余热利用技术的应用及特点：

余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源。也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热等。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。

随着我国经济的发展以及环保要求的提高，越来越多的燃油燃气锅炉投入使用。国家新出台的节能和标准对节能提出了新的要求。由于油气资源的日趋紧缺，提高锅炉的效率日趋迫切。其中利用锅炉排烟余热是最有效的途径之一。多数锅炉的排烟温度在200℃左右，通过回收排烟的余热降低排烟温度，甚至回收烟气中水蒸气的气化潜热，可以提高锅炉效率5~15%，节约效益相当显著，同时也改变了大气环境。

柴油机的余热利用工程：

在发电机组工作时，柴油机会产生大量热能，这些热能主要是指柴油机的冷却液余热和排气余热两部分。一般情况下，用户并没有利用这两部分热能而白白浪费掉。本公司根据柴油发电机组的各种运行参数，研究.开发.生产出各种不同型号的余热利用设备，能充分利用柴油的这两部分热能，同时又不会影响发电机组的正常运行。

该系统有如下特点：

1.同一发电机组上，冷却液余热和排气可分开利用也可同时利用。

2.该余热利用系统对水温水位实行代电子自动控制。

3.主用控制系统与控制系统可自动转换，不会影响柴油发电机组的正常运行，确　保全天候供应生活热水。

4.利用冷却液优缺点：

1） 以去掉冷水箱风扇，节约能量5－10％，降低噪音10分贝左右。

2） 能有效地控制发电机冷却液温度在75－85摄氏度之间的最佳水温范围，降低发电机组运行成本，延长发电机组的使用寿命。

3） 缺点是一次性投资较大。

5.利用排气余热优缺点：

1） 不仅可以生产热水，还可以生产开水。

2） 一次性投资较少。

3） 缺点是由于时间过长，有可能发生循环热水渗漏到排烟管中进入发动机内部，严重损坏发动机。

燃气发电余热利用

目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多。

在我国，目前占燃气发动机燃料近55%热值的废气和冷却水余热资源基本上被白白浪费掉，发动机余热利用技术的就是来实现将原本白白浪费掉的热资源充分利用的系统。

随着人民生活质量的提高，制冷和采暖越来越普及，能源消耗越来越大，同时发动机余热资源目前没有得到综合利用，燃油、燃气及电热锅炉和空调在广泛使用，消耗了大量能源。根据发动机余热利用现状，我公司发挥信息和技术优势，研制开发了国内第一套燃气机余热利用空调，用于我公司办公大楼和会议室的热电联供。

在燃气机组发电的同时，以机组废气的热量为能源，烟气通过特制的热交换系统加热介质水，使水温达到规定温度，通过溴化锂冷水机组制冷或制热，通过风机盘管空调器给房间制冷或供热。系统原理如下图所示：

推广应用范围

1、办公大楼、宾馆、商场的热电联供制冷、供热系统。

2、利用燃气发电站余热资源为联合站加热原油。

3、钻井队利用柴油发电机余热资源供暖和加热设备；

概括的来说，凡是需要热能并且已有机组或燃气资源丰富的地方都可以推广应用。

发动机的废气余热利用在我国还是一个新兴的科技领域，是发展的必然趋势，我们还要不断学习国外在这方面的先进技术，提高水平，多与广大用户交流和学习，提高余热利用效率，扩大应用范围，以使其扩展到更宽的领域，更好的为用户服务，使用户达到收益最大化。

燃气发电站及其余热利用

一、前言

随着我国工业现代化进程的加快及生活水平的提高，能源消耗日益增加，同时造成的负面影响是环境污染的加剧与能源危机的出现，燃烧柴油和汽油造成了石油资源的严重短缺，同时每年向大气中排放一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物约1.5亿吨，占大气中同类污染物的55％以上。在石油资源日益短缺的情况下，寻找代用能源成为当前的主要任务，目前得到普遍认可的代用燃料是以天然气为主的可燃性气体燃料。

天然气是地球上最丰富的燃料之一，国外权威机构预言，天然气将在２１世纪取代石油，成为第二大能源。同时，天然气也是发动机的优质燃料，它对发动机润滑油品质破坏性小，燃烧更充分，燃烧室内没有积炭和胶质，因而可延长发动机的使用寿命，降低发动机的维修费用。气体燃料发动机的排放指标优于汽油机和柴油机，同时燃气发动机排出废气中颗粒排放物极少，对大气污染程度小，能满足国内的发动机排放要求，有较好的环保效果。

二十年来，天然气发动机等产品在国外得到了广泛的应用，美国的瓦克夏、库柏、英国的帕金斯、德国的道依茨、MTU、芬兰的纽锡兰等大型发动机制造厂纷纷将燃气机的研制作为主要策略，并有部分产品打入了中国市场。胜利油田胜利动力机械有限公司自1985年研制单缸天然气发动机以来的，目前190系列天然气发动机有五大品种、近20个机型，功率范围25 kW～550 kW；其配套发电机组达20余种机型，功率范围24 kW～500 kW，构成了较为齐全的190系列天然气发动机及其配套发电机组产品。近两年又相继开发研制成功了1000kW、2000kW天然气发电机组及120系列风冷燃气内燃发电机组。

目前，我公司的燃气发电机组已在国内组建了三十余个电站，通过用户使用表明，天然气发动机及其配套发电机组可有效地利用天然气、石油伴生气等资源，并且排放指标优于柴油机和汽油机，因此，天然气发动机系列产品在21世纪将成为内燃机行业的生产主流。

二、燃气发动机简介

燃气发动机以天然气、井口伴生气、煤层气、水煤气、炼化尾气、沼气等可燃性气体为燃料，主要用于天然气、煤气、沼气资源丰富的地区，如油田、煤矿、焦化厂等部门作为生产动力用电或并网发电。燃气发电机组具有启动迅速、操作简便等特点，并设有自动保护系统、可实现无人值守，是节能、环保型动力设备。1立方米天然气可发电力3千瓦时，1立方米煤层气或炼化尾气可发电力2.7千瓦时，经济效益非常显著，是石油开采、煤矿、各种泵站、电站、工程机械等设备理想的动力装置。

目前国内外开发的燃气发动机多是在汽油机或柴油机基础上研制开发的，较大的燃气发动机基本上都是从柴油机改制过来的，转速为1000～1500r/min，采用电火花点火方式，压缩比通常比柴油机降低25～40%，根据进气方式的不同，功率降低的程度也有差别，预混合进气方式通常比原机功率下降10～25%。与中速柴油机相比，燃气发动机的热平衡如表1所示：

发动机热平衡分配表

三、余热利用方式

综合利用燃气发动机热能主要从三个方面着手：即电力供应、采暖洗浴等供热以及夏季空调制冷。目前国外热电或冷电两联供的燃气发动机综合应用实例较多，三者集中于整套动力设备的情况较少，国内还没有使用的介绍。从技术可行性的角度出发，是完全可以达到的。在综合利用的设计过程中应充分考虑以下几方面的因素：

a、利用应避免对发动机的性能产生大的影响，即不影响燃气发电机组的正常运行及功率输出；

b、排气总管到热交换器之间的距离应尽可能短，同时应充分考虑排气管的隔热保温，减少从发动机排气出口至热交换器文章的热量损失；

c、需要考虑燃气发电机组负荷变化时给制冷、制热造成的影响，避免因负荷变化使制冷（或制热）过量或能力不足；

d、考虑到整个流程控制范围大、项点多、操作难度大等因素，整个系统应尽可能实行电气自动化控制和监测；

e、整套系统应充分考虑维护操作以及使用的安全性。

3.1 热电联供

在燃气发电站中采用热电联供装置，可在机组发出电力的同时，将燃气发动

机排出的热量充分利用起来，用于冬季取暖以及日常洗浴等生活之用。设计时应考虑的因素包括热水量的调节、热水系统的压力、热水系统与热源设备的配套连接、多余热水部分的旁通及紧急情况下热水的切断等。

采用这种方式时，生活用洗浴热水取自发动机冷却水热交换器，这部分水的温度一般在40～50℃，完全能够满足使用要求；生活区取暖用热水取自排气部分，燃气发动机的排气温度一般在450～550℃，加热后的热水温度可达到80～110℃（压力在0.2MPa左右），这样可以保证取暖所需的热量（工艺流程见图1）。

图1 热电联供工艺流程图

3.2 发电与制冷、制热三联供

另外一种余热利用的方式是在满足机组发电的同时，利用冷却水及排气的热量进行制冷和制热，即冷、热、电三联供。供热我们仍然采用3.1所述方案，而制冷部分我们可使用较成熟的吸收式溴化锂制冷机，其结构由高发部分和主体部分组成（工艺流程见图2）。

图2 冷、热、电三联供工艺流程示意图

    这个综合利用方案，考虑到四季变化的因素，在春秋二季很可能不用制冷取暖的功能，因此排气余热须直接排入大气，因此在机组排气出口处加装一自动温度控制阀，以决定机组排气的走向。同时保留生活洗浴，并在夏季利用冷却塔的水调配。在该方案中，生活区洗浴等生活热水仍然由发动机冷却循环水加热；在生活区制冷、取暖方面，将发动机排气余热夏季通过热水型溴化锂制冷机提供制冷，冬季通过烟气热交换器制热，制冷高发器与烟气热交换器可并联设置。采用

此方案，燃气发电站提高了自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。

四、应用技术

目前根据了解的情况，燃气发动机的综合利用主要是热电、冷电两联供方面，CAT、MTU、Jenbacher等国外大公司在国内污水处理、垃圾处理站等处都有实际使用的实例。其主要特点是采用了高效实用的余热换热器充分利用排气余热，用于制冷或供热，并能对发动机、制冷机、冷热水管线，燃气管线等的运行参数进行跟踪和远程监控，做到实时调节系统运行参数，降低了操作者的劳动强度，提高了系统运行的稳定性。

我国在发动机余热利用方面应用实例还不多，而作为全国最大的燃气发动机研发基地的中石化下属企业胜利油田胜利动力机械有限责任公司已开展了这方面的研究开发工作，除了在已用的实例中采用的热电联供外，目前已经成功的研制出国内第一套冷、热、电三联供系统综合应用装置。此系统采用大型天然气发电机组作为主动力源，由发动机冷却水利用机组开式冷却装置中的热交换器将热量供给用户；利用发动机废气通过热水型溴化锂制冷机提供制冷，目前已经取得巨大成功，并开始向社会进行推广应用。

五、结束语

对于石油行业来说，采油作业中最大的一部分成本就是耗电费用。利用天然气发电大幅度降低了工矿企业的用电费用，充分利用了排空的天然气或其他可燃性气体，变废为宝，节约了能源，消灭了天然气排空时的燃烧火炬，同时节约了排空天然气的燃烧费用。因此，利用天然气发电取代网电和供电线路的建设，可直接降低油田的采油、采气和集输成本。因此，利用天然气发电机组建成发电站进行发电，是各单位创造高额经济效益的最佳选择。

同时，将燃气发电机组的余热加以利用，可显著提高机组运行的经济效益，在发电上网的同时，减少了生活用热水的能源消耗，减少了锅炉加热及空调制冷设备的配置及维护保养，方便了电站的管理，也提高了燃气发电站的自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。我公司冷、热、电三联供的成功运行，为余热利用积累了宝贵的经验，也将为广大用户带来更大的经济效益。

沼气发电利国利民

某公司在生产过程中可产生8000--9000Nm3/ 天的沼气，沼气中CH4含量为61.2%，沼气的热值约为21.MJ/Nm3(5040.07Kcal/Nm3 )，利用沼气进行发电，既节能环保，又能创造很好的经济效益。

沼气经过燃烧发电过程以后，对环境的危害减少，其次是缓解电力资源短缺。目前我国存在较大范围的电力短缺，沼气发电可以在一定程度上弥补当地电力不足，缓解电力短缺的局面。

沼气的主要成分有甲烷，甲烷是一种仅次于二氧化碳，占第二位的重要产生温室效应的气体，其温室效应作用比二氧化碳大几十倍。沼气中的甲烷还能破坏臭氧层，具有与氟利昂类似的危害。而温室效应、臭氧层减薄、酸雨是当今世界上影响大气质量的三大问题，沼气排放的危害就占两项。可见对沼气的综合利用也是环境保护的需要。如果不加以利用，沼气排放将对环境造成污染。

符合国家能源

国家经贸委、财政部、国家税务总局1996年8月9日下发的《关于进一步开展资源综合利用的意见》、国发〈（1996）36号〉《批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》、国家经贸委资源节约综合利用司1996年12月《关于“关于进一步开展资源综合利用的意见”若干主要问题的说明》、1996年8月3日《关于环境保护若干问题的决定》等文件中均明确指出，对生产过程中产生的废渣、废水（液）、废气、余热、余压等进行回收和合理利用，支持资源综合利用电厂生产电力。单机容量0.5～12MW范围内的发电机组符合并网条件，电力部门都应允许并网，签定并网协议，免交上网配套费，并在核定的上网电量内优先购买，不参加电网调峰。

国家经贸委1999年4月26日下发的《关于关停小火电机组有关问题的意见》中也明确指出，对于综合利用的小火电机组，不在关停范围内。国家有关部门和电网企业要按照国家对综合利用的有关继续给予支持。

２００５年２月２８日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过《中华人民共和国可再生能源法》更是对可再生能源的利用明确给予各种支持。

以上可以得出结论：

1、发电是节约能源、资源、降低企业成本、解决沼气排放对环境污染的一种行之有效的节能方式，利国利民。

2、增加企业效益由于沼气是副产品，所以成本较低，电力上网出售可以为企业带来新的经济效益。

建站方案

我公司生产的内燃式燃气发电机组发电效率高，热效率为32%~40%。以CH4含量为60%沼气为例，1Nm3该沼气可以发电1.7kW.h，利用8000--9000Nm3/天的沼气发电可以建立500kW容量的电站,推荐选用1台500GF-RZ型燃气发电机组建立沼气发电站，电站发出的电力400V,可并入公司内部低压电网并网运行。

建站投资效益分析

（1）建站投资预算 合计：128.00万元

1、发电设备：1台500GF-RZ型燃气发电机组 108万元/台×1台= 108.00万元

（含高低温热交换器、发动机、发电机、底盘、控制屏、控制线、随机配件备件等）

2、电站配套部分：循环冷却系统（循环水泵、冷却水塔、冷却水管线、阀门等）、输配电系统（电缆、低压隔离柜等）、土木建筑部分（简易机房、控制室、休息室、冷却水池、机组基础等）等，以上部分约占发电设备总值的15%。 15.00万元 

3．余热回收系统： 5.00万元

（1）电站年发电量（机组年运行时间320天，（2） 机组持续功率450kW

450 kW /台×1台×24小时/天×320天=345.60万kW.h

（3） 电站年运行成本（不包括燃气成本） 合计： 16.70万（7） 元

  1、 人员工资：电站安排3人，

2、 每人每年工资2万

3、 年共计6万

  4、 机油费用：机油消耗率按0.0015kg/kW.h，

5、 机油单价按8元/kg

307.2万kW.h×0.0015kg/kW.h×8元/kg=3.70万元

6、 配件维修费用：每台机组每年配件消耗及维修费用5万

7、1台×5万

8、 管理费用：2万

（1） 年发电收入（电价0.45元/kW.h）

345.6万kW.h×0.45元/kW.h=155.52万元

     （2） 年净收益=年发电收入-年运行成本=155.52万元-16.70万元=138.82万元 

    电站总投资约1年时间就能全部收回，经济效益非常显著。

利用有关数据    若将机组排出的尾气余热进行回收利用，那样综合效益会更加显著。机组尾气温度为500-550℃。（详见附件1）

    机组及建站特点

1、 发电效率高，

2、 通常在32-40%。

3、 使用场合灵活，

4、 可方便的并机或并网，

5、 机组群还可根据实际负载的需要，

6、 灵活方便地调节发电输出。

7、 调峰性能好，

8、 启停方便快捷。

9、 机组自成体系，

10、 辅助设备少，

11、 自耗电少。

12、 建站周期短，

13、 见效快。

14、 机组主重要控制部分部件如调速器、火花塞等，

15、 均采用世界最先进的进口部件，

16、 保证了机组的先进性和可靠性。

17、 机组的燃气进气管路，18、 汽缸及活塞均采用渗瓷防腐蚀技术。

19、 机组的各种保护系统齐全。

．内燃机发电机组与燃气轮机组发电效益对比

1、效率对比：同样的发电采用不同的方式，其经济结果是不一样的。采用锅炉发电，由于酒精生产企业大都是小功率发电站，效率都比较低，特别是简单的气、煤混烧，效率在17%左右，每方气电转化在0.8kWh左右，大大的浪费资源，而采用内燃机发电，效率在35%-40%以上，每方气电转化在1.6-2.0kWh。

2、价值对比：烧锅炉用煤和气都可以，用气烧锅炉发电，每方气相当于一公斤标准煤的价值，还不到五毛钱，而采用内燃机组发电，每方气发电在1.8 kWh，按0.52元/ kWh计算，价值在0.936元。

3、综合比较：以下以每天10万方沼气用于内燃机发电及余热利用效益与蒸汽轮发电效益进行比较。

（1）采用蒸汽轮发电供蒸气方式：发电量每方气在0.8kWh左右，共计发电量100000×0.8=80000kWh，按0.52/kWh元计，发电价值4.16万元。

（2）采用内燃机发电及余热利用方式：每天可发电100000×1.8=180000kWh ，发电价值9.36万元。发动机余热通过针管式余热锅炉回收余热，根据酒精工艺，利用后每小时可产四公斤饱和蒸汽6.8吨或九公斤饱和蒸汽4.25吨。（公司目前有大的火力发电厂，是否需要蒸汽回收另作讨论） 

4、建站周期比较：建立蒸汽轮机组发电站，建设周期加上设计等最少要在一年以上，这一年中，沼气就必须选用其他方法利用甚至点燃放空，而建立内燃机组发电站，建站周期在两个月内，并且建站灵活，可根据气量随时增加机组并机并网运行。

5、人工比较：同等气量用于蒸汽轮机发电只能建3500千瓦电站，但人工需要100人以上，而内燃机组发电站只需不到二十人，且电站容量翻了一倍以上。

总结：由上可见充分利用能源向高价值产品转化，效益无疑是最优的，电能是紧俏能源，价格有不断上升趋势，把资源更多的转化为电能不仅获得目前好效益，而且项目具有前瞻性。因此，利用内燃机组发电是更优的。

附件1：

500GF-RZ沼气发电机组废气余热利用

设计目的

目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多。 

为利用500GF-RZ沼气燃气发电机组废气余热，用于烘干物料等场合，达到节约能源，变废为热目的。

二、设计中的有关数据计算： 

沼气在空气中完全燃烧公式：

CH4+2O2+8N2 2H2O+CO2+8N2

沼气在空气中不完全燃烧公式：

2CH4+3O2+12N2 4H2O+2CO+12N2

目前动力机械有限公司生产的500GF-RZ燃气发电机组利用沼气（甲烷含量为60%）发电，运行功率为450kW，排烟温度为525℃左右，通过余热回收装置后排出烟气温度控制在160℃左右，沼气完全燃烧时沼气和空气的体积比为1：7，（按1Nm3沼气发1.5kW.h计算）

1台500GF-RZ机组的1小时耗气总量为：400／1.5×(l＋7)=2130Nm3／h。

平均重量按1.25kg/m3计算，总重为：2130 m3×1.25 kg/m3=2663kg

排烟的比热容按烟道气体计算（烟道气体的成分 CO2：13% H2O：11% N2：76%，在100℃～600℃的平均定压比热容为0.27kcal／kg·℃）

可利用排烟余热为：

（525－160）℃×0.27kcal／kg·℃×2663kg＝26.2万 kcal／h（304kW）

注：沼气实际在缸内燃烧不完全，产生一定量的一氧化碳，并在排气管中继续燃烧；实际烟气排出的热能比计算值要多。

冷却循环水

1台500GF-RZ沼气发电机组：

高温循环水量40 m3/h； 进水温度55-70℃ ； 出水温度65-75℃

低温循环水量30m3 /h；进水温度30-40 ℃； 出水温度35-45℃

四、500GF-RZ机组主要技术规格和参数

名 称 技术规格和参数 

机组型号 500GF-RZ 

燃气发动机型号 1Z12V190ZLD 

发电机型号 1FC6 454-6LA42-Z 

额定功率(kW) 500 

额定电流(A) 902 

额定电压(V ) 400 

额定频率(Hz) 50 

额定转速(r/min) 1000 

发动机型式 四冲程、火花塞点火、增压中冷、水冷 

气缸排列 V型60°夹角 

气缸直径/活塞行程，mm 190/210 

总排量， L 71.45 

沼气气源压力，kPa ≥3 

进气方式 电控混合后增压 

发动机最高排温，℃ 550 

启动方式 24V直流电启动 

冷却方式 水冷、换热器换热 

外形尺寸：mm，L×b×h 5040×1970×2278 

净质量 12500kg 

五、500GF-RZ机组实物图片

总结：利用专业的沼气内燃机组发电技术成熟使用灵活，能量电转化率高。较之燃气轮机组发电，投资小，用人少，建站周期短，经济效益高，具有明显的优势。

燃气机在煤矿煤层气和巷道瓦斯气的应用

    煤层气（CMB）是指储集在煤层中的一种非常规天然气（其主要成份是甲烷），也称煤层吸附气，俗名“瓦斯”。煤层气资源是世界洁净能源开发的重要领域之一。中国拥有丰富的煤层气资源是世界洁净能源开发的重要领域之一。中国拥有丰富的煤层气资源，煤层气资源量约35万亿立方米，与天然气资源量（约38万亿立方米）相当，具有很大的市场开发前景。开发利用煤层气具有保护全球环境，改善煤矿安全和增加新能源等多重功效。我国煤层气和生产产量来自井下抽入（巷道瓦斯）和地面钻井回收两种形式，目前主要是井下抽放系统产生的低浓度煤层气。主要是煤矿开采中伴生的瓦斯，如果达到一定浓度不及时抽排，会引起爆炸，这一直是影响煤矿安全生产突出问题。而抽排要消耗大量的电力，同时这些抽排的瓦斯绝大多数是白白的放掉，造成大气污染和能源的浪费。因此，合理利用抽排的瓦斯，是减少污染，提高煤矿经济效益的有效途径。

    我公司研制开发的“胜动”瓦斯发动机可有效的利用煤层气，由于发动机具备电控混合技术，可适用煤层气浓度低、变化范围大等特点。采用瓦斯发动机发电，一次性投资小，建站周期短，功率范围可根据瓦斯产量大小确定，80%以上的电站资产可以拆移。若煤矿瓦斯消耗尽后，可以方便地将电站移动到其它有瓦斯的煤矿继续发电。搬迁费用及迁建损失低，非常适合于中小型煤矿。大型煤矿也可根据瓦斯量选择多台机器，并车运行，或者并网发电，同样能满足要求。