燃氣機應用前景探究論文

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1.在我國，人們對能源的利用和發展與環保關系的認識是逐步深入的。我國長期以來實行以燃煤發電為主的能源政策，八十年代之前，極低的生產力水平使環保未得到重視。到八十年代末，經濟的高速發展帶來了日趨嚴重的大氣污染，使人們不得不開始重視對環境污染的治理，其中一項舉措就是發展熱電聯供，取消分散鍋爐房，減少煙塵對大氣的污染，熱電廠在發電的同時向周圍工廠和生活設施供熱，環境污染狀況有所改善。但由于以煤為燃料，鍋爐煙氣含有大量的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx），仍對大氣造成污染，加上受蒸汽供熱半徑的限制，很多熱電廠都位于城市或城郊，城市的空氣狀況會因此變差。特別是在我國北方城市，冬季濃霧彌漫，引起多種呼吸道疾病，對人民生活和身體健康產生嚴重危害。同時燃煤小熱電還有高能耗的缺點，在九十年代后期，政府開始將目光投向天然氣這種清潔能源。天然氣的熱值高，約為36000~40000kJ/Nm3，且燃燒后對環境污染小，是所有燃料中單位熱值CO2排放量最低的，且NOx的排放率也很低，可以滿足一般電廠的廢氣排放標準，因而將成為繼煤和石油后的主要能源。

目前國內燃煤熱電廠集中供熱與分散的鍋爐房相比，具有節約能源、占地少、改善環境的優點，但也存在一些弊端，隨著市場經濟的發展，其弊端越來越明顯。首先是投入大、費用高，城市熱網的建設需要大量資金，要建設供熱系統管路，因而供熱成本很高。在計劃經濟體制下，建設運行費用由政府負擔，其經濟效益差的一面沒有反映出來，而在如今的市場經濟下，由于供熱收費欠費引起的問題越來越多，國家也不堪重負。其次是由于計量不規范，熱控水平不高，以至熱網管理落后，供熱各環節浪費太大，尤其是公共建筑在無人時也持續供熱，節能變成了浪費。同時原有城市規劃對熱網考慮不夠，使增建的熱網管道影響城市美觀，同時敷設時需要部分建筑物拆遷等。另外城市中的熱電廠增加了市內污染物的排放，使局部環境惡化。因此有必要借鑒發達國家的經驗，如一些國家采用分散供熱的模式，工業企業自備熱電站和分散的小型熱電站相現結合的方式，分別滿足工業和居民的熱需求。在這種情況下，燃用天然氣的燃氣機成為人們選擇的主要供熱發電設備之一。

早在1894年已有了以天然氣為燃料的發動機，經過不斷發展和完善，形成了可燃用多種燃料（包括垃圾填埋場產生的填埋氣）的燃氣機和燃天然氣－輕柴油的雙燃料柴油機。為了更好地節約能源，還充分利用廢熱供熱或再次發電，實行熱電聯供，大大增加了經濟性。從效率上來說，單機輸出功率50MW以下的熱機以柴油機和燃氣機為最高，發電效率可達40%以上，熱電聯供效率更高達80%；單機功率大于50MW時，燃氣－蒸汽聯合循環機組的效率較高。有鑒于此，目前國際上燃氣機及雙燃料柴油機應用很廣。

二、燃氣機機型介紹

目前世界上比較有代表性的燃氣機制造企業有總部設在瑞士的WÄRTSILÄNSD公司的燃氣機，其功率范圍在1000~5500kW、德國MANB&W公司的雙燃料柴油機，其功率范圍在2400~16200kW，還有奧地利JENBACHER公司的70～2700kW燃氣機。下面對這幾種機組分別作一簡單介紹。

1.WÄRTSILÄNSD公司的燃氣機

瓦錫蘭恩斯迪集團公司是世界最大的中速柴油機及燃氣機設備制造公司，該公司有燃天然氣的燃氣機（2100kW～5500kW），也有燃氣－輕柴油雙燃料機組（4300kW～15800kW）。這里主要介紹它的燃氣機。

影響內燃機NOx生成的主要因素是溫度和空氣－燃料比，較低的溫度和較高的空氣－燃料比可降低NOx的排放。瓦錫蘭的燃氣機采用稀薄燃燒控制技術，較高的空氣－燃料比使氣缸中與燃料的混合的空氣量多于燃燒所需要的量，并且混合均勻，這不僅大大降低NOx的排放，而且提高了機組的燃燒效率。稀薄的混合物點火和燃燒是通過預燃室實現的，預燃室內采用火花塞點火，為主燃燒室的燃燒提供了能量。

自動控制監測系統WECS8000為分布在整個發動機的微型信息處理器，并劃分為不同功能，包括主控制塊（MCU）、傳感放大和分散控制塊（SMU/DCU）、氣缸控制塊（CCU）、空氣燃料控制系統。其中主控制塊為系統的核心，負責速度、負荷的控制、吸氣點火系統及機組起停和保安報警，調節空氣－燃料比。

以34SG為例，其主要參數如下：

氣缸數：12,16,18

缸徑：340mm

沖程：350mm

單缸功率：293/305kW

轉速：720/750r/min

活塞平均速度：8.4/8.75m/s

平均有效壓力：14-16bar

頻率：60/50Hz

熱耗率：8790kJ/kWh

2.德國MANB&W公司的雙燃料柴油機

燃氣－輕柴油雙燃料系統是采用直接或間接噴射少量柴油燃料進入燃燒區，以相當高的點火能量引發天然氣、空氣混合物的燃燒。由天然氣輸送管網來的燃料氣體通過獨立的進氣閥噴射進入各獨立的氣缸外側空氣中，天然氣的噴射與進氣閥的開度同步，天然氣與空氣混合物在氣缸中被壓縮，由于混合均勻，防止了局部燃燒高溫，同時由于較大的過剩空氣量，大大減少NOx的生成。

點火所需的能量來自于預燃室的點火噴嘴，引燃燃料通過小型噴射泵噴入預燃室，柴油在缺乏空氣的初始條件下進行預混燃燒，然后進入主燃燒室，燃氣、空氣混合氣稀薄燃燒，降低了燃燒循環的溫度，避免產生氮氧化物。所需的引燃燃料量只占柴油機總燃料消耗量的1%。燃油噴射系統在運行中始終處于備用狀態，一旦供氣中斷，機組可立即切換至燃輕柴油運行，保證機組連續安全運行。

機組控制系統包括了雙燃料運行中所有控制、調節和監控，以及燃氣控制和負荷控制。燃氣控制包括機械式主節流閥、過濾器、雙聯燃氣閥、冷凝液排放裝置和氣動燃氣調壓閥。

目前該公司推出的主導機型為32/40DG機，其功率范圍為2400kW～7200kW，主要技術參數如下：

氣缸數：6,7,8,9,12,14,16,18

缸徑：320mm

沖程：400mm

單缸功率（甲烷值80-100）：385/400kW

轉速：720/750r/min

活塞平均速度：9.6/10m/s

平均有效壓力：19.9bar

頻率：60/50Hz

油耗率：8460kJ/kWh

這類雙燃料機主要用于連續發電，運行方式以燃天然氣為主，輕柴油作為備用燃料，大大提高了電廠運行的可靠性。

3.奧地利JENBACHER公司的燃氣機

JENBACHER公司是較早專門研制燃氣機的公司，它的燃氣機有六大系列十幾種型號，缸數從6至20缸，缸徑116至190mm，可燃用高熱值的天然氣，也可燃用低熱值的污水、污泥沼氣、垃圾填埋氣，還有煤層氣、化工廠及工業生產中的可燃氣體等。燃氣機為該公司的主導產品，廣泛運用于世界各地。它的LeanNOx控制系統可稀釋混合燃氣，結合帶保護的電火花點火系統，自動調節燃氣機使之能高效燃燒所有燃氣，達到低排放量，保證NOx排放低于500mg/Nm3，CO排放低于650mg/Nm3。

以JMS616GS-N.L機型為例，其參數如下：

氣缸數：16

缸徑：190mm

沖程：220mm

輸出電功率：1942kW

轉速：1500r/min

活塞平均速度：11m/s

熱耗率：8930kJ/kWh

三、利用燃氣機熱電聯供

燃氣機的余熱有三個來源，燃氣機的高溫煙氣、高溫缸體及增壓空氣冷卻水和潤滑油冷卻水。其中最主要的是燃氣機的排氣，因其溫度一般在400～500℃，含大量余熱，通過在煙道上加裝熱交換器可將余熱轉換為蒸汽或熱水。高溫缸體及增壓空氣冷卻水溫度為90～95℃，潤滑油冷卻水溫度為70℃左右，均可通過熱交換器供熱水。

燃氣機的余熱有多種用途，主要有三類：再發電、供熱、制冷。而從具體形式來說，可以根據用戶需要，形成多種組合。如余熱鍋爐產生的蒸汽可用來帶動汽輪機發電，或直接供熱用戶，作為生產工藝過程中的干燥、燃燒空氣干燥等，也可以通過吸收式冷卻器制冷，供工廠或居民住宅；溫度不同的高溫缸體及增壓空氣冷卻水和潤滑油冷卻水，通過熱交換器串聯后供用戶熱水，作為工藝用熱、地區用熱、也可在余熱鍋爐蒸汽發電時加熱汽機凝結水。

燃天然氣的燃氣發電機組熱和電的輸出情況見下表（以瓦錫蘭機組為例）：

機型電力輸出

（MW）蒸汽流量

（t/h）蒸汽輸出

（MW）熱水流量

（t/h）熱水輸出

（MW）

12V25SG2.11.81.1161.1

16V25SG2.82.41.5211.5

16V28SG4.02.62.0201.4

18V28SG4.52.81.8221.5

16V34SG4.883.02.2271.9

18V34SG5.53.42.5312.1

注：供蒸汽參數為8bar，170℃；供熱水參數為：85℃；進水溫度：25℃。

四、燃氣機電站的特點

1.效率高

燃氣機機組效率在40%以上，如以合理的熱電聯供方式運行時，熱效率可達80%以上，節能效果明顯。

2.污染小

污染物的排放大大低于燃煤及燃油電廠，無需高煙囪，可建于城市中心。同時采用隔音效果好的室內布置，無噪聲污染。

3.工業水量少

機組冷卻水采用閉式循環，不需大量冷卻水，對水源要求不高，有少量工業水即可。

4.運行靈活，費用低

熱電聯供的燃氣機電站可滿足分散供熱要求，不需鋪設大量供熱管網，節約了運行管理費用。電站一般布置兩臺以上機組，以適應不同熱負荷及電負荷要求，運行更加靈活方便。

5.安裝簡便，維修方便

由于燃氣機非高速旋轉機械，且采用了底板彈簧隔振裝置，對設備基礎要求較低，安裝較為容易。維修工作可在現場完成。

6.與燃氣輪機相輔相成

燃氣機的應用并不排斥燃氣輪機，因其單機功率多在1～15MW，而燃氣輪機的主導機型在20MW以上，并且趨勢是發展大功率機組，二者并不沖突，各有市場，相輔相成。

五、前景

燃氣機在中國的應用可能只是時間的問題。首先從燃料上來說，中國已經明確表示，在今后20年內，天然氣工業會有一個較大的發展，相應的以天然氣為燃料的電力工業也會得到較大的發展，這對緩解能源供需矛盾，優化能源結構，改善大氣環境質量將起重要作用。其次從需求上來說，隨著我國生活水平的提高，人們對供熱、制冷質量的要求將更高，購物中心、醫院、賓館、體育場、居民小區等有可能采用燃氣機實現熱電冷聯供，并且在規劃時就予以考慮。另外從環保角度來說，也會鼓勵在城市中采用污染小的燃氣機電站。

目前國內柴油機制造廠尚未成功開發出燃氣機，進口機組較高的價格限制了它的大規模使用，但只要燃氣機能國產化，其應用前景還是很樂觀的。

[內容摘要]本文介紹了以天然氣為燃料的燃氣機的特點和主要機型，對利用燃氣機實現熱電聯供的可能性及應用前景進行了探討。

[關鍵詞]燃氣機熱電聯供