CAT燃气发动机技术及热电联产项目考量因素

CAT燃气发动机GE-100

1. 燃气发动机技术

1.1非常适合热电联产的燃气发动机技术

燃气发动机技术的进步对于热电联产是至关重要的。从本质上讲，燃气发动机可以很好地应用于孤岛模式或并网模式发电，并可提供高功率密度、较低的每千瓦初始投资成本以及快速、简单的安装，并且运营成本极具竞争力，同时拥有清洁的排放。

现在的发动机技术非常可靠——正常运行时间可以接近 98%，包括所有维护和维修时间。发动机可以满载或部分负载运行，可耐受不同的海拔和和温度环境条件，并且可以快速启动。最新的发动机可在比传统设备小 50% 的占地面积内实现高功率输出，可轻松安装在小型机房或集装箱式发电厂中。

燃气发动机非常适合在管道天然气和丙烷，纯氢及掺氢天然气，以及不同热值燃气的热电联产系统中运行。垃圾填埋气、农业沼气和污水处理厂沼气可能会产生含有腐蚀性化合物的废气，因此废气热交换器需要不锈钢材质，但液体冷却回路的热回收不需要特殊处理。焦炉煤气和煤矿瓦斯气等其他特种气体也是可行的热电联产燃气。

经全球多种应用验证的发动机使用的各种基于数字微处理器的监测和控制技术，包括：

基于增压空气密度的空燃比控制，无论空气温度和湿度如何变化，在所有环境和负载条件下都将 NOx 排放保持在最严格的可用容差范围内。

基于全站电子管理（TEM）系统的空燃比控制可优化发电机组性能、测量每个气缸的温度并调整燃烧以最大限度地减少燃料消耗和发动机排放，并防止爆震。

可配置控制系统策略以控制发动机以外的功能，例如散热器电机、电气断路器和系统，甚至是完整的热电联产厂。

单个气缸的爆震感测，如果发生爆震，自动控制延迟点火正时。

这些发动机设计有进气系统，可实现有效的气流并最大限度地减少增压空气的加热，增加进入气缸的空气 / 燃气增压压力以获得最佳性能。开式燃烧室的气缸设计和低压燃气系统 [ 0.35-35 kPa（0.5 至 5 psi）] 无需额外的燃气增压撬块，以及燃气增压撬块的后续成本和持续运营费用。

发动机技术的其他进步包括：

优化的进气和排气

进气和排气系统都经过调整，以实现高效的层流。一种称为脉冲能量高级回收线（PEARL）的排气系统技术使用流量优化的排气管，将恒定的排气量输送到涡轮增压器。每个 PEARL 模块抽空两个气缸的废气。排气流是定时的，以使涡轮增压器在发动机的整个工作负载范围内以最佳速度旋转。精确的点火正时，由气缸根据燃气质量的变化自动调整，增强了整个过程。

米勒循环

燃烧循环中的这种调整将燃料效率提高了大约一个百分点。米勒循环与更传统的奥托循环不同，进气门不是在活塞到达下死点时关闭，而是在下死点前 10 到 15 度时关闭。随着活塞在进气门关闭的情况下继续下降，空气 / 燃气混合物膨胀并冷却，从而增加了爆震余量。这实现了 14:1 或 15:1 的更高压缩比，拥有更高的燃油效率，而奥托循环的压缩比仅为 11:1 或 12:1。

高能点火

预燃室火花塞技术已通过优化的火花塞几何形状得到改进。这些火花塞通过小孔吸入空气和燃料，并在点火时通过这些相同的孔喷射火焰。高能点火与预燃室火花塞技术相结合，使发动机能够利用极稀薄的燃料混合物运行，而不会出现稀薄失火的风险，从而在极长的使用寿命内保持高功率输出和低排放。

1.2发动机定制方案

近年来，出现了一种替代现货发动机的模式，即为适应项目应用定制发电机组。在此模式中，用户不是根据标准产品的额定功率和价格购买发动机和配件，而是提供预期使用的燃料样本，描述环境条件和海拔高度，并指定应用和关键操作目标（例如、最高燃油经济性、最低排放、带负载能力等）。然后制造商根据用户需求定制设计符合这些标准的燃气发动机发电机系统。

定制的广度是相当大的：例如，应用工程师可以从各种压缩比、为特定燃料类型设计的活塞、不同的涡轮增压器和喷嘴环配置以及特定地点的空气系统运行和发动机正时图中进行选择。定制机组在发动机技术方面取得了进一步的发展，扩大了发动机控制的极限并进一步提高了效率——发电机组的电力效率达 44%，而在热电联产或三联供系统中，综合效率可高达 90%。带来的好处包括：

降低维护成本

在众多好处中，这些技术进步促成了维护间隔的延长。更换火花塞和换油间隔为 4,000 小时——机组可连续运行六个月左右，是传统技术间隔的两倍多。经过大约 8 小时的计划停机维修后，发动机可以准备好再运行 6 个月。缸盖大修间隔约为 32,000 小时，机组大修间隔约为 64,000 小时（含有污染物或杂质的燃料可能需要更短的间隔）。

通过降低油耗进一步降低运营成本：发动机技术创新已将油耗减少了一半，一台额定功率为 2 MW 20 缸的发电机组每年可节省大约 1,890 升合 7 万人民币。

2. 热电联产项目考量因素

2.1经济决策

每个热电联产项目都可归结为一个经济问题：能源成本的节省和发电带来的收入能否为设备投资提供足够的回报？一般而言，在以下情况下最为有利可图：

电网电费相对较高

燃料价格相对较低

该系统将以高电负荷和热负荷系数运行

电负荷和热负荷相匹配

现场要求高可靠性和高电能质量

热电联产系统可兼作备用电源

低成本“机会燃气”的可用性，例如厌氧消化的沼气或垃圾填埋气，通常会提高经济性。特别是污水处理厂或者餐厨垃圾处理厂可充分利用厌氧沼气热电联产作为能源自给自足的优势。

在探索项目设计备选方案时，发动机燃料效率只是众多考虑因素之一。例如，容量因素——发电机实际达到的总理论输出的百分比——可能远远超过燃料节省。此外，如果高效率的代价是由于更频繁的维护带来更多停机时间或发动机需要对燃气可变性或质量更具敏感性，或者如果在较高环境温度下性能下降，那么项目经济性就会受到影响。在某些情况下，其他发动机功能，例如低排放或加载的快速响应，也可能比燃气经济性更重要。

2.2探究可行性

对于大多数热电联产项目的开发，需要专业知识来确定如何最好地在现场部署设备并评估项目经济性。因此，在开始可行性研究之前，首先检查关键缺陷是有意义的——物理或成本障碍会使项目不切实际。例如：

获得空气质量许可证是不可能的或极其昂贵的吗？

获得排放冷却水或排放冷凝水的废水许可证特别困难吗？

场地上的可用空间是否太小而无法放置发动机和热回收设备？

天然气价格是否特别昂贵？

项目的电力基础设施是否不足以分配所产生的电力？

如果项目需要将产生的多余电力输出到电网，当地政策是否允许？

如果可以向当地电网公司输出电力，那么电力销售价格是否太低而无法实现盈利运营？

如果其中一个或多个问题的答案是否定的，那么您将需要考虑解决该问题对项目经济性的影响以及解决方案对项目可行性的影响。

如果没有明显的阻碍，下一步是对项目经济性进行进一步研究。即估算和累加每千瓦时的组件成本和节省（或收入），以得出净收益。当地的发电设备代理商可以帮助您基于经验进行合理的估算。

主要成本构成为：

燃料

通常是占项目运营成本 60% 到 80% 的最大部分（除非有“机会燃料”可用）

资本回收

设备投资的本金和利息

运营和维护

日常运营、定期服务和维修的人员和零配件成本

从这些成本的总和中扣除热源价值——可回收热的经济价值。这通常是用更高效换热系统替换现有换热系统的每千瓦时成本来衡量的。如果由此产生的度电成本显著低于零售电价，包括其它无法预知的需求费用，那么该项目应值得进入工程研究阶段。

分析中，必须详细了解电网电力成本，包括高峰和非高峰期的能源价格、高峰期和非高峰期的其它费用、备用费用和断电时的处罚费用，以及当地电网或政府现行的或审批中的热电联产激励措施。

理想情况下，项目应与当地电网公司建立合作关系。例如，一个项目可以降低用户的整体能源成本，同时帮助电网公司控制其电网的峰值需求，这会带来双赢——甚至可以从提高经济回报的激励措施中受益。

热电联产系统的另一个好处是它可以用作备用电源（尽管不适用于生命安全电力负载，例如需要柴油备用和现场燃料储存的医院手术室）。在当今注重排放的环境中，对低排放的燃气备用发电机组的需求也在增长。此系统与电网发电并行并长时间或连续运行，在提供电力安全的同时还可产生收入。

2.3选择合作伙伴

规划和实施热电联产项目需要非常专业的知识。设备供应商和项目顾问可以提供从项目规划到设计、融资、施工、运营和维护的重要支持。

合适的项目合作伙伴应该对热电联产有深入的了解，并拥有完成盈利项目的记录。快速的服务响应时间、及时的备件交付以及高效的维修和大修服务也至关重要——基于本地的服务和技术支持可以帮助确保项目的正确运营和维护，从而防止意外停机并优化收入和支出。

理想的合作伙伴为每个项目阶段提供一站式的支持，包括设计、建造和运营项目的交钥匙能力。一个有吸引力的选择是与设备供应商签订一份完整的长期维护服务协议。这确保了周到的零件、维护和维修服务，并在固定的、可预测的月费或年费基础上按合同条款保证设备正常运行时间。

融资也是热电联产项目的选择之一。有多种选择，包括整个项目的建设和定期债务融资——发电系统、热回收设备、电气开关设备和控制、辅助设备和建筑物。

正当时

燃气热电联产系统优势众多，再加上节能减排的大环境背景下，正是各行各业包括工业和商业设施、机构、公用事业、食品加工和其他大型电力用户和生产商探索利用燃气发动机技术进行热电联产，同时实现经济性和可持续发展的好时机。

来源：CAT卡特电力服务中心