以天然气为燃料的燃气机应用前景探讨

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以天然气为燃料的燃气机应用前景探讨

[内容摘要]  本文介绍了以天然气为燃料的燃气机的特点和主要机型，对利用燃气机实现热电联供的可能性及应用前景进行了探讨。 
[关 键 词]  燃气机　热电联供　 
一、背景 
在我国，人们对能源的利用和发展与环保关系的认识是逐步深入的。我国长期以来实行以燃煤发电为主的能源政策，八十年代之前，极低的生产力水平使环保未得到重视。到八十年代末，经济的高速发展带来了日趋严重的大气污染，使人们不得不开始重视对环境污染的治理，其中一项举措就是发展热电联供，取消分散锅炉房，减少烟尘对大气的污染，热电厂在发电的同时向周围工厂和生活设施供热，环境污染状况有所改善。但由于以煤为燃料，锅炉烟气含有大量的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx），仍对大气造成污染，加上受蒸汽供热半径的限制，很多热电厂都位于城市或城郊，城市的空气状况会因此变差。特别是在我国北方城市，冬季浓雾弥漫，引起多种呼吸道疾病，对人民生活和身体健康产生严重危害。同时燃煤小热电还有高能耗的缺点，在九十年代后期，政府开始将目光投向天然气这种清洁能源。天然气的热值高，约为36000~40000 kJ/Nm3，且燃烧后对环境污染小，是所有燃料中单位热值CO2排放量最低的，且NOx的排放率也很低，可以满足一般电厂的废气排放标准，因而将成为继煤和石油后的主要能源。 
　　目前国内燃煤热电厂集中供热与分散的锅炉房相比，具有节约能源、占地少、改善环境的优点，但也存在一些弊端，随着市场经济的发展，其弊端越来越明显。首先是投入大、费用高，城市热网的建设需要大量资金，要建设供热系统管路，因而供热成本很高。在计划经济体制下，建设运行费用由政府负担，其经济效益差的一面没有反映出来，而在如今的市场经济下，由于供热收费欠费引起的问题越来越多，国家也不堪重负。其次是由于计量不规范，热控水平不高，以至热网管理落后，供热各环节浪费太大，尤其是公共建筑在无人时也持续供热，节能变成了浪费。同时原有城市规划对热网考虑不够，使增建的热网管道影响城市美观，同时敷设时需要部分建筑物拆迁等。另外城市中的热电厂增加了市内污染物的排放，使局部环境恶化。因此有必要借鉴发达国家的经验，如一些国家采用分散供热的模式，工业企业自备热电站和分散的小型热电站相现结合的方式，分别满足工业和居民的热需求。在这种情况下，燃用天然气的燃气机成为人们选择的主要供热发电设备之一。 
早在1894年已有了以天然气为燃料的发动机，经过不断发展和完善，形成了可燃用多种燃料（包括垃圾填埋场产生的填埋气）的燃气机和燃天然气－轻柴油的双燃料柴油机。为了更好地节约能源，还充分利用废热供热或再次发电，实行热电联供，大大增加了经济性。从效率上来说，单机输出功率50MW以下的热机以柴油机和燃气机为最高，发电效率可达40%以上，热电联供效率更高达80%；单机功率大于50MW时，燃气－蒸汽联合循环机组的效率较高。有鉴于此，目前国际上燃气机及双燃料柴油机应用很广。 
二、燃气机机型介绍 
目前世界上比较有代表性的燃气机制造企业有总部设在瑞士的WÄRTSILÄ NSD公司的燃气机，其功率范围在1000~5500kW、德国MAN B&W公司的双燃料柴油机，其功率范围在2400~16200kW，还有奥地利JENBACHER公司的70～2700kW燃气机。下面对这几种机组分别作一简单介绍。 
1. WÄRTSILÄ NSD公司的燃气机 
瓦锡兰恩斯迪集团公司是世界最大的中速柴油机及燃气机设备制造公司，该公司有燃天然气的燃气机（2100kW～5500kW），也有燃气－轻柴油双燃料机组（4300kW～15800kW）。这里主要介绍它的燃气机。 
影响内燃机NOx生成的主要因素是温度和空气－燃料比，较低的温度和较高的空气－燃料比可降低NOx的排放。瓦锡兰的燃气机采用稀薄燃烧控制技术，较高的空气－燃料比使气缸中与燃料的混合的空气量多于燃烧所需要的量，并且混合均匀，这不仅大大降低NOx的排放，而且提高了机组的燃烧效率。稀薄的混合物点火和燃烧是通过预燃室实现的，预燃室内采用火花塞点火，为主燃烧室的燃烧提供了能量。 
自动控制监测系统WECS8000为分布在整个发动机的微型信息处理器，并划分为不同功能，包括主控制块（MCU）、传感放大和分散控制块（SMU/DCU）、气缸控制块（CCU）、空气燃料控制系统。其中主控制块为系统的核心，负责速度、负荷的控制、吸气点火系统及机组起停和保安报警，调节空气－燃料比。 
以34SG为例，其主要参数如下： 
气缸数： 12,16,18 
缸径： 340 mm 
冲程： 350 mm 
单缸功率： 293/305 kW 
转速： 720/750 r/min 
活塞平均速度： 8.4/8.75 m/s 
平均有效压力： 14-16 bar 
频率： 60/50 Hz 
热耗率：    8790 kJ/kWh 
2. 德国MAN B&W公司的双燃料柴油机 
燃气－轻柴油双燃料系统是采用直接或间接喷射少量柴油燃料进入燃烧区，以相当高的点火能量引发天然气、空气混合物的燃烧。由天然气输送管网来的燃料气体通过独立的进气阀喷射进入各独立的气缸外侧空气中，天然气的喷射与进气阀的开度同步，天然气与空气混合物在气缸中被压缩，由于混合均匀，防止了局部燃烧高温，同时由于较大的过剩空气量，大大减少NOx的生成。 
点火所需的能量来自于预燃室的点火喷嘴，引燃燃料通过小型喷射泵喷入预燃室，柴油在缺乏空气的初始条件下进行预混燃烧，然后进入主燃烧室，燃气、空气混合气稀薄燃烧，降低了燃烧循环的温度，避免产生氮氧化物。所需的引燃燃料量只占柴油机总燃料消耗量的1%。燃油喷射系统在运行中始终处于备用状态，一旦供气中断，机组可立即切换至燃轻柴油运行，保证机组连续安全运行。 
机组控制系统包括了双燃料运行中所有控制、调节和监控，以及燃气控制和负荷控制。燃气控制包括机械式主节流阀、过滤器、双联燃气阀、冷凝液排放装置和气动燃气调压阀。 
目前该公司推出的主导机型为32/40DG机，其功率范围为2400kW～7200kW，主要技术参数如下： 
气缸数： 6,7,8,9,12,14,16,18 
缸径： 320 mm 
冲程： 400 mm 
单缸功率（甲烷值80-100）： 385/400 kW 
转速： 720/750 r/min

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活塞平均速度： 9.6/10 m/s
平均有效压力： 19.9 bar
频率： 60/50 Hz
油耗率： 8460 kJ/kWh
这类双燃料机主要用于连续发电，运行方式以燃天然气为主，轻柴油作为备用燃料，大大提高了电厂运行的可靠性。
3. 奥地利JENBACHER公司的燃气机
JENBACHER公司是较早专门研制燃气机的公司，它的燃气机有六大系列十几种型号，缸数从6至20缸，缸径116至190mm，可燃用高热值的天然气，也可燃用低热值的污水、污泥沼气、垃圾填埋气，还有煤层气、化工厂及工业生产中的可燃气体等。燃气机为该公司的主导产品，广泛运用于世界各地。它的Lean NOx控制系统可稀释混合燃气，结合带保护的电火花点火系统，自动调节燃气机使之能高效燃烧所有燃气，达到低排放量，保证NOx排放低于500mg/Nm3，CO排放低于650mg/Nm3 。
以JMS616GS-N.L机型为例，其参数如下：
气缸数： 16
缸径： 190 mm
冲程： 220 mm
输出电功率： 1942 kW
转速： 1500 r/min
活塞平均速度： 11 m/s
热耗率：    8930 kJ/kWh
三、利用燃气机热电联供
燃气机的余热有三个来源，燃气机的高温烟气、高温缸体及增压空气冷却水和润滑油冷却水。其中最主要的是燃气机的排气，因其温度一般在400～500℃，含大量余热，通过在烟道上加装热交换器可将余热转换为蒸汽或热水。高温缸体及增压空气冷却水温度为90～95℃，润滑油冷却水温度为70℃左右，均可通过热交换器供热水。
燃气机的余热有多种用途，主要有三类：再发电、供热、制冷。而从具体形式来说，可以根据用户需要，形成多种组合。如余热锅炉产生的蒸汽可用来带动汽轮机发电，或直接供热用户，作为生产工艺过程中的干燥、燃烧空气干燥等，也可以通过吸收式冷却器制冷，供工厂或居民住宅；温度不同的高温缸体及增压空气冷却水和润滑油冷却水，通过热交换器串联后供用户热水，作为工艺用热、地区用热、也可在余热锅炉蒸汽发电时加热汽机凝结水。
燃天然气的燃气发电机组热和电的输出情况见下表（以瓦锡兰机组为例）：
机型电力输出
（MW）蒸汽流量
（t/h）蒸汽输出
（MW）热水流量
（t/h）热水输出
（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：供蒸汽参数为8 bar，170℃；供热水参数为：85℃；进水温度：25℃。
四、燃气机电站的特点
1.  效率高
　　燃气机机组效率在40%以上，如以合理的热电联供方式运行时，热效率可达80%以上，节能效果明显。
2.  污染小
污染物的排放大大低于燃煤及燃油电厂，无需高烟囱，可建于城市中心。同时采用隔音效果好的室内布置，无噪声污染。
3. 工业水量少
机组冷却水采用闭式循环，不需大量冷却水，对水源要求不高，有少量工业水即可。
4. 运行灵活，费用低
热电联供的燃气机电站可满足分散供热要求，不需铺设大量供热管网，节约了运行管理费用。电站一般布置两台以上机组，以适应不同热负荷及电负荷要求，运行更加灵活方便。
5. 安装简便，维修方便
　　由于燃气机非高速旋转机械，且采用了底板弹簧隔振装置，对设备基础要求较低，安装较为容易。维修工作可在现场完成。
6. 与燃气轮机相辅相成
燃气机的应用并不排斥燃气轮机，因其单机功率多在1～15MW，而燃气轮机的主导机型在20MW以上，并且趋势是发展大功率机组，二者并不冲突，各有市场，相辅相成。
五、前景
燃气机在中国的应用可能只是时间的问题。首先从燃料上来说，中国已经明确表示，在今后20年内，天然气工业会有一个较大的发展，相应的以天然气为燃料的电力工业也会得到较大的发展，这对缓解能源供需矛盾，优化能源结构，改善大气环境质量将起重要作用。其次从需求上来说，随着我国生活水平的提高，人们对供热、制冷质量的要求将更高，购物中心、医院、宾馆、体育场、居民小区等有可能采用燃气机实现热电冷联供，并且在规划时就予以考虑。另外从环保角度来说，也会鼓励在城市中采用污染小的燃气机电站。
目前国内柴油机制造厂尚未成功开发出燃气机，进口机组较高的价格限制了它的大规模使用，但只要燃气机能国产化，其应用前景还是很乐观的。