新闻中心

 
分布式能源系统燃气内燃机国产化现状及应用
 
 
分布式能源具有能源利用效率高、环境负面影响小、提高能源供应可靠性和经济效益好的特点。发改能源[2011]2196 号文件《关于发展天然气分布式能源的指导意见》中明确提出“‘十二五’初期启动一批天然气分布式能源示范项目,‘十二五’期间建设1 000 个左右天然气分布式能源项目,并拟建设10 个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。未来5~10年内在分布式能源装备核心能力和产品研制应用方面取得实质性突破。初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系”。

分布式燃气冷热电联供系统是一种建立在能量梯级利用概念基础上,以天然气为一次能源,同时产生电能和可用热( 冷) 能的分布式供能系统。

冷热电联供系统按功能可分成三个子系统: 发电系统、供热系统和制冷系统。燃气内燃机冷热电联供系统见图1


该系统的关键设备可分为: 动力设备、余热锅炉设备以及制冷设备。其中,动力设备是整个系统的核心。燃气内燃机通过燃烧天然气获得动力,带动发电机组发电,产生的高温烟气送入余热利用设备,冬季可用于供暖,夏季可用于供冷,还可生产生活热水,驱动热量不足部分可由补燃燃气燃烧进行供应。根据项目的条件,联供系统可灵活进行设备配置,如可采用冰蓄冷装置、蓄热装置、热泵等,提高系统的整体能源利用效率。

在大力发展天然气产业与分布式能源的环境下,需要核心设备燃气内燃机作为技术支撑,必须实现动力设备的国产化,才能促进分布式能源技术的发展。

2 燃气内燃机介绍

燃气内燃机的应用早在1970 年初期,以小型、高速机( 额定功率在1 000 kW 以下,转速在1 000 r /min以上) 为主要市场供应产品,到1990 年初期迈入发展中大型、中速机( 额定功率在1 000 8 000kW ,转速在1 000 r /min 以下) 的燃气内燃机阶段。

燃气内燃机是以天然气为燃料的4 冲程内燃机,将奥托循环( Otto cycle) 和稀薄燃烧原理应用于气缸的燃烧程序,天然气与空气在气缸内混合压缩后点火发生爆燃,推动活塞带动连杆和曲轴驱动发电机发电,此种由机械能转换为电能的装置也通称燃气内燃发电设备,一般多应用于工业及陆上发电之用。

2.1 设备结构

燃气内燃机主要结构与液体燃料内燃机( 柴油机、汽油机等) 基本相同,只是将液体燃料系统改为气体燃料系统,一般由一个机体、两大机构( 曲柄连杆机构、配气机构) 和六大系统( 供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统、电子调速系统)组成,主要包括机体、曲轴、减震器、活塞、连杆、气缸套、气缸盖、点火系统、润滑系统、冷却系统、排气系统等部件。

2.2 工作原理

燃气内燃机每一个气缸的工作循环,都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。每一个气缸完成一个完整的工作循环,活塞往复运动两次,曲轴旋转两周。V 形气缸排列活塞运动模型见图2,直列形气缸排列活塞运动模型见图3




a.开放式燃烧室: 火花塞在气缸的燃烧室内,直燃气内燃机通过火花塞点燃预先混合的天然气与空气,其点火方式有以下两种:接点火燃烧被压缩混合的天然气与空气。此种开放式燃烧室点火是典型设计。

b.预燃室: 以阶段式燃烧过程进行点火,即火花塞安装在气缸头内的小型预燃室,经过混合的天然气与空气被送进预燃室,由火花塞点火,点燃后的混合气进入气缸进行内燃做功行程。此种在预燃室内运用稀薄燃烧原理的技术已成熟应用于一般大型缸径的内燃机。

2.3 设备优点

燃气内燃机的优势在于单位功率造价低、操作简单、单机发电效率高,调节能力强,在特殊恶劣地理环境中功率衰减影响最小,发电效率根据转速及功率不同一般在30%40%。这种传统的能源利用设备应用非常普遍,可以搭配不同单机容量,以多机组合、可渐进扩充发电容量,满足分布式能源项目经济性和投资弹性。因此,在国外无论是20~100 MW 热电联产电厂或者调峰电厂,还是楼宇式1~5 MW 三联供分布式能源站都普遍选用燃气内燃机。

另外,余热梯级利用率高也是燃气内燃机的突出优势。燃气内燃机在燃料燃烧后产生的余热有:350 ~ 450 ℃的烟气、90 110 ℃缸套冷却水、50 80℃水冷式中冷器冷却水和润滑油冷却水,热回收可视需求分别从不同系统获得。例如,可以利用高温烟气经余热锅炉产生蒸汽或热水,其缸套冷却水经热交换器产生热水以供楼宇、居住区冬季供暖,缸套冷却水热效率可达25% 30%,烟气热效率( 排烟温度由400 ℃ 冷凝到120 ℃ 的热量利用率) 可达18% 25%,总热电效率可达85%

3 燃气内燃机国产化分析

3.1 研究背景

国务院以国发〔2015〕28 号印发的《中国制造2025》中提出,制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。打造具有国际竞争力的制造业,是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。大力推动电力装备、高档数控机床和机器人等10个重点领域。

目前我国燃气内燃机的功率范围主要集中在200 ~ 800 kW800 kW 特别是1 000 kW 以上的燃气内燃机几乎全部依赖进口,并且市场需求很大。由于燃气冷热电联供系统在国内尚属于发展阶段,出于设备质量与系统安全性的考虑,对于800 kW 以下的燃气内燃机也是主要采购卡特彼勒、颜巴赫等国外厂家的产品,这种现状限制了国内燃气内燃机制造技术的创新与发展。