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

深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心 張 濤

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

深圳市規(guī)劃國土發(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)動力設(shè)備——斯特林發(fā)動機的工作原理、優(yōu)點、缺點和在冷熱電三聯(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)動機。

天然氣 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng) 斯特林發(fā)動機

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利用，即通過動力設(shè)備的燃燒燃料，將產(chǎn)生的高品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、中品味的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝蚶渌⒌推肺坏臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崴蛘吲欧?，以“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”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)由動力設(shè)備、余熱回收設(shè)備和制冷設(shè)備三個子設(shè)備系統(tǒng)組成，其中動力設(shè)備占據(jù)著核心主導(dǎo)地位。

動力設(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)計之初，均需根據(jù)動力設(shè)備來確定整個系統(tǒng)的所采用的集成體系，因此，動力設(shè)備的選擇決定著整個系統(tǒng)的組織框架和工藝流程。目前國內(nèi)、外市場上，可選擇的動力設(shè)備主要有：燃氣輪機、內(nèi)燃機、微燃機、燃料電池和斯特林發(fā)動機。

斯特林發(fā)動機是天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)動力設(shè)備中，具有低碳環(huán)保技術(shù)優(yōu)勢和廣闊市場發(fā)展前景，該系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 斯特林發(fā)動機天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)示意

2 斯特林發(fā)動機工作原理

斯特林發(fā)動機是1816年蘇格蘭人Ro.斯特林的一項發(fā)明。

斯特林發(fā)動機工作原理見圖2。

圖2 斯特林發(fā)動機工作原理

斯特林發(fā)動機由兩個密封的充滿工作氣體的膨脹缸和壓縮缸組成，這兩個缸的活塞通過曲軸聯(lián)結(jié)。當工作缸的氣體被燃料能加熱發(fā)生膨脹后，將推動活塞位移做功，一部分功使壓縮缸中的氣體進行壓縮和升溫，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)動機的循環(huán)工作過程大致為：通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生的動力，是一種外燃式發(fā)動機，其主要工藝是使燃料連續(xù)地進行燃燒，將蒸發(fā)的膨脹氫氣(或氦)作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室進行冷卻，反復(fù)地進行這樣的循環(huán)過程。

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

2.1 斯特林發(fā)動機優(yōu)點

(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)動機都可以進行燃燒，并且對燃料品質(zhì)的要求較低。凡是燃燒溫度可達450 ℃以上的任何種類的燃料都可以作為斯特林發(fā)動機的能源，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。當采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫熱源(太陽能、放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動機本身不需要做任何形式的大浮動更改。

(2)熱效率較高：斯特林發(fā)動機的理論循環(huán)效率等于凱諾循環(huán)效率?，F(xiàn)有樣機的實驗表明，斯特林發(fā)動機的理論循環(huán)效率達 66%～70%，實際效率約32%～40%。

(3)排氣污染少：由于斯特林發(fā)動機的燃燒過程是連續(xù)的，空氣燃燒比的變化對效率影響很小，而對功率幾乎沒有影響，發(fā)動機可以在足夠的過量空氣下運轉(zhuǎn)；燃料的燃燒是在高溫下進行的，使得燃燒非常完善，廢氣中的 CO、碳氫化合物和碳煙含量較少。

(4)噪聲低：斯特林發(fā)動機不會產(chǎn)生燃燒爆炸和排氣波。斯特林發(fā)動機沒有氣閥機構(gòu)且運轉(zhuǎn)平衡，噪聲比內(nèi)燃機低15～20 dB。

(5)運轉(zhuǎn)特性好：斯特林發(fā)動機氣缸中的壓力變化平穩(wěn)，扭矩均勻，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。斯特林發(fā)動機的轉(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)燃機為 3～5)。此外，斯特林發(fā)動機的超負荷能力很大，能在超過額定負荷50%的情況下正常運轉(zhuǎn)，而內(nèi)燃機一般只能超載15%。

(6)工作可靠，維修費用低：斯特林發(fā)動機的滑潤系統(tǒng)與大氣隔絕，不受燃燒產(chǎn)物的污染，所以在相當長的運轉(zhuǎn)時間內(nèi)不需要更換潤滑油，潤滑油的消耗量很少。

2.2 斯特林發(fā)動機缺點

(1)對材料要求高：斯特林發(fā)動機的加熱器和膨脹腔需要長時間保持在較高的溫度，這對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，對材料品質(zhì)要求高的缺點，將逐漸得到解決。

(2)熱量損失大：長時間保持高溫，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)的逐步市場應(yīng)用，斯特林發(fā)動機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，需要對系統(tǒng)進行保溫處理，這使得因為增加了延緩熱損失的一系列裝置，導(dǎo)致斯特林發(fā)動機的體積過大。近年來，模塊化系統(tǒng)拼接理念的逐漸市場化應(yīng)用，已經(jīng)可以將斯特林發(fā)動機的體積降低到相對合理的范圍之內(nèi)。

(4)反應(yīng)慢：由于熱源來自外部，傳熱需要時間，導(dǎo)致發(fā)動機需要經(jīng)過一段時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)動機整體的傳熱效率。

(5)密封和潤滑的矛盾：由于工作介質(zhì)是有限的，因而發(fā)動機系統(tǒng)對密封的要求較高，為了降低摩擦損失，發(fā)動機系統(tǒng)對潤滑同樣提出了較高的要求，由于潤滑油汽化會凝結(jié)在回熱器上造成堵塞，因而不能使用潤滑油，只能進行干摩擦，導(dǎo)致了發(fā)動機系統(tǒng)的潤滑效果有所降低。

3 斯特林發(fā)動機在冷熱電三聯(lián)供中的應(yīng)用

在美國，某公司開發(fā)了25 kW斯特林發(fā)動機的發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過論證，25 kW是經(jīng)濟規(guī)模成本，使得斯特林發(fā)動機的價格更加低廉，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)動機的性能參數(shù)

天然氣斯特林發(fā)動機的效率較高，經(jīng)濟性能好，環(huán)保節(jié)能，能適應(yīng)多種燃料。以某斯特林外燃機熱電聯(lián)產(chǎn)項目為例，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%，通過長時間的測試，具有極好的經(jīng)濟性能，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)濟效益，要優(yōu)于其他天然氣傳統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)。

另以生物質(zhì)斯特林發(fā)動機系統(tǒng)為例：在我國生物質(zhì)斯特林發(fā)動機系統(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)動機一天約消耗秸稈料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。可以看到生物質(zhì)斯特林發(fā)動機比傳統(tǒng)生物質(zhì)汽化發(fā)電更加具有價格優(yōu)勢，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)動機和傳統(tǒng)生物質(zhì)汽化發(fā)電的持續(xù)運行。

4 結(jié)語

低碳發(fā)展是我國經(jīng)濟和社會發(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)動力設(shè)備的斯特林發(fā)動機，有利于提高能源利用效率和環(huán)境保護，是具有發(fā)展前景的核心裝備。

我國對斯特林發(fā)動機的探索方興未艾，本文簡要地介紹了斯特林發(fā)動機的基本特征，意在為同行們在斯特林發(fā)動機領(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