DQZHAN技術訊：分布式能源系統(tǒng)燃氣內(nèi)燃機國產(chǎn)化現(xiàn)狀及應用
1 概述
分布式能源具有能源利用效率高、環(huán)境負面影響小、提高能源供應可靠性和經(jīng)濟效益好的特點。發(fā)改能源［2011］2196 號文件《關于發(fā)展天然氣分布式能源的指導意見》中明確提出“‘十二五’初期啟動一批天然氣分布式能源示范項目，‘十二五’期間建設1 000 個左右天然氣分布式能源項目，并擬建設10 個左右各類典型特征的分布式能源示范區(qū)域。未來5～10年內(nèi)在分布式能源裝備核心能力和產(chǎn)品研制應用方面取得實質性突破。初步形成具有自主知識產(chǎn)權的分布式能源裝備產(chǎn)業(yè)體系”。
分布式燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，以天然氣為一次能源，同時產(chǎn)生電能和可用熱( 冷) 能的分布式供能系統(tǒng)。
冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)按功能可分成三個子系統(tǒng): 發(fā)電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。燃氣內(nèi)燃機冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)見圖1。
該系統(tǒng)的關鍵設備可分為: 動力設備、余熱鍋爐設備以及制冷設備。其中，動力設備是整個系統(tǒng)的核心。燃氣內(nèi)燃機通過燃燒天然氣獲得動力，帶動發(fā)電機組發(fā)電，產(chǎn)生的高溫煙氣送入余熱利用設備，冬季可用于供暖，夏季可用于供冷，還可生產(chǎn)生活熱水，驅動熱量不足部分可由補燃燃氣燃燒進行供應。根據(jù)項目的條件，聯(lián)供系統(tǒng)可靈活進行設備配置，如可采用冰蓄冷裝置、蓄熱裝置、熱泵等，提高系統(tǒng)的整體能源利用效率。
在大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)與分布式能源的環(huán)境下，需要核心設備燃氣內(nèi)燃機作為技術支撐，必須實現(xiàn)動力設備的國產(chǎn)化，才能促進分布式能源技術的發(fā)展。
2 燃氣內(nèi)燃機介紹
燃氣內(nèi)燃機的應用早在1970 年初期，以小型、高速機( 額定功率在1 000 kW 以下，轉速在1 000 r /min以上) 為主要市場供應產(chǎn)品，到1990 年初期邁入發(fā)展中大型、中速機( 額定功率在1 000 ～ 8 000kW ，轉速在1 000 r /min 以下) 的燃氣內(nèi)燃機階段。
燃氣內(nèi)燃機是以天然氣為燃料的4 沖程內(nèi)燃機，將奧托循環(huán)( Otto cycle) 和稀薄燃燒原理應用于氣缸的燃燒程序，天然氣與空氣在氣缸內(nèi)混合壓縮后點火發(fā)生爆燃，推動活塞帶動連桿和曲軸驅動發(fā)電機發(fā)電，此種由機械能轉換為電能的裝置也通稱燃氣內(nèi)燃發(fā)電設備，一般多應用于工業(yè)及陸上發(fā)電之用。
2.1 設備結構
燃氣內(nèi)燃機主要結構與液體燃料內(nèi)燃機( 柴油機、汽油機等) 基本相同，只是將液體燃料系統(tǒng)改為氣體燃料系統(tǒng)，一般由一個機體、兩大機構( 曲柄連桿機構、配氣機構) 和六大系統(tǒng)( 供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、電子調速系統(tǒng))組成，主要包括機體、曲軸、減震器、活塞、連桿、氣缸套、氣缸蓋、點火系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等部件。
2.2 工作原理
燃氣內(nèi)燃機每一個氣缸的工作循環(huán)，都是由吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程組成的。每一個氣缸完成一個完整的工作循環(huán)，活塞往復運動兩次，曲軸旋轉兩周。V 形氣缸排列活塞運動模型見圖2，直列形氣缸排列活塞運動模型見圖3。
a．開放式燃燒室: 火花塞在氣缸的燃燒室內(nèi)，直燃氣內(nèi)燃機通過火花塞點燃預先混合的天然氣與空氣，其點火方式有以下兩種:接點火燃燒被壓縮混合的天然氣與空氣。此種開放式燃燒室點火是典型設計。
b．預燃室: 以階段式燃燒過程進行點火，即火花塞安裝在氣缸頭內(nèi)的小型預燃室，經(jīng)過混合的天然氣與空氣被送進預燃室，由火花塞點火，點燃后的混合氣進入氣缸進行內(nèi)燃做功行程。此種在預燃室內(nèi)運用稀薄燃燒原理的技術已成熟應用于一般大型缸徑的內(nèi)燃機。
2.3 設備優(yōu)點
燃氣內(nèi)燃機的優(yōu)勢在于單位功率造價低、操作簡單、單機發(fā)電效率高，調節(jié)能力強，在特殊惡劣地理環(huán)境**率衰減影響*小，發(fā)電效率根據(jù)轉速及功率不同一般在30%～40%。這種傳統(tǒng)的能源利用設備應用非常普遍，可以搭配不同單機容量，以多機組合、可漸進擴充發(fā)電容量，滿足分布式能源項目經(jīng)濟性和投資彈性。因此，在國外無論是20～100 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠或者調峰電廠，還是樓宇式1～5 MW 三聯(lián)供分布式能源站都普遍選用燃氣內(nèi)燃機。
另外，余熱梯級利用率高也是燃氣內(nèi)燃機的突出優(yōu)勢。燃氣內(nèi)燃機在燃料燃燒后產(chǎn)生的余熱有:350 ～ 450 ℃的煙氣、90 ～ 110 ℃缸套冷卻水、50 ～ 80℃水冷式中冷器冷卻水和潤滑油冷卻水，熱回收可視需求分別從不同系統(tǒng)獲得。例如，可以利用高溫煙氣經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水，其缸套冷卻水經(jīng)熱交換器產(chǎn)生熱水以供樓宇、居住區(qū)冬季供暖，缸套冷卻水熱效率可達25% ～ 30%，煙氣熱效率( 排煙溫度由400 ℃ 冷凝到120 ℃ 的熱量利用率) 可達18% ～25%，總熱電效率可達85%。
3 燃氣內(nèi)燃機國產(chǎn)化分析
3.1 研究背景
國務院以國發(fā)〔2015〕28 號印發(fā)的《中國制造2025》中提出，制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家**、建設世界強國的必由之路。大力推動電力裝備、**數(shù)控機床和機器人等10個重點領域。
目前我國燃氣內(nèi)燃機的功率范圍主要集中在200 ～ 800 kW，800 kW 特別是1 000 kW 以上的燃氣內(nèi)燃機幾乎全部依賴進口，并且市場需求很大。由于燃氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在國內(nèi)尚屬于發(fā)展階段，出于設備質量與系統(tǒng)**性的考慮，對于800 kW 以下的燃氣內(nèi)燃機也是主要采購卡特彼勒、顏巴赫等國外廠家的產(chǎn)品，這種現(xiàn)狀限制了國內(nèi)燃氣內(nèi)燃機制造技術的**與發(fā)展。
目前燃氣內(nèi)燃機尚未得到大規(guī)模應用，使燃氣內(nèi)燃機開發(fā)難度大，成本高，產(chǎn)量小，加之國內(nèi)從事研究開發(fā)的科研院所和生產(chǎn)制造的企業(yè)相對較少，導致燃氣內(nèi)燃機的發(fā)展受到了很大的制約。
國內(nèi)分布式能源項目的動力設備大多靠進口，價格貴一倍以上，而且氣價居高不下，運行成本偏高，業(yè)主投資不容易下定決心，這也間接限制了分布式能源的發(fā)展。根據(jù)國家的分布式能源規(guī)劃，燃氣內(nèi)燃機需求量將會大幅度增加，設備國產(chǎn)化是降低造價的重要環(huán)節(jié)，正在開始的設備國產(chǎn)化進程必須加快。因此，了解國內(nèi)燃氣內(nèi)燃機的廠家分布、制造水平、運行情況，掌握準確的國內(nèi)技術水平，進一步推廣國產(chǎn)設備成為當務之急。
3.2 技術現(xiàn)狀
我國輕型與重型燃氣內(nèi)燃機制造已有一定基礎，余熱鍋爐、溴化鋰制冷機和燃氣輪機早已國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。根據(jù)國內(nèi)企業(yè)調研了解的情況，國內(nèi)燃氣內(nèi)燃機制造的功率主要在1 000 kW 以下，有一定的設備制造工藝經(jīng)驗，技術來源主要分為在原有柴油機基礎上自行研制開發(fā)、與國外公司合作研制開發(fā)、采用進口硬件與自主產(chǎn)權控制系統(tǒng)相結合等，使國產(chǎn)設備在性能、燃料多樣化、自控和點火能量等幾個方面得到提升。
① 技術提升
a． 采用國際先進的燃氣外部混合方式，即燃氣與空氣的混合方式采用增壓前預混模式，實現(xiàn)了可燃混合氣的高品質要求。同時，采用了增壓中冷技術，提高了整機經(jīng)濟性能。
b． 采用國際上先進的電控空燃比可調稀薄燃燒技術，在空燃比的補償自動調控技術應用方面有較大的進展。
c． 采用磁電機點火或數(shù)字點火、電子調速的高能量點火系統(tǒng)。
d． 采用具有聯(lián)網(wǎng)與通信功能的程控器，實現(xiàn)**自診斷，使設備運行更**。
以上關鍵技術，國內(nèi)的制造廠家已逐步掌握，并在沼氣、油田伴生氣、焦爐煤氣等領域有所應用，充分驗證了國產(chǎn)內(nèi)燃機在動力性、經(jīng)濟性、可靠性和**性方面有了大幅度提高，部分主要性能指標達到了******。
② 技術不足
a．長壽命周期原材料: 燃氣內(nèi)燃機的燃料特性以及燃燒特性會產(chǎn)生爆震、熱負荷大、零件腐蝕磨損加快等問題，國外對使用不同氣體燃料的內(nèi)燃機都開發(fā)有專用的材料及零部件，使其可靠性得到較好的保證。
b．機械精密加工技術: 在曲軸、氣缸及活塞的核心加工技術與進口設備存在差距，加工精度和加工材料結構性能的不足，還導致燃燒溫度與國外機組有一定差距。
c． 渦輪增壓技術: 國內(nèi)與國外同規(guī)格的燃氣內(nèi)燃機相比，功率相差較大，增壓技術是關鍵。國內(nèi)燃氣內(nèi)燃機多用柴油的增壓器改制匹配，缺乏針對性，效率不高，壓氣機易喘振等，匹配適用性差。應針對不同的氣體燃料特性，進行可變幾何渦輪增壓器( VGT) 以及高增壓( 米勒循環(huán)) 增壓器燃氣內(nèi)燃機的開發(fā)。
d．同一系列產(chǎn)品氣源變化適應性: 由于氣體燃料受生產(chǎn)原料、生產(chǎn)過程、地域氣候等多種因素的影響，組成經(jīng)常發(fā)生變化，使機器運轉受到影響，目前從國內(nèi)外的資料分析，閉環(huán)( 或開環(huán)) 電控缸內(nèi)噴射技術被認為是*好的方式，可以使同一系列產(chǎn)品普及到所有氣體燃料，但零部件價格高，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家少，難以推廣應用。機械控制缸外噴射以及各種預混合技術價格適宜，但控制精度低，對不同氣體燃料適應程度較低。
3.3 制約因素
① 缺少國家層面的統(tǒng)一規(guī)劃
燃氣內(nèi)燃機屬技術、資金、人才密集領域，是研發(fā)周期長、生命周期長的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。目前中國缺少可持續(xù)的統(tǒng)一規(guī)劃，并且投資力度小。目前，能源裝備遵循市場經(jīng)濟規(guī)律，市場需要成熟產(chǎn)品，而新研制產(chǎn)品在這種情況下，如果沒有國家的政策支持，以純粹市場模式，與資金雄厚、先于中國發(fā)展幾十年的國外大公司同臺競爭，中國的自主品牌成長為有競爭力的產(chǎn)品的艱難性和周期是可想而知的。《中國制造2025》一文中提出了建設制造強國的戰(zhàn)略支撐與保障措施，需要相關部門加快落實各項政策支撐與保障措施的細則。
② 基礎技術薄弱
西方國家內(nèi)燃機已經(jīng)積累了豐富的研制、使用和管理經(jīng)驗。先進技術的預先研究無疑是內(nèi)燃機提高性能與可靠性和縮短研制周期的保證。比如，稀薄燃燒技術在美歐等國家?guī)资昵熬烷_始研究，現(xiàn)在已經(jīng)成熟應用，而中國在這方面的研究卻不多; 在長壽命材料、精密機加工、先進能量梯級利用技術等方面，中國與國外相比同樣存在一定差距，這些明顯制約了內(nèi)燃機的快速發(fā)展。
③ 產(chǎn)品研發(fā)與應用存在矛盾
市場需要的是成熟產(chǎn)品，而剛研發(fā)出來的產(chǎn)品未經(jīng)考核不成熟。國外內(nèi)燃機研發(fā)公司都有自己的新產(chǎn)品考核工廠，而中國沒有對這種考核工廠提供良好配套政策和環(huán)境，致使新研制產(chǎn)品無處考核與鑒定，無法進入市場應用。
④ 引進技術消化不足
采用進口硬件或合作開發(fā)的企業(yè)，對內(nèi)燃機核心部件的技術引進吸收和研究消化不足。目前，這些企業(yè)在核心技術上嚴重依賴制造廠家，使得內(nèi)燃機企業(yè)在售后服務合作中處于被動地位。
3.4 推進國產(chǎn)化意義
根據(jù)已有分布式能源項目的投資情況，動力設備造價約占設備總造價的50%，選用國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機組造價約為2 200 元/kW，進口機組造價約為3 800 元/kW，國產(chǎn)設備價格具有明顯優(yōu)勢，可大幅度減少項目造價。經(jīng)過初步計算，國產(chǎn)設備運行費約0.08 元/( kW˙h) ，而進口設備運行費約0.10元/( kW˙h) ，同樣，國產(chǎn)設備的維護費用及維護周期也具有一定優(yōu)勢。
推進國產(chǎn)化工作不僅可以降低造價，方便項目運行，還可以帶動原材料及余熱利用設備等制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更能夠促進我國機械制造業(yè)的升級及**裝備制造業(yè)的發(fā)展，具有深遠意義。
4 燃氣內(nèi)燃機制造企業(yè)情況
東營A 公司是國內(nèi)主要的燃氣內(nèi)燃機制造企業(yè)，燃氣內(nèi)燃機產(chǎn)品涵蓋天然氣、煤礦瓦斯、沼氣等燃氣領域，具有國家分布式能源燃氣內(nèi)燃機裝備自主化研發(fā)制造基地，主要設備型號見表1。
濟南B 公司是中國石油天然氣集團公司下屬的動力裝備研發(fā)制造企業(yè)，是我國*早生產(chǎn)柴油機的廠家之一，主要設備型號見表2。
濰坊C公司是國內(nèi)主要的汽車及裝備制造企業(yè)，燃氣動力發(fā)動機基于成熟的柴油機本體，結合天然氣發(fā)動機技術特點，對活塞、缸蓋、增壓器、氣門座圈、氣門等零件進行重新設計，主要設備型號見表3。
義烏D 公司是國內(nèi)一家從事發(fā)電機組生產(chǎn)、銷售和維修服務的綜合企業(yè)，是康明斯、珀金斯、道依茨等國外品牌的在華生產(chǎn)廠家，主要設備型號見表4。
5 燃氣內(nèi)燃機運行情況
① 康迪粉業(yè)有限公司內(nèi)燃機組
康迪粉業(yè)有限公司的分布式能源項目選用兩臺濰坊C 公司的CW12V200ZT 內(nèi)燃機組，額定功率為880 kW，額定電壓為400 V，目前單臺機組*大可發(fā)電650 kW，與廠內(nèi)400 V 市電并網(wǎng)，用于對生產(chǎn)設備供電。氣源為企業(yè)自產(chǎn)的沼氣，并保證進氣壓力在4 kPa。到目前機組已累計使用2 000 h，進行過一次停機維護，機組運行正常。康迪粉業(yè)有限公司應用的濰坊C 公司機組見圖4。
圖4 康迪粉業(yè)有限公司應用的濰坊C公司機組
② 東營A 公司老廠區(qū)中央空調站
該中央空調站緊鄰辦公大樓，氣源為天然氣，以一臺東營A 公司12V190ZL內(nèi)燃機為核心，利用余熱回收技術組成集發(fā)電、制冷、制熱于一體的分布式能源站，自2002 年6 月8 日投入正常運營至今。東營A 公司老廠區(qū)中央空調站燃氣內(nèi)燃機見圖5。項目在保證9 000 kW˙h /d 的正常日發(fā)電量以外，還提供16 000 m2 的冬季供暖、7 000 m2 的夏季供冷及常年熱水供應。
圖5 東營A公司老廠區(qū)中央空調站燃氣內(nèi)燃機
③ 東營A 公司新廠區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)
該系統(tǒng)是住建部***節(jié)能示范項目一期工程，利用1 臺東營A 公司6190ZL內(nèi)燃機、1 臺制冷量580 kW( 制熱量465 kW) 溴化鋰機組和1 套制冷量367 kW( 制熱量390 kW) 地源熱泵，組成三聯(lián)供系統(tǒng)，一次能源利用率*高可達85%。東營A 公司新廠區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣內(nèi)燃機見圖6。
圖6 東營A公司新廠區(qū)域三聯(lián)供系統(tǒng)燃氣內(nèi)燃機
6 國產(chǎn)化建議
① 國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機一般采用進口硬件與自主知識產(chǎn)權配件、控制系統(tǒng)相結合或與國外合作開發(fā)的模式，確保國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機的質量與性能。國內(nèi)企業(yè)需要在此基礎上，提高機械加工能力，加快研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權的核心部件。
② 國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機氣源適應范圍廣，已在沼氣、焦爐煤氣、煤礦瓦斯、油田伴生氣等多種氣體組成的氣源條件下得到廣泛應用，充分驗證了國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機的動力性與**性，也為高品質天然氣內(nèi)燃機技術打下堅實基礎。
③ 國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機在項目投資、建設周期、維修周期等方面都較進口設備有優(yōu)勢，但業(yè)主需緊密跟蹤內(nèi)燃機的制造材料來源、制造過程和出廠前各項測試，確保設備在全程制造嚴格控制的情況下出廠。
④ 針對燃氣內(nèi)燃機NOx高排放的問題，通過充分利用煙氣和缸套水余熱、增加脫硝裝置的方式，可以大幅度降低NOx排放量，符合國內(nèi)排放要求。
⑤ 燃氣內(nèi)燃機運行只需要中、低壓燃氣，且受海拔、環(huán)境溫度影響很小，適用于具有穩(wěn)定的電負荷、空調負荷、供暖負荷和蒸汽負荷的樓宇式建筑，具有一定的經(jīng)濟效益。
⑥ 分布式能源系統(tǒng)是一條高效利用能源的好方式，是城市能源建設的重要方面，可以緩解季節(jié)性電力短缺，改善生活環(huán)境。若能采取大型燃氣發(fā)電廠集中建設與各類建筑( 群) 分布式能源供應系統(tǒng)分散建設并舉的政策，既可減輕建設大型燃氣發(fā)電廠在資金、環(huán)保和供水等方面的壓力，又可提高城市能源供應的**可靠度。因此，推廣分布式能源系統(tǒng)需要政府在項目建設、氣價和電價等政策上給予支持。
7 結語
在客觀分析國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機現(xiàn)狀的基礎上，加深對國內(nèi)廠家及其產(chǎn)品的了解，總結國產(chǎn)燃氣內(nèi)燃機優(yōu)勢，并提出國產(chǎn)化建議。核心設備的國產(chǎn)化研究是提升企業(yè)核心競爭力、實現(xiàn)降本增效的有效途徑，通過深入理論研究，優(yōu)化設備選型，為企業(yè)的科學發(fā)展提供有力保障，為我國**機械裝備制造業(yè)的崛起貢獻力量。
