燃气发电机组及其余热利用

燃气发电机组及其余热利用

一、前言

随着我国工业现代化进程的加快及生活水平的提高，能源消耗日益增加，同时造成的负面影响是环境污染的加剧与能源危机的出现，燃烧柴油和汽油造成了石油资源的严重短缺，同时每年向大气中排放一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物约1.5亿吨，占大气中同类污染物的55％以上。在石油资源日益短缺的情况下，寻找代用能源成为当前的主要任务，目前得到普遍认可的代用燃料是以天然气为主的可燃性气体燃料。

天然气是地球上最丰富的燃料之一，国外权威机构预言，天然气将在２１世纪取代石油，成为第二大能源。同时，天然气也是发动机的优质燃料，它对发动机润滑油品质破坏性小，燃烧更充分，燃烧室内没有积炭和胶质，因而可延长发动机的使用寿命，降低发动机的维修费用。气体燃料发动机的排放指标优于汽油机和柴油机，同时燃气发动机排出废气中颗粒排放物极少，对大气污染程度小，能满足国内的发动机排放要求，有较好的环保效果。

二十年来，天然气发动机等产品在国外得到了广泛的应用，美国的瓦克夏、库柏、英国的帕金斯、德国的道依茨、MTU、芬兰的纽锡兰等大型发动机制造厂纷纷将燃气机的研制作为主要策略，并有部分产品打入了中国市场。胜利油田胜利动力机械有限公司自1985年研制单缸天然气发动机以来的，目前190系列天然气发动机有五大品种、近20个机型，功率范围25 kW～550 kW；其配套发电机组达20余种机型，功率范围24 kW～500 kW，构成了较为齐全的190系列天然气发动机及其配套发电机组产品。近两年又相继开发研制成功了1000kW、2000kW天然气发电机组及120系列风冷燃气内燃发电机组。

目前，我公司的燃气发电机组已在国内组建了三十余个电站，通过用户使用表明，天然气发动机及其配套发电机组可有效地利用天然气、石油伴生气等资源，并且排放指标优于柴油机和汽油机，因此，天然气发动机系列产品在21世纪将成为内燃机行业的生产主流。贵州燃气发电机组

二、燃气发动机简介

燃气发动机以天然气、井口伴生气、煤层气、水煤气、炼化尾气、沼气等可燃性气体为燃料，主要用于天然气、煤气、沼气资源丰富的地区，如油田、煤矿、焦化厂等部门作为生产动力用电或并网发电。燃气发电机组具有启动迅速、操作简便等特点，并设有自动保护系统、可实现无人值守，是节能、环保型动力设备。1立方米天然气可发电力3千瓦时，1立方米煤层气或炼化尾气可发电力2.7千瓦时，经济效益非常显著，是石油开采、煤矿、各种泵站、电站、工程机械等设备理想的动力装置。

目前国内外开发的燃气发动机多是在汽油机或柴油机基础上研制开发的，较大的燃气发动机基本上都是从柴油机改制过来的，转速为1000～1500r/min，采用电火花点火方式，压缩比通常比柴油机降低25～40%，根据进气方式的不同，功率降低的程度也有差别，预混合进气方式通常比原机功率下降10～25%。与中速柴油机相比，燃气发动机的热平衡如表1所示：

发动机热平衡分配表

热平衡分配项点

中速柴油机

中速燃气发动机

转为有效功的热量（%）

35～45

30～40

冷却介质带走的热量（%）

10～20

15～25

废气带走的热量（%）

30～40

35～45

其他热损失（%）

10～15

1～15

目前除少数高性能的燃气发动机外，大部分的燃气发动机的有效热效率都比柴油机小，而冷却水及排出废气带走的热量所占的比重却相对较大，综合利用这一能量可使发动机的有效热效率达到70%以上，起到较好节能效果。

三、余热利用方式

综合利用燃气发动机热能主要从三个方面着手：即电力供应、采暖洗浴等供热以及夏季空调制冷。目前国外热电或冷电两联供的燃气发动机综合应用实例较多，三者集中于整套动力设备的情况较少，国内还没有使用的介绍。从技术可行性的角度出发，是完全可以达到的。在综合利用的设计过程中应充分考虑以下几方面的因素：

a、利用应避免对发动机的性能产生大的影响，即不影响燃气发电机组的正常运行及功率输出；

b、排气总管到热交换器之间的距离应尽可能短，同时应充分考虑排气管的隔热保温，减少从发动机排气出口至热交换器文章的热量损失；

c、需要考虑燃气发电机组负荷变化时给制冷、制热造成的影响，避免因负荷变化使制冷（或制热）过量或能力不足；

d、考虑到整个流程控制范围大、项点多、操作难度大等因素，整个系统应尽可能实行电气自动化控制和监测；

e、整套系统应充分考虑维护操作以及使用的安全性。

3.1 热电联供

在燃气发电站中采用热电联供装置，可在机组发出电力的同时，将燃气发动机排出的热量充分利用起来，用于冬季取暖以及日常洗浴等生活之用。设计时应考虑的因素包括热水量的调节、热水系统的压力、热水系统与热源设备的配套连接、多余热水部分的旁通及紧急情况下热水的切断等。

采用这种方式时，生活用洗浴热水取自发动机冷却水热交换器，这部分水的温度一般在40～50℃，完全能够满足使用要求；生活区取暖用热水取自排气部分，燃气发动机的排气温度一般在450～550℃，加热后的热水温度可达到80～110℃（压力在0.2MPa左右），这样可以保证取暖所需的热量

3.2 发电与制冷、制热三联供

另外一种余热利用的方式是在满足机组发电的同时，利用冷却水及排气的热量进行制冷和制热，即冷、热、电三联供。供热我们仍然采用3.1所述方案，而制冷部分我们可使用较成熟的吸收式溴化锂制冷机，其结构由高发部分和主体部分组成。

这个综合利用方案，考虑到四季变化的因素，在春秋二季很可能不用制冷取暖的功能，因此排气余热须直接排入大气，因此在机组排气出口处加装一自动温度控制阀，以决定机组排气的走向。同时保留生活洗浴，并在夏季利用冷却塔的水调配。在该方案中，生活区洗浴等生活热水仍然由发动机冷却循环水加热；在生活区制冷、取暖方面，将发动机排气余热夏季通过热水型溴化锂制冷机提供制冷，冬季通过烟气热交换器制热，制冷高发器与烟气热交换器可并联设置。采用此方案，燃气发电站提高了自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。

四、应用技术

目前根据了解的情况，燃气发动机的综合利用主要是热电、冷电两联供方面，CAT、MTU、Jenbacher等国外大公司在国内污水处理、垃圾处理站等处都有实际使用的实例。其主要特点是采用了高效实用的余热换热器充分利用排气余热，用于制冷或供热，并能对发动机、制冷机、冷热水管线，燃气管线等的运行参数进行跟踪和远程监控，做到实时调节系统运行参数，降低了操作者的劳动强度，提高了系统运行的稳定性。

我国在发动机余热利用方面应用实例还不多，而作为全国最大的燃气发动机研发基地的中石化下属企业胜利油田胜利动力机械有限责任公司已开展了这方面的研究开发工作，除了在已用的实例中采用的热电联供外，目前已经成功的研制出国内第一套冷、热、电三联供系统综合应用装置。此系统采用大型天然气发电机组作为主动力源，由发动机冷却水利用机组开式冷却装置中的热交换器将热量供给用户；利用发动机废气通过热水型溴化锂制冷机提供制冷，目前已经取得巨大成功，并开始向社会进行推广应用。

五、结束语

对于石油行业来说，采油作业中最大的一部分成本就是耗电费用。利用天然气发电大幅度降低了工矿企业的用电费用，充分利用了排空的天然气或其他可燃性气体，变废为宝，节约了能源，消灭了天然气排空时的燃烧火炬，同时节约了排空天然气的燃烧费用。因此，利用天然气发电取代网电和供电线路的建设，可直接降低油田的采油、采气和集输成本。因此，利用天然气发电机组建成发电站进行发电，是各单位创造高额经济效益的最佳选择。

同时，将燃气发电机组的余热加以利用，可显著提高机组运行的经济效益，在发电上网的同时，减少了生活用热水的能源消耗，减少了锅炉加热及空调制冷设备的配置及维护保养，方便了电站的管理，也提高了燃气发电站的自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。我公司冷、热、电三联供的成功运行，为余热利用积累了宝贵的经验，贵州燃气发电机组也将为广大用户带来更大的经济效益。