李青波 董寧康

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(xiàn)熱電聯(lián)供的可能性及應(yīng)用前景進行了探討。

關(guān)鍵詞：燃氣機；熱電聯(lián)供

一、背景

在我國，人們對能源的利用和發(fā)展與環(huán)保關(guān)系的認識是逐步深入的。我國長期以來實行以燃煤發(fā)電為主的能源政策，八十年代之前，極低的生產(chǎn)力水平使環(huán)保未得到重視。到八十年代末，經(jīng)濟的高速發(fā)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(huán)境污染的治理，其中一項舉措就是發(fā)展熱電聯(lián)供，取消分散鍋爐房，減少煙塵對大氣的污染，熱電廠在發(fā)電的同時向周圍工廠和生活設(shè)施供熱，環(huán)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。

目前國內(nèi)燃煤熱電廠集中供熱與分散的鍋爐房相比，具有節(jié)約能源、占地少、改善環(huán)境的優(yōu)點，但也存在一些弊端，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，其弊端越來越明顯。首先是投入大、費用高，城市熱網(wǎng)的建設(shè)需要大量資金，要建設(shè)供熱系統(tǒng)管路，因而供熱成本很高。在計劃經(jīng)濟體制下，建設(shè)運行費用由政府負擔，其經(jīng)濟效益差的一面沒有反映出來，而在如今的市場經(jīng)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(guī)范，熱控水平不高，以至熱網(wǎng)管理落后，供熱各環(huán)節(jié)浪費太大，尤其是公共建筑在無人時也持續(xù)供熱，節(jié)能變成了浪費。

早在1894年已有了以天然氣為燃料的發(fā)動機，經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，形成了可燃用多種燃料（包括垃圾填埋場產(chǎn)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(jié)約能源，還充分利用廢熱供熱或再次發(fā)電，實行熱電聯(lián)供，大大增加了經(jīng)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(fā)電效率可達40%以上，熱電聯(lián)供效率更高達80%；單機功率大于50MW時，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)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(yīng)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(yè)有總部設(shè)在瑞士的W?RTSIL? NSD公司的燃氣機，其功率范圍在1000～5500kW、德國MAN B&W公司的雙燃料柴油機，其功率范圍在2400～16200kW。下面對這兩種機組分別作一簡單介紹。

1.W?RTSIL? NSD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(shè)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(nèi)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(shù)，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(yù)燃室實現(xiàn)的，預(yù)燃室內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)WECS8000為分布在整個發(fā)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(tǒng)。其中主控制塊為系統(tǒng)的核心，負責速度、負荷的控制、吸氣點火系統(tǒng)及機組起停和保安報警，調(diào)節(jié)空氣-燃料比。

2.德國MAN B&W公司的雙燃料柴油機

燃氣-輕柴油雙燃料系統(tǒng)是采用直接或間接噴射少量柴油燃料進入燃燒區(qū)，以相當高的點火能量引發(fā)天然氣、空氣混合物的燃燒。由天然氣輸送管網(wǎng)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(cè)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?？諝饬?，大大減少NOx的生成。

點火所需的能量來自于預(yù)燃室的點火噴嘴，引燃燃料通過小型噴射泵噴入預(yù)燃室，柴油在缺乏空氣的初始條件下進行預(yù)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(huán)的溫度，避免產(chǎn)生氮氧化物。所需的引燃燃料量只占柴油機總?cè)剂舷牧康?%。燃油噴射系統(tǒng)在運行中始終處于備用狀態(tài)，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(xù)安全運行。

機組控制系統(tǒng)包括了雙燃料運行中所有控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)控，以及燃氣控制和負荷控制。燃氣控制包括機械式主節(jié)流閥、過濾器、雙聯(lián)燃氣閥、冷凝液排放裝置和氣動燃氣調(diào)壓閥。

三、利用燃氣機熱電聯(lián)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(zhuǎn)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(fā)電、供熱、制冷。而從具體形式來說，可以根據(jù)用戶需要，形成多種組合。如余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽可用來帶動汽輪機發(fā)電，或直接供熱用戶，作為生產(chǎn)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(lián)后供用戶熱水，作為工藝用熱、地區(qū)用熱、也可在余熱鍋爐蒸汽發(fā)電時加熱汽機凝結(jié)水。

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(lián)供方式運行時，熱效率可達80%以上，節(jié)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(nèi)布置，無噪聲污染。

3.工業(yè)水量少

機組冷卻水采用閉式循環(huán)，不需大量冷卻水，對水源要求不高，有少量工業(yè)水即可。

4.與燃氣輪機相輔相成

燃氣機的應(yīng)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(fā)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(yīng)用可能只是時間的問題。首先從燃料上來說，中國已經(jīng)明確表示，在今后20年內(nèi)，天然氣工業(yè)會有一個較大的發(fā)展，相應(yīng)的以天然氣為燃料的電力工業(yè)也會得到較大的發(fā)展，這對緩解能源供需矛盾，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善大氣環(huán)境質(zhì)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(zhì)量的要求將更高，購物中心、醫(yī)院、賓館、體育場、居民小區(qū)等有可能采用燃氣機實現(xiàn)熱電冷聯(lián)供，并且在規(guī)劃時就予以考慮。另外從環(huán)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(nèi)柴油機制造廠尚未成功開發(fā)出燃氣機，進口機組較高的價格限制了它的大規(guī)模使用，但只要燃氣機能國產(chǎn)化，其應(yīng)用前景還是很樂觀的。