DQZHAN技術訊：分布式能源系統(tǒng)燃氣內燃機國產化現(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年內在分布式能源裝備核心能力和產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權的分布式能源裝備產業(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。燃氣內燃機通過燃燒天然氣獲得動力，帶動發(fā)電機組發(fā)電，產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)展天然氣產業(yè)與分布式能源的環(huán)境下，需要核心設備燃氣內燃機作為技術支撐，必須實現(xiàn)動力設備的國產化，才能促進分布式能源技術的發(fā)展。

2 燃氣內燃機介紹

燃氣內燃機的應用早在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) 的燃氣內燃機階段。

燃氣內燃機是以天然氣為燃料的4 沖程內燃機，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

燃氣內燃機主要結構與液體燃料內燃機( 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，直燃氣內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的小型預燃室，經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燃做功行程。此種在預燃室內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燃機。

2.3 設備優(yōu)點

燃氣內燃機的優(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濟性和投資彈性。因此，在國外無論是20～100 MW 熱電聯(lián)產電廠或者調峰電廠，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燃機。

另外，余熱梯級利用率高也是燃氣內燃機的突出優(yōu)勢。燃氣內燃機在燃料燃燒后產生的余熱有: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余熱鍋爐產生蒸汽或熱水，其缸套冷卻水經熱交換器產生熱水以供樓宇、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 燃氣內燃機國產化分析

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 以下的燃氣內燃機也是主要采購卡特彼勒、顏巴赫等國外廠家的產品，這種現(xiàn)狀限制了國內燃氣內燃機制造技術的**與發(fā)展。

目前燃氣內燃機尚未得到大規(guī)模應用，使燃氣內燃機開發(fā)難度大，成本高，產量小，加之國內從事研究開發(fā)的科研院所和生產制造的企業(yè)相對較少，導致燃氣內燃機的發(fā)展受到了很大的制約。

國內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。根據國家的分布式能源規(guī)劃，燃氣內燃機需求量將會大幅度增加，設備國產化是降低造價的重要環(huán)節(jié)，正在開始的設備國產化進程必須加快。因此，了解國內燃氣內燃機的廠家分布、制造水平、運行情況，掌握準確的國內技術水平，進一步推廣國產設備成為當務之急。

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化批量生產。根據國內企業(yè)調研了解的情況，國內燃氣內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權控制系統(tǒng)相結合等，使國產設備在性能、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，充分驗證了國產內燃機在動力性、經濟性、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: 燃氣內燃機的燃料特性以及燃燒特性會產生爆震、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: 國內與國外同規(guī)格的燃氣內燃機相比，功率相差較大，增壓技術是關鍵。國內燃氣內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)) 增壓器燃氣內燃機的開發(fā)。

d．同一系列產品氣源變化適應性: 由于氣體燃料受生產原料、生產過程、地域氣候等多種因素的影響，組成經常發(fā)生變化，使機器運轉受到影響，目前從國內外的資料分析，閉環(huán)( 或開環(huán)) 電控缸內噴射技術被認為是*好的方式，可以使同一系列產品普及到所有氣體燃料，但零部件價格高，國內外生產廠家少，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濟規(guī)律，市場需要成熟產品，而新研制產品在這種情況下，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品的艱難性和周期是可想而知的?！吨袊圃?025》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

西方國家內燃機已經積累了豐富的研制、使用和管理經驗。先進技術的預先研究無疑是內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，這些明顯制約了內燃機的快速發(fā)展。

③ 產品研發(fā)與應用存在矛盾

市場需要的是成熟產品，而剛研發(fā)出來的產品未經考核不成熟。國外內燃機研發(fā)公司都有自己的新產品考核工廠，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 推進國產化意義

根據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%，選用國產燃氣內燃機組造價約為2 200 元/kW，進口機組造價約為3 800 元/kW，國產設備價格具有明顯優(yōu)勢，可大幅度減少項目造價。經過初步計算，國產設備運行費約0.08 元/( kW˙h) ，而進口設備運行費約0.10元/( kW˙h) ，同樣，國產設備的維護費用及維護周期也具有一定優(yōu)勢。

推進國產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 燃氣內燃機制造企業(yè)情況

東營A 公司是國內主要的燃氣內燃機制造企業(yè)，燃氣內燃機產品涵蓋天然氣、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 公司是國內一家從事發(fā)電機組生產、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廠家，主要設備型號見表4。

5 燃氣內燃機運行情況

① 康迪粉業(yè)有限公司內燃機組

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400 V 市電并網，用于對生產設備供電。氣源為企業(yè)自產的沼氣，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?？档戏蹣I(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)燃氣內燃機

6 國產化建議

① 國產燃氣內燃機一般采用進口硬件與自主知識產權配件、控制系統(tǒng)相結合或與國外合作開發(fā)的模式，確保國產燃氣內燃機的質量與性能。國內企業(yè)需要在此基礎上，提高機械加工能力，加快研發(fā)擁有自主知識產權的核心部件。

② 國產燃氣內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，充分驗證了國產燃氣內燃機的動力性與**性，也為高品質天然氣內燃機技術打下堅實基礎。

③ 國產燃氣內燃機在項目投資、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，符合國內排放要求。

⑤ 燃氣內燃機運行只需要中、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

在客觀分析國產燃氣內燃機現(xiàn)狀的基礎上，加深對國內廠家及其產品的了解，總結國產燃氣內燃機優(yōu)勢，并提出國產化建議。核心設備的國產化研究是提升企業(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。