内燃机和燃气轮机在发电领域的比较

刘蜀卿

(瓦锡兰发动机上海有限公司,上海200120)

摘要:从油耗、温度、部分负荷以及海拔高度对原动机的影响等方面,对内燃机和燃汽轮机的功率与效率进行了比较。实践证明,在上述条件下,内燃机比燃气轮机更优越,同时受燃料价格波动影响也较小。关键词:内燃机;燃气轮机;比较

中图分类号:TK 40;TK 470 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2002)04-0024-02

Comparison of Internal Combustion Engine with G as Turbine in

the Field of Pow er G eneration

L IU Shu -qing

(Shanghai W rtsila Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China )

Abstract :From effects of fuel consumption ,temperature ,partial loadand altitude on intemal combustion engine and gas turbine ,this artcle compases the power and the efficiency of intemal combustion engine and gas turbine.The practice proves that the intemal combustion engine is better than the gas turbine in above conditions and the latter is easier to be effected by the fuel price.

K ey w ords :intemal combustion engine ;gas turbine ;comparison

作者简介:刘蜀卿(1971-),男,1993年毕业于上海工

程技术大学与发动机制造专业,目前在瓦锡兰发动机(上海)有限公司担任销售工作。

收稿日期:2002-07-10

近年来,燃气轮机在发电领域获得了巨大的成功,特别是美国及其他大功率发电市场。但是在小功率市场,也即是装机容量为5×104kW 或更小的发电市场,内燃机正逐渐成为具有较好竞争性的产品。在相同情况下,内燃机甚至更胜一筹。

在分布式发电领域,典型的发电装机容量为10～20MW 。在各种情况随时变化的今天,内燃机十分适合于这样的电厂,它使得项目决策程序更加简便,设备安装时间更短。例如调峰电厂,必须快速建造,建设周期很短,施工期以月计量,对电厂的装机容量要求有一定的灵活性。这种灵活性可由单元式往复发动机来实现,比如最近瓦锡兰公司推出的动力模块。瓦锡兰动力模块的装机容量为2～50MW ,这种可组合式的发电单元能轻松地满足迅

速增加的电力需求,建设周期也十分短。一个典型的配备三台瓦锡兰动力模块的10MW 电厂,交货期只有80天,安装只需要12天。

内燃机技术在废气排放方面取得了巨大的进

步,而在从前这还是个比较棘手的问题。先进的稀薄燃烧发动机在氧气含量达到5%的情况下,氮氧化物的排放只有250mg/nm 3,而这只是目前德国空气标准要求值的一半。

1　油耗及其他

与燃气轮机相比,内燃机与生俱来的优势是高效率,也就是节能。而燃料成本受市场影响波动巨大,燃气轮机电厂的经济效益,与内燃机电厂相比极易受燃料价格的影响。最近我们越来越关注世界燃料市场,甚至燃料消耗量很小的年运行1500h 的调峰电厂也十分关心燃料价格。

典型的20MW 单循环燃气轮机的电效率只有30%～35%。但是拥有稀薄燃烧技术的内燃机的效

率能达到44%。这意味着在同样输出功率的情况下,燃气轮机的燃料成本比内燃机高9%～14%。与燃料成本一样,电力工业的产品价格,也就是电价,很大程度上取决于投资总额、经营和维护成本。在选择内燃机或燃气轮机的时候,某些因素诸如工厂海拔高度、环境温度、部分负荷运转等没有被很好地考虑。但如果考虑到了,则内燃机的优势便体现

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了出来。

2　海拔高度对原动机性能的影响

ISO 标准对燃气轮机和内燃机的参考条件是不

同的。燃气轮机的参考条件是海拔0m ,环境温度15℃,而内燃机是海拔100m ,环境温度35℃。

先进的稀薄燃烧内燃机,如瓦锡兰220SG,在海拔高度1500m 以下输出功率不用修正。但是燃气轮机在高于海平面时,每超过100m 就有1.2%的输出功率下降。这是燃气轮机技术的一大劣势,

见图1。

图1　海拔高度与燃气轮机功率降低比的关系

在美国的煤矿项目中,电厂的位置高于1500m 的情况比比皆是。在墨西哥,许多土地的海拔都位于2000m 以上。一个成功的例子是在阿根廷的海拔4000m 的煤矿,瓦锡兰公司成功地安装了三台18V220SG 燃气内燃机。燃气轮机随海拔高度的

增加输出功率有所下降,意味着一座1×104kW 的电厂在海拔1500m 时,将比在海平面时损失18%的输出功率,如图1所示。而在同样情况下,内燃机没有任何功率下降。功率下降则意味着投资的增加。海拔1500m 的燃气轮机电厂成本将比在海平面时增加18%,因此内燃机在高海拔地区有着无可比拟的优势。

3　温度影响

环境温度在15℃以上时,燃气轮机电厂的油耗上升,燃料成本大大增加,效率因此下降,而与此形成鲜明对比的是,先进的稀薄燃烧发动机在环境温度达到40℃前不会有任何功率下降。举例来说,燃气轮机在环境温度超过15℃时,每升高1℃,效率下降0.2%,在温度30℃时,将损失3%的效率。3%可能看上去是个小数字,但从一个长期过程来

看

,也是一个巨大的损失,见图2。

图2　环境温度与燃气轮机效率损失率的关系

瓦锡兰公司在美国加州的RED BL U FF 电厂安装了一台16V220SG 燃气发动机,在夏季体现出了良好的经济效益。

4　负荷影响

电厂一般都为100%负荷运转,而原动机通常来说也在满负荷时性能最佳,油耗最小。但分布式电厂却是经常部分负荷运转。

燃气轮机和内燃机的部分负荷特性是不同的,内燃机较好些。如图3所示,在80%负荷时,以瓦锡兰公司的220SG 稀薄燃烧发动机为例,效率能达到41%,与此相反,燃气轮机2和1只能分别达到

32%和27%。

图3　原动机的部分负荷与效率的关系

5　结论

当选择电厂的原动设备时,可行性研究应以现场条件为基础,特别应考虑环境温度和海拔高度的影响,因为这两项因素直接影响了整个电厂的投资和今后的效益。内燃机已被证实在高海拔和高环境温度以及部分负荷时比燃气轮机更优越,同时受燃料价格波动影响也小。

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