一、前言

 

  隨著我國工業現代化進程的加快及生活水平的提高，能源消耗日益增加，同時造成的負面影響是環境污染的加劇與能源危機的出現，燃燒柴油和汽油造成了石油資源的嚴重短缺，同時每年向大氣中排放一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物約1.5億噸，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前的主要任務，目前得到普遍認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，國外權威機構預言，天然氣將在２１世紀取代石油，成為第二大能源。同時，天然氣也是發動機的優質燃料，它對發動機潤滑油品質破壞性小，燃燒更充分，燃燒室內沒有積炭和膠質，因而可延長發動機的使用壽命，降低發動機的維修費用。氣體燃料發動機的排放指標優于汽油機和柴油機，同時燃氣發動機排出廢氣中顆粒排放物極少，對大氣污染程度小，能滿足國內的發動機排放要求，有較好的環保效果。

 

  二十年來，天然氣發動機等產品在國外得到了廣泛的應用，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動機制造廠紛紛將燃氣機的研制作為主要策略，并有部分產品打入了中國市場。勝利油田勝利動力機械有限公司自1985年研制單缸天然氣發動機以來的，目前190系列天然氣發動機有五大品種、近20個機型，功率范圍25?kW～550?kW；其配套發電機組達20余種機型，功率范圍24?kW～500?kW，構成了較為齊全的190系列天然氣發動機及其配套發電機組產品。近兩年又相繼開發研制成功了1000kW、2000kW天然氣發電機組及120系列風冷燃氣內燃發電機組。

 

  目前，我公司的燃氣發電機組已在國內組建了三十余個電站，通過用戶使用表明，天然氣發動機及其配套發電機組可有效地利用天然氣、石油伴生氣等資源，并且排放指標優于柴油機和汽油機，因此，天然氣發動機系列產品在21世紀將成為內燃機行業的生產主流。

  二、燃氣發動機簡介

 

  燃氣發動機以天然氣、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，如油田、煤礦、焦化廠等部門作為生產動力用電或并網發電。燃氣發電機組具有啟動迅速、操作簡便等特點，并設有自動保護系統、可實現無人值守，是節能、環保型動力設備。1立方米天然氣可發電力3千瓦時，1立方米煤層氣或煉化尾氣可發電力2.7千瓦時，經濟效益非常顯著，是石油開采、煤礦、各種泵站、電站、工程機械等設備理想的動力裝置。?

 

  目前國內外開發的燃氣發動機多是在汽油機或柴油機基礎上研制開發的，較大的燃氣發動機基本上都是從柴油機改制過來的，轉速為1000～1500r/min，采用電火花點火方式，壓縮比通常比柴油機降低25～40%，根據進氣方式的不同，功率降低的程度也有差別，預混合進氣方式通常比原機功率下降10～25%。與中速柴油機相比。

 

  目前除少數高性能的燃氣發動機外，大部分的燃氣發動機的有效熱效率都比柴油機小，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動機的有效熱效率達到70%以上，起到較好節能效果。

 

  三、余熱利用方式

 

  綜合利用燃氣發動機熱能主要從三個方面著手：即電力供應、采暖洗浴等供熱以及夏季空調制冷。目前國外熱電或冷電兩聯供的燃氣發動機綜合應用實例較多，三者集中于整套動力設備的情況較少，國內還沒有使用的介紹。從技術可行性的角度出發，是完全可以達到的。在綜合利用的設計過程中應充分考慮以下幾方面的因素：

 

  a、利用應避免對發動機的性能產生大的影響，即不影響燃氣發電機組的正常運行及功率輸出；

 

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

 

  c、需要考慮燃氣發電機組負荷變化時給制冷、制熱造成的影響，避免因負荷變化使制冷（或制熱）過量或能力不足；

 

  d、考慮到整個流程控制范圍大、項點多、操作難度大等因素，整個系統應盡可能實行電氣自動化控制和監測；

 

  e、整套系統應充分考慮維護操作以及使用的安全性。

 

  3.1 熱電聯供

 

  在燃氣發電站中采用熱電聯供裝置，可在機組發出電力的同時，將燃氣發動?機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。設計時應考慮的因素包括熱水量的調節、熱水系統的壓力、熱水系統與熱源設備的配套連接、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動機冷卻水熱交換器，這部分水的溫度一般在40～50℃，完全能夠滿足使用要求；生活區取暖用熱水取自排氣部分，燃氣發動機的排氣溫度一般在450～550℃，加熱后的熱水溫度可達到80～110℃（壓力在0.2MPa左右），這樣可以保證取暖所需的熱量。

 

  3.2 發電與制冷、制熱三聯供  另外一種余熱利用的方式是在滿足機組發電的同時，利用冷卻水及排氣的熱量進行制冷和制熱，即冷、熱、電三聯供。供熱我們仍然采用3.1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，其結構由高發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，因此在機組排氣出口處加裝一自動溫度控制閥，以決定機組排氣的走向。同時保留生活洗浴，并在夏季利用冷卻塔的水調配。在該方案中，生活區洗浴等生活熱水仍然由發動機冷卻循環水加熱；在生活區制冷、取暖方面，將發動機排氣余熱夏季通過熱水型溴化鋰制冷機提供制冷，冬季通過煙氣熱交換器制熱，制冷高發器與煙氣熱交換器可并聯設置。采用 此方案，燃氣發電站提高了自我供應能力、設備利用系數和燃料熱效率。

 

  四、應用技術

 

  目前根據了解的情況，燃氣發動機的綜合利用主要是熱電、冷電兩聯供方面，CAT、MTU、Jenbacher等國外大公司在國內污水處理、垃圾處理站等處都有實際使用的實例。其主要特點是采用了高效實用的余熱換熱器充分利用排氣余熱，用于制冷或供熱，并能對發動機、制冷機、冷熱水管線，燃氣管線等的運行參數進行跟蹤和遠程監控，做到實時調節系統運行參數，降低了操作者的勞動強度，提高了系統運行的穩定性。

 

  我國在發動機余熱利用方面應用實例還不多，而作為全國最大的燃氣發動機研發基地的中石化下屬企業勝利油田勝利動力機械有限責任公司已開展了這方面的研究開發工作，除了在已用的實例中采用的熱電聯供外，目前已經成功的研制出國內第一套冷、熱、電三聯供系統綜合應用裝置。此系統采用大型天然氣發電機組作為主動力源，由發動機冷卻水利用機組開式冷卻裝置中的熱交換器將熱量供給用戶；利用發動機廢氣通過熱水型溴化鋰制冷機提供制冷，目前已經取得巨大成功，并開始向社會進行推廣應用。

 

  五、結束語

 

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

 

  同時，將燃氣發電機組的余熱加以利用，可顯著提高機組運行的經濟效益，在發電上網的同時，減少了生活用熱水的能源消耗，減少了鍋爐加熱及空調制冷設備的配置及維護保養，方便了電站的管理，也提高了燃氣發電站的自我供應能力、設備利用系數和燃料熱效率。我公司冷、熱、電三聯供的成功運行，為余熱利用積累了寶貴的經驗，也將為廣大用戶帶來更大的經濟效益。