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以天然氣為燃料的燃?xì)鈾C(jī)應(yīng)用前景探討
以天然氣為燃料的燃?xì)鈾C(jī)應(yīng)用前景探討 [內(nèi)容摘要] 本文介紹了以天然氣為燃料的燃?xì)鈾C(jī)的特點和主要機(jī)型,對利用燃?xì)鈾C(jī)實現(xiàn)熱電聯(lián)供的可能性及應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。
[關(guān) 鍵 詞] 燃?xì)鈾C(jī) 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(rèn)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(jì)的高速發(fā)展帶來了日趨嚴(yán)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。特別是在我國北方城市,冬季濃霧彌漫,引起多種呼吸道疾病,對人民生活和身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。同時燃煤小熱電還有高能耗的缺點,在九十年代后期,政府開始將目光投向天然氣這種清潔能源。天然氣的熱值高,約為36000~40000 kJ/Nm3,且燃燒后對環(huán)境污染小,是所有燃料中單位熱值CO2排放量最低的,且NOx的排放率也很低,可以滿足一般電廠的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn),因而將成為繼煤和石油后的主要能源。
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(jì)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(jì)體制下,建設(shè)運行費用由政府負(fù)擔(dān),其經(jīng)濟(jì)效益差的一面沒有反映出來,而在如今的市場經(jīng)濟(jì)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(fù)。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。同時原有城市規(guī)劃對熱網(wǎng)考慮不夠,使增建的熱網(wǎng)管道影響城市美觀,同時敷設(shè)時需要部分建筑物拆遷等。另外城市中的熱電廠增加了市內(nèi)污染物的排放,使局部環(huán)境惡化。因此有必要借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗,如一些國家采用分散供熱的模式,工業(yè)企業(yè)自備熱電站和分散的小型熱電站相現(xiàn)結(jié)合的方式,分別滿足工業(yè)和居民的熱需求。在這種情況下,燃用天然氣的燃?xì)鈾C(jī)成為人們選擇的主要供熱發(fā)電設(shè)備之一。
早在1894年已有了以天然氣為燃料的發(fā)動機(jī),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?xì)鈾C(jī)和燃天然氣-輕柴油的雙燃料柴油機(jī)。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(jì)性。從效率上來說,單機(jī)輸出功率50MW以下的熱機(jī)以柴油機(jī)和燃?xì)鈾C(jī)為最高,發(fā)電效率可達(dá)40%以上,熱電聯(lián)供效率更高達(dá)80%;單機(jī)功率大于50MW時,燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率較高。有鑒于此,目前國際上燃?xì)鈾C(jī)及雙燃料柴油機(jī)應(yīng)用很廣。
二、燃?xì)鈾C(jī)機(jī)型介紹
目前世界上比較有代表性的燃?xì)鈾C(jī)制造企業(yè)有總部設(shè)在瑞士的W?RTSIL? NSD公司的燃?xì)鈾C(jī),其功率范圍在1000~5500kW、德國MAN B&W公司的雙燃料柴油機(jī),其功率范圍在2400~16200kW,還有奧地利JENBACHER公司的70~2700kW燃?xì)鈾C(jī)。下面對這幾種機(jī)組分別作一簡單介紹。
1. W?RTSIL? NSD公司的燃?xì)鈾C(jī)
瓦錫蘭恩斯迪集團(tuán)公司是世界最大的中速柴油機(jī)及燃?xì)鈾C(jī)設(shè)備制造公司,該公司有燃天然氣的燃?xì)鈾C(jī)(2100kW~5500kW),也有燃?xì)?輕柴油雙燃料機(jī)組(4300kW~15800kW)。這里主要介紹它的燃?xì)鈾C(jī)。
影響內(nèi)燃機(jī)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?xì)鈾C(jī)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(jī)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(jī)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(fù)責(zé)速度、負(fù)荷的控制、吸氣點火系統(tǒng)及機(jī)組起停和保安報警,調(diào)節(jié)空氣-燃料比。
以34SG為例,其主要參數(shù)如下:
氣缸數(shù): 12,16,18
缸徑: 340 mm
沖程: 350 mm
單缸功率: 293/305 kW
轉(zhuǎn)速: 720/750 r/min
活塞平均速度: 8.4/8.75 m/s
平均有效壓力: 14-16 bar
頻率: 60/50 Hz
熱耗率: 8790 kJ/kWh
2. 德國MAN B&W公司的雙燃料柴油機(jī)
燃?xì)?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(jìn)入燃燒區(qū),以相當(dāng)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(jìn)氣閥噴射進(jìn)入各獨立的氣缸外側(cè)空氣中,天然氣的噴射與進(jìn)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(jìn)行預(yù)混燃燒,然后進(jìn)入主燃燒室,燃?xì)�、空氣混合氣稀薄燃�?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(jī)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(jī)組可立即切換至燃輕柴油運行,保證機(jī)組連續(xù)安全運行。
機(jī)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?xì)饪刂坪拓?fù)荷控制。燃?xì)饪刂瓢C(jī)械式主節(jié)流閥、過濾器、雙聯(lián)燃?xì)忾y、冷凝液排放裝置和氣動燃?xì)庹{(diào)壓閥。
目前該公司推出的主導(dǎo)機(jī)型為32/40DG機(jī),其功率范圍為2400kW~7200kW,主要技術(shù)參數(shù)如下:
氣缸數(shù): 6,7,8,9,12,14,16,18
缸徑: 320 mm
沖程: 400 mm
單缸功率(甲烷值80-100): 385/400 kW
轉(zhuǎn)速: 720/750 r/min
活塞平均速度: 9.6/10 m/s
平均有效壓力: 19.9 bar
頻率: 60/50 Hz
油耗率: 8460 kJ/kWh
這類雙燃料機(jī)主要用于連續(xù)發(fā)電,運行方式以燃天然氣為主,輕柴油作為備用燃料,大大提高了電廠運行的可靠性。
3. 奧地利JENBACHER公司的燃?xì)鈾C(jī)
JENBACHER公司是較早專門研制燃?xì)鈾C(jī)的公司,它的燃?xì)鈾C(jī)有六大系列十幾種型號,缸數(shù)從6至20缸,缸徑116至190mm,可燃用高熱值的天然氣,也可燃用低熱值的污水、污泥沼氣、垃圾填埋氣,還有煤層氣、化工廠及工業(yè)生產(chǎn)中的可燃?xì)怏w等。燃?xì)鈾C(jī)為該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品,廣泛運用于世界各地。它的Lean NOx控制系統(tǒng)可稀釋混合燃?xì)?結(jié)合帶保護(hù)的電火花點火系統(tǒng),自動調(diào)節(jié)燃?xì)鈾C(jī)使之能高效燃燒所有燃?xì)?達(dá)到低排放量,保證NOx排放低于500mg/Nm3,CO排放低于650mg/Nm3 。
以JMS616GS-N.L機(jī)型為例,其參數(shù)如下:
氣缸數(shù): 16
缸徑: 190 mm
沖程: 220 mm
輸出電功率: 1942 kW
轉(zhuǎn)速: 1500 r/min
活塞平均速度: 11 m/s
熱耗率: 8930 kJ/kWh
三、利用燃?xì)鈾C(jī)熱電聯(lián)供
燃?xì)鈾C(jī)的余熱有三個來源,燃?xì)鈾C(jī)的高溫?zé)煔�、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?xì)鈾C(jī)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?xì)鈾C(jī)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(jī)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(jī)凝結(jié)水。
燃天然氣的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組熱和電的輸出情況見下表(以瓦錫蘭機(jī)組為例):
機(jī)型電力輸出
(MW)蒸汽流量
(t/h)蒸汽輸出
(MW)熱水流量
(t/h)熱水輸出
(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:供蒸汽參數(shù)為8 bar,170℃;供熱水參數(shù)為:85℃;進(jìn)水溫度:25℃。
四、燃?xì)鈾C(jī)電站的特點
1. 效率高
燃?xì)鈾C(jī)機(jī)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(dá)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(jī)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. 運行靈活,費用低
熱電聯(lián)供的燃?xì)鈾C(jī)電站可滿足分散供熱要求,不需鋪設(shè)大量供熱管網(wǎng),節(jié)約了運行管理費用。電站一般布置兩臺以上機(jī)組,以適應(yīng)不同熱負(fù)荷及電負(fù)荷要求,運行更加靈活方便。
5. 安裝簡便,維修方便
由于燃?xì)鈾C(jī)非高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械,且采用了底板彈簧隔振裝置,對設(shè)備基礎(chǔ)要求較低,安裝較為容易。維修工作可在現(xiàn)場完成。
6. 與燃?xì)廨啓C(jī)相輔相成
燃?xì)鈾C(jī)的應(yīng)用并不排斥燃?xì)廨啓C(jī),因其單機(jī)功率多在1~15MW,而燃?xì)廨啓C(jī)的主導(dǎo)機(jī)型在20MW以上,并且趨勢是發(fā)展大功率機(jī)組,二者并不沖突,各有市場,相輔相成。
五、前景
燃?xì)鈾C(jī)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?xì)鈾C(jī)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?xì)鈾C(jī)電站。
目前國內(nèi)柴油機(jī)制造廠尚未成功開發(fā)出燃?xì)鈾C(jī),進(jìn)口機(jī)組較高的價格限制了它的大規(guī)模使用,但只要燃?xì)鈾C(jī)能國產(chǎn)化,其應(yīng)用前景還是很樂觀的。
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