一、前言

 

  隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快及生活水平的提高，能源消耗日益增加，同時造成的負(fù)面影響是環(huán)境污染的加劇與能源危機(jī)的出現(xiàn)，燃燒柴油和汽油造成了石油資源的嚴(yán)重短缺，同時每年向大氣中排放一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锛s1.5億噸，占大氣中同類污染物的55％以上。在石油資源日益短缺的情況下，尋找代用能源成為當(dāng)前的主要任務(wù)，目前得到普遍認(rèn)可的代用燃料是以天然氣為主的可燃性氣體燃料。

 

  天然氣是地球上最豐富的燃料之一，國外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)言，天然氣將在２１世紀(jì)取代石油，成為第二大能源。同時，天然氣也是發(fā)動機(jī)的優(yōu)質(zhì)燃料，它對發(fā)動機(jī)潤滑油品質(zhì)破壞性小，燃燒更充分，燃燒室內(nèi)沒有積炭和膠質(zhì)，因而可延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用。氣體燃料發(fā)動機(jī)的排放指標(biāo)優(yōu)于汽油機(jī)和柴油機(jī)，同時燃?xì)獍l(fā)動機(jī)排出廢氣中顆粒排放物極少，對大氣污染程度小，能滿足國內(nèi)的發(fā)動機(jī)排放要求，有較好的環(huán)保效果。

 

  二十年來，天然氣發(fā)動機(jī)等產(chǎn)品在國外得到了廣泛的應(yīng)用，美國的瓦克夏、庫柏、英國的帕金斯、德國的道依茨、MTU、芬蘭的紐錫蘭等大型發(fā)動機(jī)制造廠紛紛將燃?xì)鈾C(jī)的研制作為主要策略，并有部分產(chǎn)品打入了中國市場。勝利油田勝利動力機(jī)械有限公司自1985年研制單缸天然氣發(fā)動機(jī)以來的，目前190系列天然氣發(fā)動機(jī)有五大品種、近20個機(jī)型，功率范圍25?kW～550?kW；其配套發(fā)電機(jī)組達(dá)20余種機(jī)型，功率范圍24?kW～500?kW，構(gòu)成了較為齊全的190系列天然氣發(fā)動機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品。近兩年又相繼開發(fā)研制成功了1000kW、2000kW天然氣發(fā)電機(jī)組及120系列風(fēng)冷燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。

 

  目前，我公司的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組已在國內(nèi)組建了三十余個電站，通過用戶使用表明，天然氣發(fā)動機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)組可有效地利用天然氣、石油伴生氣等資源，并且排放指標(biāo)優(yōu)于柴油機(jī)和汽油機(jī)，因此，天然氣發(fā)動機(jī)系列產(chǎn)品在21世紀(jì)將成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的生產(chǎn)主流。

  二、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)簡介

 

  燃?xì)獍l(fā)動機(jī)以天然氣、井口伴生氣、煤層氣、水煤氣、煉化尾氣、沼氣等可燃性氣體為燃料，主要用于天然氣、煤氣、沼氣資源豐富的地區(qū)，如油田、煤礦、焦化廠等部門作為生產(chǎn)動力用電或并網(wǎng)發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組具有啟動迅速、操作簡便等特點(diǎn)，并設(shè)有自動保護(hù)系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)無人值守，是節(jié)能、環(huán)保型動力設(shè)備。1立方米天然氣可發(fā)電力3千瓦時，1立方米煤層氣或煉化尾氣可發(fā)電力2.7千瓦時，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，是石油開采、煤礦、各種泵站、電站、工程機(jī)械等設(shè)備理想的動力裝置。?

 

  目前國內(nèi)外開發(fā)的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)多是在汽油機(jī)或柴油機(jī)基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，較大的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)基本上都是從柴油機(jī)改制過來的，轉(zhuǎn)速為1000～1500r/min，采用電火花點(diǎn)火方式，壓縮比通常比柴油機(jī)降低25～40%，根據(jù)進(jìn)氣方式的不同，功率降低的程度也有差別，預(yù)混合進(jìn)氣方式通常比原機(jī)功率下降10～25%。與中速柴油機(jī)相比。

 

  目前除少數(shù)高性能的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)外，大部分的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的有效熱效率都比柴油機(jī)小，而冷卻水及排出廢氣帶走的熱量所占的比重卻相對較大，綜合利用這一能量可使發(fā)動機(jī)的有效熱效率達(dá)到70%以上，起到較好節(jié)能效果。

 

  三、余熱利用方式

 

  綜合利用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)熱能主要從三個方面著手：即電力供應(yīng)、采暖洗浴等供熱以及夏季空調(diào)制冷。目前國外熱電或冷電兩聯(lián)供的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)例較多，三者集中于整套動力設(shè)備的情況較少，國內(nèi)還沒有使用的介紹。從技術(shù)可行性的角度出發(fā)，是完全可以達(dá)到的。在綜合利用的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮以下幾方面的因素：

 

  a、利用應(yīng)避免對發(fā)動機(jī)的性能產(chǎn)生大的影響，即不影響燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行及功率輸出；

 

  b、排氣總管到熱交換器之間的距離應(yīng)盡可能短，同時應(yīng)充分考慮排氣管的隔熱保溫，減少從發(fā)動機(jī)排氣出口至熱交換器文章的熱量損失；

 

  c、需要考慮燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化時給制冷、制熱造成的影響，避免因負(fù)荷變化使制冷（或制熱）過量或能力不足；

 

  d、考慮到整個流程控制范圍大、項(xiàng)點(diǎn)多、操作難度大等因素，整個系統(tǒng)應(yīng)盡可能實(shí)行電氣自動化控制和監(jiān)測；

 

  e、整套系統(tǒng)應(yīng)充分考慮維護(hù)操作以及使用的安全性。

 

  3.1 熱電聯(lián)供

 

  在燃?xì)獍l(fā)電站中采用熱電聯(lián)供裝置，可在機(jī)組發(fā)出電力的同時，將燃?xì)獍l(fā)動?機(jī)排出的熱量充分利用起來，用于冬季取暖以及日常洗浴等生活之用。設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮的因素包括熱水量的調(diào)節(jié)、熱水系統(tǒng)的壓力、熱水系統(tǒng)與熱源設(shè)備的配套連接、多余熱水部分的旁通及緊急情況下熱水的切斷等。

 

  采用這種方式時，生活用洗浴熱水取自發(fā)動機(jī)冷卻水熱交換器，這部分水的溫度一般在40～50℃，完全能夠滿足使用要求；生活區(qū)取暖用熱水取自排氣部分，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的排氣溫度一般在450～550℃，加熱后的熱水溫度可達(dá)到80～110℃（壓力在0.2MPa左右），這樣可以保證取暖所需的熱量。

 

  3.2 發(fā)電與制冷、制熱三聯(lián)供  另外一種余熱利用的方式是在滿足機(jī)組發(fā)電的同時，利用冷卻水及排氣的熱量進(jìn)行制冷和制熱，即冷、熱、電三聯(lián)供。供熱我們?nèi)匀徊捎?.1所述方案，而制冷部分我們可使用較成熟的吸收式溴化鋰制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)由高發(fā)部分和主體部分組成。

 

  這個綜合利用方案，考慮到四季變化的因素，在春秋二季很可能不用制冷取暖的功能，因此排氣余熱須直接排入大氣，因此在機(jī)組排氣出口處加裝一自動溫度控制閥，以決定機(jī)組排氣的走向。同時保留生活洗浴，并在夏季利用冷卻塔的水調(diào)配。在該方案中，生活區(qū)洗浴等生活熱水仍然由發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)水加熱；在生活區(qū)制冷、取暖方面，將發(fā)動機(jī)排氣余熱夏季通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)提供制冷，冬季通過煙氣熱交換器制熱，制冷高發(fā)器與煙氣熱交換器可并聯(lián)設(shè)置。采用 此方案，燃?xì)獍l(fā)電站提高了自我供應(yīng)能力、設(shè)備利用系數(shù)和燃料熱效率。

 

  四、應(yīng)用技術(shù)

 

  目前根據(jù)了解的情況，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的綜合利用主要是熱電、冷電兩聯(lián)供方面，CAT、MTU、Jenbacher等國外大公司在國內(nèi)污水處理、垃圾處理站等處都有實(shí)際使用的實(shí)例。其主要特點(diǎn)是采用了高效實(shí)用的余熱換熱器充分利用排氣余熱，用于制冷或供熱，并能對發(fā)動機(jī)、制冷機(jī)、冷熱水管線，燃?xì)夤芫€等的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行跟蹤和遠(yuǎn)程監(jiān)控，做到實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，降低了操作者的勞動強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

 

  我國在發(fā)動機(jī)余熱利用方面應(yīng)用實(shí)例還不多，而作為全國最大的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)研發(fā)基地的中石化下屬企業(yè)勝利油田勝利動力機(jī)械有限責(zé)任公司已開展了這方面的研究開發(fā)工作，除了在已用的實(shí)例中采用的熱電聯(lián)供外，目前已經(jīng)成功的研制出國內(nèi)第一套冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)綜合應(yīng)用裝置。此系統(tǒng)采用大型天然氣發(fā)電機(jī)組作為主動力源，由發(fā)動機(jī)冷卻水利用機(jī)組開式冷卻裝置中的熱交換器將熱量供給用戶；利用發(fā)動機(jī)廢氣通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)提供制冷，目前已經(jīng)取得巨大成功，并開始向社會進(jìn)行推廣應(yīng)用。

 

  五、結(jié)束語

 

  對于石油行業(yè)來說，采油作業(yè)中最大的一部分成本就是耗電費(fèi)用。利用天然氣發(fā)電大幅度降低了工礦企業(yè)的用電費(fèi)用，充分利用了排空的天然氣或其他可燃性氣體，變廢為寶，節(jié)約了能源，消滅了天然氣排空時的燃燒火炬，同時節(jié)約了排空天然氣的燃燒費(fèi)用。因此，利用天然氣發(fā)電取代網(wǎng)電和供電線路的建設(shè)，可直接降低油田的采油、采氣和集輸成本。因此，利用天然氣發(fā)電機(jī)組建成發(fā)電站進(jìn)行發(fā)電，是各單位創(chuàng)造高額經(jīng)濟(jì)效益的最佳選擇。

 

  同時，將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的余熱加以利用，可顯著提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，在發(fā)電上網(wǎng)的同時，減少了生活用熱水的能源消耗，減少了鍋爐加熱及空調(diào)制冷設(shè)備的配置及維護(hù)保養(yǎng)，方便了電站的管理，也提高了燃?xì)獍l(fā)電站的自我供應(yīng)能力、設(shè)備利用系數(shù)和燃料熱效率。我公司冷、熱、電三聯(lián)供的成功運(yùn)行，為余熱利用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也將為廣大用戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。