深圳市規(guī)劃國(guó)土發(fā)展研究中心 張 濤

淺析天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備
——斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

深圳市規(guī)劃國(guó)土發(fā)展研究中心 張 濤

介紹了天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的技術(shù)原理和系統(tǒng)組成，并描述了作為天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備——斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用，意在為同行們更好的了解斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

天然氣 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng) 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

1 天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 技術(shù)原理

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是指將天然氣燃燒后同時(shí)轉(zhuǎn)換成3種產(chǎn)品：電力、熱或蒸汽以及冷水，并將其一體化的多聯(lián)產(chǎn)供能系統(tǒng)，是分布式能源的表現(xiàn)形式之一。冷熱電三聯(lián)供供能模式較傳統(tǒng)的分散式供能模式而言，其能源綜合利用效率可在80%以上。天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的基本理念是能源的梯級(jí)利用，即通過動(dòng)力設(shè)備的燃燒燃料，將產(chǎn)生的高品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋⒅衅肺兜臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)檎羝蚶渌?、低品位的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴蛘吲欧牛浴胺峙涞卯?dāng)、各得所需、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原理將小型化、模塊化的發(fā)電系統(tǒng)布置在用戶附近。

1.2 系統(tǒng)組成

天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)由動(dòng)力設(shè)備、余熱回收設(shè)備和制冷設(shè)備三個(gè)子設(shè)備系統(tǒng)組成，其中動(dòng)力設(shè)備占據(jù)著核心主導(dǎo)地位。

動(dòng)力設(shè)備是天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的核心裝置，通常在天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初，均需根據(jù)動(dòng)力設(shè)備來確定整個(gè)系統(tǒng)的所采用的集成體系，因此，動(dòng)力設(shè)備的選擇決定著整個(gè)系統(tǒng)的組織框架和工藝流程。目前國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)上，可選擇的動(dòng)力設(shè)備主要有：燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、微燃機(jī)、燃料電池和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備中，具有低碳環(huán)保技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊市場(chǎng)發(fā)展前景，該系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)示意

2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是1816年蘇格蘭人Ro.斯特林的一項(xiàng)發(fā)明。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理見圖2。

圖2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由兩個(gè)密封的充滿工作氣體的膨脹缸和壓縮缸組成，這兩個(gè)缸的活塞通過曲軸聯(lián)結(jié)。當(dāng)工作缸的氣體被燃料能加熱發(fā)生膨脹后，將推動(dòng)活塞位移做功，一部分功使壓縮缸中的氣體進(jìn)行壓縮和升溫，另一部分功通過再熱器蓄熱，通過冷卻器被冷卻，由于曲軸的慣性，活塞將回到原有的位置。

按照斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)工作過程大致為：通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生的動(dòng)力，是一種外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要工藝是使燃料連續(xù)地進(jìn)行燃燒，將蒸發(fā)的膨脹氫氣(或氦)作為動(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng)，膨脹氣體在冷氣室進(jìn)行冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程。

常用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的型式有兩種：平衡浮子式和雙活塞式。斯特林機(jī)的高端研究主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，西方國(guó)家的AIP常規(guī)潛艇中常使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，中國(guó)潛艇也有自研成熟的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)

(1)適用多種燃料：無論是液態(tài)的，氣態(tài)的或者固態(tài)的燃料，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)都可以進(jìn)行燃燒，并且對(duì)燃料品質(zhì)的要求較低。凡是燃燒溫度可達(dá)450 ℃以上的任何種類的燃料都可以作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的能源，如煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸稈、煤氣、天然氣、沼氣、酒精和植物油等燃料都可燃用。當(dāng)采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時(shí)，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩?太陽能、放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動(dòng)機(jī)本身不需要做任何形式的大浮動(dòng)更改。

(2)熱效率較高：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)效率等于凱諾循環(huán)效率。現(xiàn)有樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)表明，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)效率達(dá) 66%～70%，實(shí)際效率約32%～40%。

(3)排氣污染少：由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程是連續(xù)的，空氣燃燒比的變化對(duì)效率影響很小，而對(duì)功率幾乎沒有影響，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在足夠的過量空氣下運(yùn)轉(zhuǎn)；燃料的燃燒是在高溫下進(jìn)行的，使得燃燒非常完善，廢氣中的 CO、碳?xì)浠衔锖吞紵熀枯^少。

(4)噪聲低：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生燃燒爆炸和排氣波。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu)且運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，噪聲比內(nèi)燃機(jī)低15～20 dB。

(5)運(yùn)轉(zhuǎn)特性好：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的壓力變化平穩(wěn)，扭矩均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍大，最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速的比值一般為8～10(內(nèi)燃機(jī)為 3～5)。此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的超負(fù)荷能力很大，能在超過額定負(fù)荷50%的情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而內(nèi)燃機(jī)一般只能超載15%。

(6)工作可靠，維修費(fèi)用低：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的滑潤(rùn)系統(tǒng)與大氣隔絕，不受燃燒產(chǎn)物的污染，所以在相當(dāng)長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)不需要更換潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油的消耗量很少。

2.2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)

(1)對(duì)材料要求高：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱器和膨脹腔需要長(zhǎng)時(shí)間保持在較高的溫度，這對(duì)材料提出了較高的耐溫要求。然而，隨著新材料技術(shù)的日益發(fā)展成熟，對(duì)材料品質(zhì)要求高的缺點(diǎn)，將逐漸得到解決。

(2)熱量損失大：長(zhǎng)時(shí)間保持高溫，使得很多熱量通過直接傳遞和熱輻射的形式大量損失。隨著保溫系統(tǒng)性技術(shù)的逐步市場(chǎng)應(yīng)用，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱量損失大的缺陷已得到了大幅度的克服。

(3)體積大：為提高熱效率，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保溫處理，這使得因?yàn)樵黾恿搜泳彑釗p失的一系列裝置，導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的體積過大。近年來，模塊化系統(tǒng)拼接理念的逐漸市場(chǎng)化應(yīng)用，已經(jīng)可以將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的體積降低到相對(duì)合理的范圍之內(nèi)。

(4)反應(yīng)慢：由于熱源來自外部，傳熱需要時(shí)間，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)過一段時(shí)間才能使氣缸的溫度產(chǎn)生變化。新型傳熱材料的應(yīng)用，可以大大提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)整體的傳熱效率。

(5)密封和潤(rùn)滑的矛盾：由于工作介質(zhì)是有限的，因而發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)密封的要求較高，為了降低摩擦損失，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑同樣提出了較高的要求，由于潤(rùn)滑油汽化會(huì)凝結(jié)在回?zé)崞魃显斐啥氯?，因而不能使用?rùn)滑油，只能進(jìn)行干摩擦，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果有所降低。

3 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在冷熱電三聯(lián)供中的應(yīng)用

在美國(guó)，某公司開發(fā)了25 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過論證，25 kW是經(jīng)濟(jì)規(guī)模成本，使得斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格更加低廉，而且適用于離網(wǎng)和并網(wǎng)應(yīng)用，其性能參數(shù)見表1。

表1 25千瓦斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)

天然氣斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較高，經(jīng)濟(jì)性能好，環(huán)保節(jié)能，能適應(yīng)多種燃料。以某斯特林外燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例，用天然氣作為燃料，平均發(fā)電效率超過30%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率超過80%，通過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，具有極好的經(jīng)濟(jì)性能，每 m3天然氣可以發(fā)電約為3 kW·h，可以產(chǎn)生約為5 kW·h的熱水，能夠產(chǎn)生3.5～4.0元/h的經(jīng)濟(jì)效益，要優(yōu)于其他天然氣傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

另以生物質(zhì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為例：在我國(guó)生物質(zhì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)初始投資約4～5千元/kW，則25 kW需投資12.5萬元。據(jù)秸稈原料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，玉米棒0.05～0.09元/kg，玉米秸稈0.04元/kg，棉花秸稈0.05元/kg，小麥秸稈0.12～0.4元/kg，平均這些秸稈的成本約0.2元/kg。傳統(tǒng)生物質(zhì)汽化發(fā)電原料消耗量約為1.5～1.8 kg/kW·h，而生物質(zhì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一天約消耗秸稈料560 kg，也就是需要用112元，一天的發(fā)電量約為375 kW·h，則發(fā)電原料成本約為 0.3元/kW·h，則原料消耗量約為：1.5 kg/kW·h?？梢钥吹缴镔|(zhì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)生物質(zhì)汽化發(fā)電更加具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是由于農(nóng)業(yè)廢棄物能量密度低，難以大規(guī)模集中處理，在秸稈的存儲(chǔ)方面需要很大的倉庫用來存放這些秸稈，這也就限制生物質(zhì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)生物質(zhì)汽化發(fā)電的持續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)語

低碳發(fā)展是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的必由之路，其中，發(fā)展天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)是踐行低碳發(fā)展理念的具體形式之一，作為天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，有利于提高能源利用效率和環(huán)境保護(hù)，是具有發(fā)展前景的核心裝備。

我國(guó)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的探索方興未艾，本文簡(jiǎn)要地介紹了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的基本特征，意在為同行們?cè)谒固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究提供參考和借鑒。

Introduction of Stryn Engine as the Power Equipment for CCHP System of Natural Gas

Shenzhen Planning & Land Development Research Center Zhang Tao

This paper introduces the technical principle and system composition of the CCHP system for natural gas. As the main power equipment of the CCHP, the Stryn engine is mentioned in particular, including the working principle, advantages and disadvantages.

natural gas, CCHP system, Stryn engine