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天然气发动机 |
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| 天然气发动机 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 15:09:38  |
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天然气发动机已经应用于汽车工业，本文将介绍天然气发动机技术在制冷领域的应用。开拓天然气应用领域，除了环境保护和节能价值，对改善我国的能源结构也有着重要的意义。
在制冷设备中，冷水机组是工业民用建筑和各种娱乐场所等公共建筑集中空调系统的主要设备，用来提供空调和生产工艺所需的冷水。冷水机组主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构、控制器件、仪器仪表等组成，它们被组装在一个整体钢架上，外部只需接上冷水管、冷却水管路系统和压缩机驱动装置即可使用［1］。冷水系统与末端设备(风机盘管、组合式空调器、吊顶式空调机组、柜式空调器等)、冬季增设热源和换热设备，综合在一起组成集中空调系统。
普通的冷水机组以电力为能源，而随着我国经济建设的快速发展，电力供应日趋紧张，冷水机组作为大量耗电的空调设备在为人们创造舒适环境的同时也加剧了这一矛盾。解决电力的供需矛 盾已成为十分紧迫的课题，例如重庆在2010年前将投资600亿元用于建设发电，以满足用电的需求。但在目前情况下通过增加发电量来解决电力不足的局面还存在着一定的负面影响，众所周知，我国80％的电力是靠煤炭发电取得的，而煤炭燃烧所排放出的SO2正是形成酸雨的罪魁祸首，是造成中国生态环境破坏的最大污染源［2］。据统计，中国的能源消费占世界的8％～9％，但SO2的排放占到世界的15．1％，煤炭燃烧所排放的SO2又占全国排放量的90％［3］。面对严峻的环保形势，通过建设火力发电站来满足日益增长的用电 需求并不是完善之举。
1 应用的可行性
一年中的用电最高峰总是出现在夏季，这与夏季大量的制冷需求密切相关，而此时天然气的需求又是一年中最低的(如图1)［4］，用天然气实现制冷正好实现了两者的互补。
我国西部蕴藏着22．4万亿m3的天然气资源，约占全国陆上天然气资源总量的60％。我国东部地区发展速度快、能源供应紧缺，对优质清洁的天然气需求量大，但过去由于地域的限制没有形成规模的输送管网，大大限制了天然气应用技术的使用和推广。现在国家“十五计划”中的“西气东输”工程正在建设，到2004年将形成西起新疆塔里木的轮南，东至上海西郊，途经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏等省区，全长4212 km的天然气输送管路。同时国家也正在考虑从俄罗斯贝加尔湖北部、亚库特、伊尔库茨克等地引进天然气，从北往南送到北京，从而在“十五”期间初步形成全国性的天然气输送管网。这些都将为全国范围内推广使用天然气提供必要的条件。
在国家加快能源结构改造的大背景下，用户用天然气发动机来替代冷水机组中的电动机，不但能享受国家对使用清洁能源的鼓励政策，同时也可避免因电力短缺而带来设备运行上的困扰。天然气发动机和冷水机组是两项已经非常成熟的技术，将两个系统加以整合在技术上没有什么困难，国外这样的应用已有先例。美国在制衣、电镀、食品加工、热处理、塑料加工等行业早已出现了使用天然气发动机驱动的冷水机组。
2 系统简介
系统主要分为发动机系统、压缩制冷系统和控制系统。发动机系统主要包括天然气进气和汽化系统、发动机以及发动机冷却和排气热回收系统；压缩制冷系统包括：压缩机(活塞式、螺杆式和离心式)、膨胀阀、蒸发器和冷凝器；控制系统根据负荷变化控制发动机的转速和进气量，以及发动机的冷却水量。发动机与压缩机的联接可以是电磁离合器或变速箱(见图2)。
在对冷水机组进行发动机选型时有两种类型的发动机可供选择：工业用发动机和车用型发动机。工业用发动机被设计用于长时间运行的领域中，他们的最高转速可达1800 r/min，两次大修之间的运行时间超过20000 h。工业发动机经过特殊设计，所有磨损的零件都可以方便地被更换。由于通过大修可以延长发动机的使用寿命，所以发动机寿命远超过设计寿命，只是工业用发动机要比车用型发动机贵得多。车用发动机被设计运行在高转速下(超过3000 r/min)，经过适当改装后作为冷水机组的动力源。车用级发动机相对工业用发动机而言比较便宜，因而可以减少项目的资金投入。这类发动机相对较小较轻，其部件的成本低并容易获得。但是这类发动机的使用寿命明显较短，在达到使用寿命后车用级发动机通常是整个换掉，而不象工业用发动机那样大修一下就行了。因此在考虑成本时，除了安装之初设备费用的差别外还需计入今后运行过程中定期更换发动机或零部件的费用，同时也要考虑到更换车用级发动机与大修工业级发动机的停工期的差别(分别用2天和2周)。
天然气发动机系统的噪音比用电机组要高，民用场合使用时需要采取一定的隔音措施。发动机在运行的时候要消耗大量氧气，因此必须注意保持整个系统通风良好。国家对发动机的排放也有一定的要求，因此采用天然气发动机的冷水机组必须要符合相关的排放法规。实际上，天然气发动机完全能够满足现行最严格的发动机排放法规。
3 系统优点
从性能上讲，用天然气发动机取代电动机可以改善冷水机组在部分负荷下的特性。由于电动机的调速机构较昂贵，一般电动机驱动冷水机组时都固定转速，只利用压缩机上的简单机构进行能量调节，这样的方法使得能量调节的范围比较小，而且压缩机的运行效率也较低。在改用天然气发动机后就可以很方便地调节转速来控制不同的能量输出，大大改善了机组在部分负荷下的性能。据计算，天然气发动机驱动冷水机在全负荷运行时(不带热回收)COP值为1．4左右，带热回收的系统COP值接近1．9。
使用天然气发动机所带来的显著经济效益是其极具应用前景的主要原因。相对于电动机，使用天然气发动机作为动力源其主要优点如下。
3．1 产生压缩空气的成本较低
根据目前电力价格与天然气的价格，使用天然气是更经济的选择。举个例子：1台80 kW压缩机以两班制运行，假设平均负荷71％，电动机效率95％，则每年要消耗35．3万kWh的电能。若每千瓦时以0．6元计，则每年的电费将达21万元之多，远远超过了压缩机的价格。以上的成本计算还未计入工业用电每月的基本电费，按每月15元/kW计，则一年又要增加14563元。假设用天然气发动机，效率27％，工业用天然气价格为1．5元/m3，热值为46MJ/m3，则使用天然气全年燃气费用为145854元。相比用电每年可节约8万元左右，经济效益可观。
3．2 制冷制热提供蒸汽和热水的成本比较低
天然气发动机运行过程中约70％的天然气能量是以显热的形式从冷却水和排气中排出的，通过在发动机的冷却水循环系统和排气管上加装简单的热交换装置可以回收约75％的热量。回收的这部分热量所产生的热水可供生活和生产用，对于需要压缩空气同时又需要热水的场合是非常适合的。
3．3 在使用周期内成本较低
虽然天然气发动机的设备成本和维护费用要比电动机高，但考虑到这样的系统一般使用寿命长达20 a，在这期间所节约下的能源费用将远远高于设备上的投入。
3．4 应急后备动力设备成本低
天然气发动机靠蓄电池启动，不需要电网供电，当发生供气中断的意外情况时，只需简单地换上化油器就可使发动机燃用汽油继续工作；而使用电动机的系统为防备供电故障，必须有一套备用的发电机，这套备用设备价格昂贵，并且在绝大部分时间内是闲置不用的。
4 结束语
在发达国家中，一座建筑所需能量的80％用于空调和热水供应，而这正是天然气发动机冷水机组可以发挥的优势。在我国该项技术尚是空白，某些关键部分如发动机与冷水机组控制系统的整合也有待进行专门研究，将整个系统商业化、产品化还有很多工作要做。
参考文献
［1］陶慰祖，张 欧，陶海澄．冷水机组［M］．北京：科学出版社，2001．
［2］马重芳．中国能源消费的环境效应评述［EB/OL］．http：//www．cas．ac．cn．
［3］杨志荣．电力需求侧管理［J］．能源、电力要与经济环境协调发展．2001，8：7．
［4］徐吉浣，范存养，范际礼．外滩CBD供能方案的建议［J］．上海建设科技，1995，(5)：43－44． |
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