柴油機應用于發電設備的行業前景展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

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

作為能源，電能是由一次能源轉化而來。通常使用的電都是指從發電廠提供的電能。一次能源對電力的轉換率是衡量一個國家能源結構是否先進合理的重要標志。電力工業是國民經濟的重要組成部分，關系著國家工業生產的命脈。發展電力是當今每個國家的重點。

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

1 火力發電及相關設備

發電機組是指將其它形式的能源轉化為電能的電力設備，由原動機和發電機組成。常見的火力發電用原動機包括汽輪機、燃氣輪機、柴油機等。由汽輪機帶動的發電機稱為汽輪發電機組；由燃氣輪機帶動的發電機稱為燃氣輪發電機組；由柴油機帶動的發電機稱為柴油發電機組等[1]。

汽輪機是用具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽為動力，將蒸汽的熱能轉換為旋轉機械能的熱力渦輪機械。汽輪機是現代火力發電廠中應用最廣泛的原動機。

燃氣輪機是一種以燃料和空氣為介質的熱力渦輪機械。燃氣輪機的特點是體積小、重量輕、啟動快，可用于聯合循環發電等領域。

柴油機是一類常見的壓燃式內燃機。柴油機已在國民經濟建設中發揮著重要作用，并廣泛應用于載運工具和各類機械設備的動力來源[2-5]。

2 柴油機用于發電設備的技術特點

2.1 發電用柴油機的技術分類

現代柴油發電機組因使用燃料經濟安全、熱效率高、性能可靠穩定、排放對環境污染小等特性而得到廣泛應用?，F代柴油發電機組按用途分類為主用機組和備用機組。

柴油發電機組的主用機組常為獨立電源，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、軍事野外作業等。柴油發電機組的備用機組常在城市內部停電時用于緊急供電。

除此之外，柴油發電機組按使用方式還可分為固定機組和移動機組。固定機組一般有陸用固定場所使用機組，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 發電用柴油機的技術要求

發電用柴油機的技術特點和要求如下：

（1）頻率穩定。為保證頻率穩定性，要求安裝靈敏度較高的全程式調速器，通常要求瞬時調速率≤7%～10%，穩態調速率≤5%[6]；

（2）要求平穩性好，不均勻度?。ㄞD速波動率≤±0.5%）；

（3）可靠性高，具有長期連續工作的能力；（4）發電用柴油機自身運行噪聲較低；

（5）較大容量的發電機組和應急備用發電機組有較好的自動控制功能；

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

3 柴油機應用于火力發電設備的前景展望

3.1 柴油機發電的優勢和劣勢

3.1.1 柴油機發電的技術優勢

（1）熱效率較高；

（2）建設周期短；

（3）運行機動性好；

（4）用水量較少；

（5）占地面積較少；

（6）運行管理人員較少。

3.1.2 柴油機發電的技術劣勢

（1）單機容量較??；

（2）輔機配套設備較多，總投資成本高；

（3）噪聲污染嚴重；

（4）柴油機本身運動部件多，突發性機械設備事故較多，維修費用大，設備維修保養周期短，備件消耗量大。

3.2 燃氣輪機發電的優勢和劣勢

3.2.1 燃氣輪機發電的技術優勢

（1）占地面積??；

（2）最高單機功率比柴油機發電機組更大；（3）建廠周期短；

（4）基建工作量少。燃氣輪發電機組基本上模塊化，可安裝在集裝箱內，允許露天放置運行發電，不需大型廠房，基建工作量比柴油機發電廠更低；

（5）投資成本低。單循環燃氣輪機發電廠，投資成本比柴油機發電廠更低。

3.2.2 燃氣輪機發電的技術劣勢

（1）熱效率低?，F代燃氣輪機的熱效率明顯低于柴油機，導致運行費用較高；

（2）機組出力受環境條件的影響較大，例如燃氣輪機的出力隨環境溫度的升高而下降。

3.3 汽輪機發電的優勢和劣勢

3.3.1 汽輪機發電的技術優勢

（1）技術成熟，可靠性高。汽輪機發電已經有上百年歷史，少有突發性事故，維修費用低于柴油機和燃氣輪機；

（2）設備成本低；

（3）運行成本較低。汽輪機為外燃式機組，采用煤作為燃料時，其成本低于柴油機和燃氣輪機。

3.3.2 汽輪機發電的技術劣勢

（1）建設周期較長。通常建設一座汽輪機發電廠，從可行性研究到全部建成投產大約需要3～4年；

（2）附屬設備較多，占地面積大；

（3）管理人員和生產人員多；

（4）如果采用煤作為燃料，則煤的運輸、存放及煤渣的外運過程較為繁復。

3.4 聯合循環發電的優勢和劣勢

聯合循環燃氣輪機發電，是利用燃氣輪機排出的高溫廢氣，通過余熱鍋爐，產生中溫中壓蒸汽，蒸汽通過汽輪發電機組作功發電。聯合循環燃氣輪機發電，可有效提升機組的總熱效率，降低發電成本。

3.4.1 聯合循環發電的技術優勢

（1）熱效率高；

（2）建設周期短。建一座聯合循環燃氣輪機發電廠，從簽約訂設備到單循環發電大約需1年時間，到聯合循環發電大約需2年時間。

3.4.2 聯合循環發電的技術劣勢

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

（2）技術管理較復雜。一個現代聯合循環燃氣輪機發電廠涉及燃氣輪機技術、汽輪機技術、鍋爐技術、油處理技術、發配電技術、計算機信息技術等，對人員的技術素質要求較高。

3.5 柴油機應用于火力發電設備的前景展望

柴油機發電建設周期短，是大功率柴油機發電得以迅速發展的主要原因之一。對經濟迅速騰飛的地區來說，電力能迅速跟上經濟增長的速度就顯得非常迫切。柴油機發電的建設時間比較短，可做到當年投資，當年產生經濟效益，迅速解決電力供需矛盾。企業可減輕基建期間貸款利息負擔，盡快還本付息。建設周期短是柴油機發電一個最突出的優點。

機動性好是柴油機發電的另一項顯著優勢。一般汽輪機發電，從鍋爐點火升溫到機組滿負荷發電，需要較長的時間。相比之下，柴油機發電從備用狀態起動到滿負荷發電所需時間短。柴油機發電是理想的電網頂峰電源。在電網高峰負荷或大電網出現機組故障的情況下，柴油機發電能迅速填補電網電力的短缺。在深夜電網負荷減輕的情況下，柴油機發電可處于備用狀態，以免電網大機組因負荷過輕而需鍋爐放汽，造成能源浪費。

柴油機發電由于設備自動化程度較高，所需運行管理人員就較少。對同等容量的汽輪機發電來說，所需的人數至少多一倍以上。由此可見，柴油機發電的勞動效率更高，經濟效益也更好。

柴油機用于發電也有自身劣勢?，F代的大功率中速柴油發電機組，其單機容量相對于汽輪發電機組或燃氣輪發電機組，容量就顯得相對較小，這也制約了柴油機發電的發展。柴油機的單機容量太小，中、大型柴油機發電往往需要安裝數臺以至數十臺機組。機組臺數越多，管理、運行、檢修工作就越復雜，工作量就越大，出現故障概率就越大，運行可靠性就會降低。

不僅如此，大功率柴油機的主要運動零部件在巨大的交變機械負荷、熱負荷、沖擊振動及燃氣腐蝕等惡劣條件下運行，出現磨損、老化、損壞也是不可避免的。柴油機任何零部件的損壞，柴油機輔助系統的各種故障，或者現場操作的失誤，都會導致柴油機工作不正常，需要停機檢修，造成柴油機發電的運行維修成本遠遠高于汽輪機發電。柴油機發電與輔助設備較少的汽輪機相比較，突發性機械故障多是主要的缺點。為此，柴油機發電應加強科學管理，加強運行監測，嚴格執行設備的維護保養規定等措施，減少故障，預防事故發生。

綜上所述，總裝機容量在300MW以上，作基本負荷使用，以燃煤的汽輪機發電方式較合適；總裝機容量100～300MW，以補充電網不足或作基本負荷為目標，選用聯合循環燃氣輪機發電方式或單循環燃氣輪機發電方式較適宜；總裝機容量100MW以下，如以調峰、補充電網及應急備用發電為目標，選用柴油機發電方式較適宜。

3.6 其它發電方式對火力發電的挑戰

3.6.1 水力發電及其技術特點

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

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

（2）水力發電主要動力設備的水輪發電機組，效率較高，啟動、操作靈活，可以在幾分鐘內從靜止狀態迅速啟動投入運行，在幾秒鐘內完成增減負荷的任務。

（3）水力發電可儲蓄和調節，能夠綜合利用水能資源，不污染環境。水力發電對電網的調峰調谷非常有用。

（4）水電廠的建設和生產受河流地形、水量及季節條件限制，有豐水期和枯水期之分，發電不均衡，建設投資較大，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平衡。

3.6.2 風力發電及其技術特點

風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。與其它種類的發電方式相比，風力發電具有以下特點：

（1）風能是取之不盡、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費，更無須對發電殘渣、大氣進行環保治理[8]。

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

（3）風具有很強的季節性，并非持續性的能源，這就決定了風力發電在發電方式中處于“配角”的地位。

3.6.3 太陽能發電及其技術特點

太陽能發電系統由太陽能光伏電池組、太陽能控制器、蓄電池組成。具體特點如下[9]：

（1）太陽能取之不盡，用之不竭。據估算，一年之中投射到地球的太陽能，其能量相當于1 370 000億t標準煤所產生的熱量，大約為全球一年內利用各種能源所產生能量的兩萬倍。

（2）太陽能在轉換過程中不會產生危及環境的污染。

（3）太陽能資源遍及全球。我國約有三分之二的地區可以較好地利用太陽能資源。

（4）太陽能光伏發電是間歇性的，有陽光時才發電，且發電量與陽光的強弱成正比關系。太陽能光伏發電內部無運動部件，壽命長，無須或極少需要維護。光伏系統模塊化，可以安裝在靠近電力消耗的地方，在遠離電網的地區，實現分布式能源供給系統。

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

3.6.4 火力發電所處的技術性地位和未來展望

各類發電方式雖然各具優勢，但相比火力發電仍有其自身弊端?；鹆Πl電幾乎不受地域環境、季節氣候等因素的限制，在運作持續性、技術成熟度等方面依然具備顯著的優勢。我國未來較長一段時間仍將以火力發電為主[10-11]，水力發電和風力發電為輔。太陽能光伏發電適用于分布式能源系統[12]。

4 結論及展望

電力工業在國民經濟發展中起著重要作用。在各類發電方式中，火力發電方式將會在未來較長的一段時間內長期占據主流地位。柴油機作為建設周期短、機動性好、運行高效的熱力發電機，在火力發電設備領域必然也會長期占有一席之地。