柴油機(jī)應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備的行業(yè)前景展望

伍賽特

上海汽車集團(tuán)股份有限公司

0 引言

電能以方便清潔、易于輸送、易于轉(zhuǎn)化成其它形式的能量，已成為應(yīng)用最為廣泛的二次能源，成為現(xiàn)代生產(chǎn)過程中不可或缺的動力，已與現(xiàn)代生活密不可分。

作為能源，電能是由一次能源轉(zhuǎn)化而來。通常使用的電都是指從發(fā)電廠提供的電能。一次能源對電力的轉(zhuǎn)換率是衡量一個國家能源結(jié)構(gòu)是否先進(jìn)合理的重要標(biāo)志。電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，關(guān)系著國家工業(yè)生產(chǎn)的命脈。發(fā)展電力是當(dāng)今每個國家的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)發(fā)電方式按所用一次能源的不同，可分為三類：火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電。其中，火力發(fā)電在全世界發(fā)電總裝機(jī)容量中占70%以上。

1 火力發(fā)電及相關(guān)設(shè)備

發(fā)電機(jī)組是指將其它形式的能源轉(zhuǎn)化為電能的電力設(shè)備，由原動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。常見的火力發(fā)電用原動機(jī)包括汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)等。由汽輪機(jī)帶動的發(fā)電機(jī)稱為汽輪發(fā)電機(jī)組；由燃?xì)廨啓C(jī)帶動的發(fā)電機(jī)稱為燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組；由柴油機(jī)帶動的發(fā)電機(jī)稱為柴油發(fā)電機(jī)組等[1]。

汽輪機(jī)是用具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽為動力，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的熱力渦輪機(jī)械。汽輪機(jī)是現(xiàn)代火力發(fā)電廠中應(yīng)用最廣泛的原動機(jī)。

燃?xì)廨啓C(jī)是一種以燃料和空氣為介質(zhì)的熱力渦輪機(jī)械。燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是體積小、重量輕、啟動快，可用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等領(lǐng)域。

柴油機(jī)是一類常見的壓燃式內(nèi)燃機(jī)。柴油機(jī)已在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，并廣泛應(yīng)用于載運(yùn)工具和各類機(jī)械設(shè)備的動力來源[2-5]。

2 柴油機(jī)用于發(fā)電設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 發(fā)電用柴油機(jī)的技術(shù)分類

現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組因使用燃料經(jīng)濟(jì)安全、熱效率高、性能可靠穩(wěn)定、排放對環(huán)境污染小等特性而得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組按用途分類為主用機(jī)組和備用機(jī)組。

柴油發(fā)電機(jī)組的主用機(jī)組常為獨(dú)立電源，例如：列車電源站、船艦電源站、海島電源站、山林電源站，以及野外施工用電、軍事野外作業(yè)等。柴油發(fā)電機(jī)組的備用機(jī)組常在城市內(nèi)部停電時用于緊急供電。

除此之外，柴油發(fā)電機(jī)組按使用方式還可分為固定機(jī)組和移動機(jī)組。固定機(jī)組一般有陸用固定場所使用機(jī)組，如電信局電源站、電視臺電源站等。移動電站，常為交通工具裝載型，如汽車載、船載，列車載[4]等。

2.2 發(fā)電用柴油機(jī)的技術(shù)要求

發(fā)電用柴油機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和要求如下：

（1）頻率穩(wěn)定。為保證頻率穩(wěn)定性，要求安裝靈敏度較高的全程式調(diào)速器，通常要求瞬時調(diào)速率≤7%～10%，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率≤5%[6]；

（2）要求平穩(wěn)性好，不均勻度?。ㄞD(zhuǎn)速波動率≤±0.5%）；

（3）可靠性高，具有長期連續(xù)工作的能力；（4）發(fā)電用柴油機(jī)自身運(yùn)行噪聲較低；

（5）較大容量的發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)組有較好的自動控制功能；

（6）排放性好，尤其是坑道內(nèi)使用的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組通常需加裝排氣凈化和降噪裝置。

3 柴油機(jī)應(yīng)用于火力發(fā)電設(shè)備的前景展望

3.1 柴油機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢和劣勢

3.1.1 柴油機(jī)發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢

（1）熱效率較高；

（2）建設(shè)周期短；

（3）運(yùn)行機(jī)動性好；

（4）用水量較少；

（5）占地面積較少；

（6）運(yùn)行管理人員較少。

3.1.2 柴油機(jī)發(fā)電的技術(shù)劣勢

（1）單機(jī)容量較小；

（2）輔機(jī)配套設(shè)備較多，總投資成本高；

（3）噪聲污染嚴(yán)重；

（4）柴油機(jī)本身運(yùn)動部件多，突發(fā)性機(jī)械設(shè)備事故較多，維修費(fèi)用大，設(shè)備維修保養(yǎng)周期短，備件消耗量大。

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的優(yōu)勢和劣勢

3.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢

（1）占地面積小；

（2）最高單機(jī)功率比柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組更大；（3）建廠周期短；

（4）基建工作量少。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組基本上模塊化，可安裝在集裝箱內(nèi)，允許露天放置運(yùn)行發(fā)電，不需大型廠房，基建工作量比柴油機(jī)發(fā)電廠更低；

（5）投資成本低。單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，投資成本比柴油機(jī)發(fā)電廠更低。

3.2.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的技術(shù)劣勢

（1）熱效率低?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率明顯低于柴油機(jī)，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用較高；

（2）機(jī)組出力受環(huán)境條件的影響較大，例如燃?xì)廨啓C(jī)的出力隨環(huán)境溫度的升高而下降。

3.3 汽輪機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢和劣勢

3.3.1 汽輪機(jī)發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢

（1）技術(shù)成熟，可靠性高。汽輪機(jī)發(fā)電已經(jīng)有上百年歷史，少有突發(fā)性事故，維修費(fèi)用低于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)；

（2）設(shè)備成本低；

（3）運(yùn)行成本較低。汽輪機(jī)為外燃式機(jī)組，采用煤作為燃料時，其成本低于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。

3.3.2 汽輪機(jī)發(fā)電的技術(shù)劣勢

（1）建設(shè)周期較長。通常建設(shè)一座汽輪機(jī)發(fā)電廠，從可行性研究到全部建成投產(chǎn)大約需要3～4年；

（2）附屬設(shè)備較多，占地面積大；

（3）管理人員和生產(chǎn)人員多；

（4）如果采用煤作為燃料，則煤的運(yùn)輸、存放及煤渣的外運(yùn)過程較為繁復(fù)。

3.4 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的優(yōu)勢和劣勢

聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，是利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫廢氣，通過余熱鍋爐，產(chǎn)生中溫中壓蒸汽，蒸汽通過汽輪發(fā)電機(jī)組作功發(fā)電。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，可有效提升機(jī)組的總熱效率，降低發(fā)電成本。

3.4.1 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的技術(shù)優(yōu)勢

（1）熱效率高；

（2）建設(shè)周期短。建一座聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，從簽約訂設(shè)備到單循環(huán)發(fā)電大約需1年時間，到聯(lián)合循環(huán)發(fā)電大約需2年時間。

3.4.2 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的技術(shù)劣勢

（1）機(jī)動靈活性不如柴油發(fā)電機(jī)組，頻繁啟動將縮短熱通道零件的壽命，縮短維修周期；

（2）技術(shù)管理較復(fù)雜。一個現(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、汽輪機(jī)技術(shù)、鍋爐技術(shù)、油處理技術(shù)、發(fā)配電技術(shù)、計算機(jī)信息技術(shù)等，對人員的技術(shù)素質(zhì)要求較高。

3.5 柴油機(jī)應(yīng)用于火力發(fā)電設(shè)備的前景展望

柴油機(jī)發(fā)電建設(shè)周期短，是大功率柴油機(jī)發(fā)電得以迅速發(fā)展的主要原因之一。對經(jīng)濟(jì)迅速騰飛的地區(qū)來說，電力能迅速跟上經(jīng)濟(jì)增長的速度就顯得非常迫切。柴油機(jī)發(fā)電的建設(shè)時間比較短，可做到當(dāng)年投資，當(dāng)年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，迅速解決電力供需矛盾。企業(yè)可減輕基建期間貸款利息負(fù)擔(dān)，盡快還本付息。建設(shè)周期短是柴油機(jī)發(fā)電一個最突出的優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)動性好是柴油機(jī)發(fā)電的另一項顯著優(yōu)勢。一般汽輪機(jī)發(fā)電，從鍋爐點(diǎn)火升溫到機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電，需要較長的時間。相比之下，柴油機(jī)發(fā)電從備用狀態(tài)起動到滿負(fù)荷發(fā)電所需時間短。柴油機(jī)發(fā)電是理想的電網(wǎng)頂峰電源。在電網(wǎng)高峰負(fù)荷或大電網(wǎng)出現(xiàn)機(jī)組故障的情況下，柴油機(jī)發(fā)電能迅速填補(bǔ)電網(wǎng)電力的短缺。在深夜電網(wǎng)負(fù)荷減輕的情況下，柴油機(jī)發(fā)電可處于備用狀態(tài)，以免電網(wǎng)大機(jī)組因負(fù)荷過輕而需鍋爐放汽，造成能源浪費(fèi)。

柴油機(jī)發(fā)電由于設(shè)備自動化程度較高，所需運(yùn)行管理人員就較少。對同等容量的汽輪機(jī)發(fā)電來說，所需的人數(shù)至少多一倍以上。由此可見，柴油機(jī)發(fā)電的勞動效率更高，經(jīng)濟(jì)效益也更好。

柴油機(jī)用于發(fā)電也有自身劣勢?，F(xiàn)代的大功率中速柴油發(fā)電機(jī)組，其單機(jī)容量相對于汽輪發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，容量就顯得相對較小，這也制約了柴油機(jī)發(fā)電的發(fā)展。柴油機(jī)的單機(jī)容量太小，中、大型柴油機(jī)發(fā)電往往需要安裝數(shù)臺以至數(shù)十臺機(jī)組。機(jī)組臺數(shù)越多，管理、運(yùn)行、檢修工作就越復(fù)雜，工作量就越大，出現(xiàn)故障概率就越大，運(yùn)行可靠性就會降低。

不僅如此，大功率柴油機(jī)的主要運(yùn)動零部件在巨大的交變機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、沖擊振動及燃?xì)飧g等惡劣條件下運(yùn)行，出現(xiàn)磨損、老化、損壞也是不可避免的。柴油機(jī)任何零部件的損壞，柴油機(jī)輔助系統(tǒng)的各種故障，或者現(xiàn)場操作的失誤，都會導(dǎo)致柴油機(jī)工作不正常，需要停機(jī)檢修，造成柴油機(jī)發(fā)電的運(yùn)行維修成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽輪機(jī)發(fā)電。柴油機(jī)發(fā)電與輔助設(shè)備較少的汽輪機(jī)相比較，突發(fā)性機(jī)械故障多是主要的缺點(diǎn)。為此，柴油機(jī)發(fā)電應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)管理，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)測，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)規(guī)定等措施，減少故障，預(yù)防事故發(fā)生。

綜上所述，總裝機(jī)容量在300MW以上，作基本負(fù)荷使用，以燃煤的汽輪機(jī)發(fā)電方式較合適；總裝機(jī)容量100～300MW，以補(bǔ)充電網(wǎng)不足或作基本負(fù)荷為目標(biāo)，選用聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電方式或單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電方式較適宜；總裝機(jī)容量100MW以下，如以調(diào)峰、補(bǔ)充電網(wǎng)及應(yīng)急備用發(fā)電為目標(biāo)，選用柴油機(jī)發(fā)電方式較適宜。

3.6 其它發(fā)電方式對火力發(fā)電的挑戰(zhàn)

3.6.1 水力發(fā)電及其技術(shù)特點(diǎn)

利用水能資源發(fā)電的方式稱為水力發(fā)電。它是現(xiàn)代電力生產(chǎn)的重要方式之一，也是開發(fā)利用河流水能資源的重要方式。水力發(fā)電與其它種類的發(fā)電方式相比，水力發(fā)電具有以下特點(diǎn)：

（1）發(fā)電成本低，無須再消耗其它動力資源[7]。檢修、維護(hù)費(fèi)用也較同容量的火電發(fā)電低得多。

（2）水力發(fā)電主要動力設(shè)備的水輪發(fā)電機(jī)組，效率較高，啟動、操作靈活，可以在幾分鐘內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速啟動投入運(yùn)行，在幾秒鐘內(nèi)完成增減負(fù)荷的任務(wù)。

（3）水力發(fā)電可儲蓄和調(diào)節(jié)，能夠綜合利用水能資源，不污染環(huán)境。水力發(fā)電對電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)谷非常有用。

（4）水電廠的建設(shè)和生產(chǎn)受河流地形、水量及季節(jié)條件限制，有豐水期和枯水期之分，發(fā)電不均衡，建設(shè)投資較大，工期較長。另外，建水庫需要淹沒土地、移民，還可能破壞自然界的生態(tài)平衡。

3.6.2 風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)能是因空氣流動做功而提供給人類的可利用的能量，屬于可再生能源。與其它種類的發(fā)電方式相比，風(fēng)力發(fā)電具有以下特點(diǎn)：

（1）風(fēng)能是取之不盡、用之不竭的清潔、無污染、可再生能源。無須購置燃料或支付昂貴的運(yùn)費(fèi)，更無須對發(fā)電殘渣、大氣進(jìn)行環(huán)保治理[8]。

（2）風(fēng)力發(fā)電具有很強(qiáng)的地域性，并非任何地方都能建立風(fēng)電站。風(fēng)電站必須建立在風(fēng)力資源豐富的地方，如山口、海島等。

（3）風(fēng)具有很強(qiáng)的季節(jié)性，并非持續(xù)性的能源，這就決定了風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電方式中處于“配角”的地位。

3.6.3 太陽能發(fā)電及其技術(shù)特點(diǎn)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池組、太陽能控制器、蓄電池組成。具體特點(diǎn)如下[9]：

（1）太陽能取之不盡，用之不竭。據(jù)估算，一年之中投射到地球的太陽能，其能量相當(dāng)于1 370 000億t標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的熱量，大約為全球一年內(nèi)利用各種能源所產(chǎn)生能量的兩萬倍。

（2）太陽能在轉(zhuǎn)換過程中不會產(chǎn)生危及環(huán)境的污染。

（3）太陽能資源遍及全球。我國約有三分之二的地區(qū)可以較好地利用太陽能資源。

（4）太陽能光伏發(fā)電是間歇性的，有陽光時才發(fā)電，且發(fā)電量與陽光的強(qiáng)弱成正比關(guān)系。太陽能光伏發(fā)電內(nèi)部無運(yùn)動部件，壽命長，無須或極少需要維護(hù)。光伏系統(tǒng)模塊化，可以安裝在靠近電力消耗的地方，在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，實現(xiàn)分布式能源供給系統(tǒng)。

（5）除了間歇性工作以及受氣候環(huán)境影響較大之外，太陽能光伏發(fā)電依然有著轉(zhuǎn)換效率較低，成本較高等技術(shù)弊端。

3.6.4 火力發(fā)電所處的技術(shù)性地位和未來展望

各類發(fā)電方式雖然各具優(yōu)勢，但相比火力發(fā)電仍有其自身弊端。火力發(fā)電幾乎不受地域環(huán)境、季節(jié)氣候等因素的限制，在運(yùn)作持續(xù)性、技術(shù)成熟度等方面依然具備顯著的優(yōu)勢。我國未來較長一段時間仍將以火力發(fā)電為主[10-11]，水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為輔。太陽能光伏發(fā)電適用于分布式能源系統(tǒng)[12]。

4 結(jié)論及展望

電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用。在各類發(fā)電方式中，火力發(fā)電方式將會在未來較長的一段時間內(nèi)長期占據(jù)主流地位。柴油機(jī)作為建設(shè)周期短、機(jī)動性好、運(yùn)行高效的熱力發(fā)電機(jī)，在火力發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域必然也會長期占有一席之地。