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2021-03-17 14:25:44

1 概述

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。

目前燃气内燃机尚未得到大规模应用,使燃气内燃机开发难度大,成本高,产量小,加之国内从事研究开发的科研院所和生产制造的企业相对较少,导致燃气内燃机的发展受到了很大的制约。

国内分布式能源项目的动力设备大多靠进口,价格贵一倍以上,而且气价居高不下,运行成本偏高,业主投资不容易下定决心,这也间接限制了分布式能源的发展。根据国家的分布式能源规划,燃气内燃机需求量将会大幅度增加,设备国产化是降低造价的重要环节,正在开始的设备国产化进程必须加快。因此,了解国内燃气内燃机的厂家分布、制造水平、运行情况,掌握准确的国内技术水平,进一步推广国产设备成为当务之急。

3.2 技术现状

我国轻型与重型燃气内燃机制造已有一定基础,余热锅炉、溴化锂制冷机和燃气轮机早已国产化批量生产。根据国内企业调研了解的情况,国内燃气内燃机制造的功率主要在1 000 kW 以下,有一定的设备制造工艺经验,技术来源主要分为在原有柴油机基础上自行研制开发、与国外公司合作研制开发、采用进口硬件与自主产权控制系统相结合等,使国产设备在性能、燃料多样化、自控和点火能量等几个方面得到提升。

① 技术提升

a. 采用国际先进的燃气外部混合方式,即燃气与空气的混合方式采用增压前预混模式,实现了可燃混合气的高品质要求。同时,采用了增压中冷技术,提高了整机经济性能。

b. 采用国际上先进的电控空燃比可调稀薄燃烧技术,在空燃比的补偿自动调控技术应用方面有较大的进展。

c. 采用磁电机点火或数字点火、电子调速的高能量点火系统。

d. 采用具有联网与通信功能的程控器,实现全面自诊断,使设备运行更安全。

以上关键技术,国内的制造厂家已逐步掌握,并在沼气、油田伴生气、焦炉煤气等领域有所应用,充分验证了国产内燃机在动力性、经济性、可靠性和安全性方面有了大幅度提高,部分主要性能指标达到了国际先进水平。

② 技术不足

a.长寿命周期原材料: 燃气内燃机的燃料特性以及燃烧特性会产生爆震、热负荷大、零件腐蚀磨损加快等问题,国外对使用不同气体燃料的内燃机都开发有专用的材料及零部件,使其可靠性得到较好的保证。

b.机械精密加工技术: 在曲轴、气缸及活塞的核心加工技术与进口设备存在差距,加工精度和加工材料结构性能的不足,还导致燃烧温度与国外机组有一定差距。

c. 涡轮增压技术: 国内与国外同规格的燃气内燃机相比,功率相差较大,增压技术是关键。国内燃气内燃机多用柴油的增压器改制匹配,缺乏针对性,效率不高,压气机易喘振等,匹配适用性差。应针对不同的气体燃料特性,进行可变几何涡轮增压器( VGT) 以及高增压( 米勒循环) 增压器燃气内燃机的开发。

d.同一系列产品气源变化适应性: 由于气体燃料受生产原料、生产过程、地域气候等多种因素的影响,组成经常发生变化,使机器运转受到影响,目前从国内外的资料分析,闭环( 或开环) 电控缸内喷射技术被认为是最好的方式,可以使同一系列产品普及到所有气体燃料,但零部件价格高,国内外生产厂家少,难以推广应用。机械控制缸外喷射以及各种预混合技术价格适宜,但控制精度低,对不同气体燃料适应程度较低。

3.3 制约因素

① 缺少国家层面的统一规划

燃气内燃机属技术、资金、人才密集领域,是研发周期长、生命周期长的战略产业。目前中国缺少可持续的统一规划,并且投资力度小。目前,能源装备遵循市场经济规律,市场需要成熟产品,而新研制产品在这种情况下,如果没有国家的政策支持,以纯粹市场模式,与资金雄厚、先于中国发展几十年的国外大公司同台竞争,中国的自主品牌成长为有竞争力的产品的艰难性和周期是可想而知的。《中国制造2025》一文中提出了建设制造强国的战略支撑与保障措施,需要相关部门加快落实各项政策支撑与保障措施的细则。

② 基础技术薄弱

西方国家内燃机已经积累了丰富的研制、使用和管理经验。先进技术的预先研究无疑是内燃机提高性能与可靠性和缩短研制周期的保证。比如,稀薄燃烧技术在美欧等国家几十年前就开始研究,现在已经成熟应用,而中国在这方面的研究却不多; 在长寿命材料、精密机加工、先进能量梯级利用技术等方面,中国与国外相比同样存在一定差距,这些明显制约了内燃机的快速发展。

③ 产品研发与应用存在矛盾

市场需要的是成熟产品,而刚研发出来的产品未经考核不成熟。国外内燃机研发公司都有自己的新产品考核工厂,而中国没有对这种考核工厂提供良好配套政策和环境,致使新研制产品无处考核与鉴定,无法进入市场应用。

④ 引进技术消化不足

采用进口硬件或合作开发的企业,对内燃机核心部件的技术引进吸收和研究消化不足。目前,这些企业在核心技术上严重依赖制造厂家,使得内燃机企业在售后服务合作中处于被动地位。

3.4 推进国产化意义

根据已有分布式能源项目的投资情况,动力设备造价约占设备总造价的50%,选用国产燃气内燃机组造价约为2 200 /kW,进口机组造价约为3 800 /kW,国产设备价格具有明显优势,可大幅度减少项目造价。经过初步计算,国产设备运行费约0.08 /( kW·h) ,而进口设备运行费约0.10/( kW·h) ,同样,国产设备的维护费用及维护周期也具有一定优势。

推进国产化工作不仅可以降低造价,方便项目运行,还可以带动原材料及余热利用设备等制造产业的发展,更能够促进我国机械制造业的升级及高端装备制造业的发展,具有深远意义。

4 燃气内燃机制造企业情况

① 东营A公司

东营A 公司是国内主要的燃气内燃机制造企业,燃气内燃机产品涵盖天然气、煤矿瓦斯、沼气等燃气领域,具有国家分布式能源燃气内燃机装备自主化研发制造基地,主要设备型号见表1


② 济南B公司

济南B 公司是中国石油天然气集团公司下属的动力装备研发制造企业,是我国最早生产柴油机的厂家之一,主要设备型号见表2


③ 潍坊C公司

潍坊C公司是国内主要的汽车及装备制造企业,燃气动力发动机基于成熟的柴油机本体,结合天然气发动机技术特点,对活塞、缸盖、增压器、气门座圈、气门等零件进行重新设计,主要设备型号见表3


④ 义乌D公司

义乌D 公司是国内一家从事发电机组生产、销售和维修服务的综合企业,是康明斯、珀金斯、道依茨等国外品牌的在华生产厂家,主要设备型号见表4


5 燃气内燃机运行情况

① 康迪粉业有限公司内燃机组

康迪粉业有限公司的分布式能源项目选用两台潍坊C 公司的CW12V200ZT 内燃机组,额定功率为880 kW,额定电压为400 V,目前单台机组最大可发电650 kW,与厂内400 V 市电并网,用于对生产设备供电。气源为企业自产的沼气,并保证进气压力在4 kPa。到目前机组已累计使用2 000 h,进行过一次停机维护,机组运行正常。康迪粉业有限公司应用的潍坊C 公司机组见图4


图4 康迪粉业有限公司应用的潍坊C公司机组

② 东营A 公司老厂区中央空调站

该中央空调站紧邻办公大楼,气源为天然气,以一台东营A 公司12V190ZL内燃机为核心,利用余热回收技术组成集发电、制冷、制热于一体的分布式能源站,自2002 6 8 日投入正常运营至今。东营A 公司老厂区中央空调站燃气内燃机见图5。项目在保证9 000 kW·h /d 的正常日发电量以外,还提供16 000 m2 的冬季供暖、7 000 m2 的夏季供冷及常年热水供应。


图5 东营A公司老厂区中央空调站燃气内燃机

③ 东营A 公司新厂区域三联供系统

该系统是住建部国家级节能示范项目一期工程,利用1 台东营A 公司6190ZL内燃机、1 台制冷量580 kW( 制热量465 kW) 溴化锂机组和1 套制冷量367 kW( 制热量390 kW) 地源热泵,组成三联供系统,一次能源利用率最高可达85%。东营A 公司新厂区域三联供系统燃气内燃机见图6。


图6 东营A公司新厂区域三联供系统燃气内燃机

6 国产化建议

① 国产燃气内燃机一般采用进口硬件与自主知识产权配件、控制系统相结合或与国外合作开发的模式,确保国产燃气内燃机的质量与性能。国内企业需要在此基础上,提高机械加工能力,加快研发拥有自主知识产权的核心部件。

② 国产燃气内燃机气源适应范围广,已在沼气、焦炉煤气、煤矿瓦斯、油田伴生气等多种气体组成的气源条件下得到广泛应用,充分验证了国产燃气内燃机的动力性与安全性,也为高品质天然气内燃机技术打下坚实基础。

③ 国产燃气内燃机在项目投资、建设周期、维修周期等方面都较进口设备有优势,但业主需紧密跟踪内燃机的制造材料来源、制造过程和出厂前各项测试,确保设备在全程制造严格控制的情况下出厂。

④ 针对燃气内燃机NOx高排放的问题,通过充分利用烟气和缸套水余热、增加脱硝装置的方式,可以大幅度降低NOx排放量,符合国内排放要求。

⑤ 燃气内燃机运行只需要中、低压燃气,且受海拔、环境温度影响很小,适用于具有稳定的电负荷、空调负荷、供暖负荷和蒸汽负荷的楼宇式建筑,具有一定的经济效益。

⑥ 分布式能源系统是一条高效利用能源的好方式,是城市能源建设的重要方面,可以缓解季节性电力短缺,改善生活环境。若能采取大型燃气发电厂集中建设与各类建筑( 群) 分布式能源供应系统分散建设并举的政策,既可减轻建设大型燃气发电厂在资金、环保和供水等方面的压力,又可提高城市能源供应的安全可靠度。因此,推广分布式能源系统需要政府在项目建设、气价和电价等政策上给予支持。

7 结语

在客观分析国产燃气内燃机现状的基础上,加深对国内厂家及其产品的了解,总结国产燃气内燃机优势,并提出国产化建议。核心设备的国产化研究是提升企业核心竞争力、实现降本增效的有效途径,通过深入理论研究,优化设备选型,为企业的科学发展提供有力保障,为我国高端机械装备制造业的崛起贡献力量。


(作者:黄宇 中海石油气电集团有限责任公司)