵台数，以提高水泵变频的节能效果。



⑥ 空气散热器是否变频


空气散热器的散热能力主要取决于通过散热芯体的风量，而风量由风扇转速决定，调节风扇转速，可控制散热器出水温度稳定。


空气散热器的风机可采用液压驱动 ＋ 电控比例阀（例如国华绿能），通过比例阀调节液压流量 → 控制风扇转速。



3.系统控制策略




 1、系统控制 


“温度反馈 ＋ 阀泵协同”


编号 安装位置 测量值 用途
T1 缸套出水总管 T1≈85~92℃（热源温度，监测目标，非控制目标） 用于计算可回收利用的热量，超温报警或停机。（例如92℃预警、95℃高温报警、98℃停机）
T2 热回收支路回水管（换热器出口） T2=70~74℃ 用于校验换热效果、联动调控电动三通阀及换热循环泵的变频
T3 缸套进水口（冷却水循环泵出口） 核心安全变量，目标73~82℃（相当于T2，优先级更高） 监测缸套实际进水温度、联动调控电动三通阀及换热循环泵的变频
T4 空气散热器出口 目标78℃ 辅助控制空气散热器风扇的变频运行
T5 容积式换热器中部（中下位置） 开阀温度55℃，关阀温度60℃ 用于控制换热器热媒进水电磁阀的开闭。电磁阀开启联动换热循环泵的控制。

🔸 T3是唯一决定是否允许热回收的“裁判”温度。



第一层：安全联锁（硬保护）

IF 柴发停机 OR 高温报警 OR T3 < 72℃ :

    - 关闭电动三通阀旁通支路（100％流向主冷却回路）

    - 停止换热循环泵

    - 强制空气散热器风扇全速开启



第二层：温度反馈主控（软调节）

采用 T3 作为主反馈信号，采用T2作为次级反馈信号，控制电动三通阀开度，泵频跟随阀位。


  • 目标在满足 T3=73℃~82℃ 的前提下，使T2=72~74℃，以便最大化热回收功率。
  • 逻辑

    1. 当末端用水点使用热水，容积式换热器水温降低，当水温降低至55℃时，即开启其热媒进水管电磁阀，当有一个电磁阀开启时，即连通开启电动三通阀至最大开度-45％（采用带机械限位的三通阀，控制程序限幅45％，机械限幅50％），并启动换热循环泵。
    2. 换热循环泵从低频启动，启动频率25Hz，变频范围25~50Hz。
    3. 实时监测 T3及T2，T3由电动三通阀的开度控制，T2由水泵变频控制：

      ✅ 核心原则：


      • 三通阀（慢动作）：当T3∉[74℃，79℃]时，三通阀即动作，每 15 秒 调节一次，应对 T3 漂移。
      • 换热泵（快动作）：当T2∉[71℃，73]，每 30秒 调节一次，维持 T2 稳定。当水泵频率当升高到50Hz时仍不能满足，则开启第二台泵，此时第一台泵降频、第二台泵升频，直到频率一致，如此往复。
      • 当 T3 ∈ [74℃， 79℃] 时，允许 T2 调节三通阀；  
      • 当 T3 < 74℃ 或 >79℃ 时，T2 不得调节阀门，仅维持泵频稳定。T3 异常时，立即降权或关闭 T2 控制。

    • 4.当末端用热需求减少、容积式换热器内的水温达到60℃，则关闭其热媒进水电磁阀，当所有电磁阀都关闭时，即联动停止热泵循环泵，并同时联动电动三通阀关闭旁通的换热循环支路。



 2、控制要点总结 


元件 控制策略 目的
电动三通阀 以缸套进水温度T3作为主反馈机制、PID调节三通阀开度 确保柴发热安全
变频换热泵 跟随阀门开度变频（目标优先满足T3，其次T2） 节能＋匹配热负荷
整体逻辑 安全优先→温度稳定→热回收最大化 平衡可靠性与经济性


改编：小编  原创聂文力（如有侵权，删）