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为了提高天然气分布式热电联供系统余热利用效率,并为工程应用提供可靠技术参考,针对目前天然气热电（冷）联供技术研究多见于理论分析而少有应用实践研究的现状,自主搭建基于20kW天然气内燃机、烟气余热回收和缸套水余热回收的热电联供系统实验平台,测试了实验系统的热力学参数,分析了实验系统性能以及变工况特性,实验研究了20kW实验系统NOx排放特性,并以20kW实验系统为例分析了技术经济指标。本文设计的20kW天然气内燃机热电联供系统采用烟气-水换热器和暖风器组合方式回收烟气余热和水循环供热方式回收缸套水余热的创新性技术,既可以深度回收烟气余热,又可以高效回收缸套水余热,并可以资源化回收凝结水。针对20kW天然气热电联供系统进行缸套水余热回收性能、烟气余热回收性能、一次能源利用率、凝结水回收性能及变工况特性等的研究,结果表明:在额定工况下,实验系统缸套水余热回收热量为23.14kW,烟气余热回收热量为26.45kW,一次能源利用率为85.3%,相比于未采用烟气深度回收、循环水供热技术的热电联供系统,一次能源利用率提高13.7%,回收烟气中水蒸气的60%左右,凝结水回收量为8.97kg/h;随天然气内燃机组负荷的降低,排气温度和排气量线性下降,发电效率、缸套水余热利用率及烟气余热利用率均降低,一次能源利用率和相对节能率也随负荷的降低而降低。采用国家标准规定的氮氧化物化学测量法-盐酸萘乙二胺分光光度法对实验系统NOx排放特性进行实验研究,该方法测量更准确,结果表明:天然气内燃机从额定负荷降到50%额定负荷,NOx排放量几乎成线性降低,在无任何尾气处理装置情况下,天然气内燃机组额定工况NOx排放量为82.7mg/m3（5%O2）。最后对20kW天然气热电联供系统进行了经济性分析,计算结果表明:实验系统总供暖面积817m2,其中热水供暖面积752m2,热空气供暖面积65m2;初投资6万元,投资回收期8.7a;此外,以华北地区采暖期为5个月的某100m2住宅为例,只考虑燃料消耗费用的情况下,对燃煤锅炉、燃气锅炉、天然气热电联供三种不同供暖方式进行采暖费用分析,天然气热电联供系统采暖费用是燃气锅炉采暖费用的1/3左右、是燃煤锅炉采暖费用1/2左右。