内燃机系统介绍及中速内燃机电站设计问题

内燃机系统介绍及中速内燃机电站设计问题

李刚

山东电力建设第三工程有限公司 山东 青岛 266100

摘要：内燃机作为一种动力机械，在运输、发电等方面发挥着重要的作用。其中内燃机电站在分布式能源应用场景，小电网区域及调峰应用场景有较广泛的应用。在国际能源发电市场，内燃机电站项目越来越多，如何依据内燃机电站的系统特点及项目的需求选择出合适的机型，配置合理的辅助系统是影响项目成功的关键，本文依据我公司的投标经验介绍内燃机电站系统及方案选择要点，为电站设计提供参考。

关键词：中速内燃机；电站；选型，设计优化

1. 内燃机的种类、用途及优缺点

1.1内燃机，是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。

1.2内燃机的种类。（1）根据燃料分为汽油机、柴油机、天然气、LPG发动机、乙醇发动机，双燃料发动机。（2）按照内燃机的额定功率转速划分，一般转速＜300RPM的为低速，转速300~1000RPM为中速机，转速＞1000RPM为高速机。（3）根据缸内着火方式分点燃式和压燃式。（4）根据冲程数分二冲程、四冲程内燃机。（5）根据进气充量压力分自然吸气式、增压式。（6）根据气缸排列方式，内燃机可以分为直列、斜置、对置、V形和W形内燃机。

1.3内燃机的用途。主要包含：（1）地面上各类运输车辆（汽车、内燃机车等），矿山、建筑及工程等机械，该类主要为高速内燃机。（2）自备电源发电。连续发电项目推荐使用中速机和低速机，高速机连续发电时，连续发电的功率为额定功率的70%~80%。因此高速机适合黑启动，矿区分散式电源等短时供电用途。（3）水上运输，可作内河及海上船舶的主机和辅机。（4）军事方面，如坦克、装甲车、步兵战车、重兵器牵引车和各类水面舰艇的发动机。

1.4内燃机的优点（1）热能利用率高。涡轮增压柴油机的最高热效率可达46%，而蒸汽机仅有11~16%，新型燃机单循环效率在43%~44%左右。（2）功率范围广，适应性能好，内燃机功率范围可以涵盖0.73KW~34000KW。（3）结构紧凑，重量轻，体积小。（4）使用操作方便，起动快。一般的柴油机和汽油机能够在3~5秒的内起动，并在短时间内达到全负荷运转，而且操作简单安全。

1.5内燃机的缺点（1）对燃料要求较高。高速内燃机一般利用汽油或轻柴油作料，洁净度要求严格。燃气要求甲烷值（MN）大于80。（2）对环境的污染也愈来愈严重。可能需要补充脱硫、脱硝设备，增加投资运营成本。（3）连续运行时可用性、可靠性较燃煤电站和联合循环电站相对低，有时需要增加发电机组台数，以消除利用率低的影响。（4）余热回收方式复杂。（5）需要频繁更换机油和火花塞，运维成本高。（6）低频噪音难处理。

2. 中速内燃机电站系统介绍

作为电站发电用途的内燃机，除作为调峰电站用途外，通常要求连续运行。考虑到高速机连续发电时的需考虑70%~80%的负荷系数，电站用内燃机通常选用中速机和低速机。其中燃油机组的附属系统配置与燃气机组相比，更加复杂，以下详细介绍中速机，燃油机组电站的系统组成。

2 .1 内燃机电站（重油燃料）的典型布置图

2.2 燃油中速机组的特点

（1）燃料包括轻柴油，原油，重油，油品按国际内燃机协会CIMAC H55/K55最大粘度可达700cSt/50℃。（2）排放能够达到世行排放标准。（3）快速的启动时间和加载能力，启动次数无限制，持续功率高。（4） 运行方便，模块化设计，安装方便，运行可靠，检修维护和大修期间无需移动机组

2.3 中速内燃机电站的主要系统包含（1）发电机组，包含内燃机，发电机本体及其附属模块。（2）机务系统，包含压缩空气系统，进气系统，排气系统，冷却系统，润滑油系统，燃油（气）系统，余热回收系统，暖通系统，废弃物处理系统。（3）电气控制系统，包含控制系统，低压系统，中压系统，中性接地系统，升压系统，直流系统，黑启动系统。

2.3.1 底座弹性安装。

一种是设计整体底座，底座容纳发动机和发电机，底座通过弹簧元件弹性地安装在大块钢筋混凝土砌块上，将所有的载荷传递到基础，并在运行和紧急情况（短路）下补偿发动机和发电机之间的相对扭矩。另一种是内燃机通过弹簧元件弹性地安装在混凝土基础上， 发电机通过地脚螺栓刚性地安装在混凝土基础上。

2.3.2 压缩空气系统

压缩空气系统产生并储存内燃机启动和全厂辅助系统控制用气的压缩空气,以及全厂设备检修，气动工具用压缩空气。启动压缩空气系统包含压缩机模块，储气罐模块，压缩空气管道。启动时，压缩空气推动气缸内的活塞启动机组，内燃机成功点火后启动压缩空气系统停止。

2.3.3 燃料油系统

重油机组燃料油系统对重油和柴油进行预处理并将预处理后的燃料输送到内燃机燃油泵和喷嘴系统。包括下列子系统：重油/柴油卸油泵模块；重油/柴油储油罐；重油日用油罐；重油分油器模块（分离器）；重油机组预加压模块；重油机组循环模块。柴油系统适用于机组调试和启动过程，以及机组停机过程。启动时，重油处于低温状态，流动性差，通常配置柴油启动锅炉产生热量加热重油。启动锅炉可以是蒸汽式锅炉，或者导热油锅炉。重油油罐，日用油罐需要进行保温，并维持最低加热温度。

2.3.4 润滑油系统

润滑油系统的作用，通过带走灰尘和磨损颗粒来清洁内燃机；通过将热量从活塞，汽缸壁，气门和汽缸盖带走并散发到润滑油冷却器中来冷却内燃机；防止内燃机轴承受到气缸点火的冲击；润滑磨损表面，减少摩擦；中和腐蚀性燃烧产物；密封发动机金属表面以防生锈；润滑涡轮增压器轴承，冷却喷嘴等。

润滑油系统包括下列子系统：润滑油卸油泵模块；润滑油储油罐；润滑油输送泵模块；润滑油循环油箱；润滑油分油器模块；联合模块（润滑油部分）。润滑油更换周期在取决于润滑油的质量，并受内燃机所用燃料、润滑系统中的循环量、工作条件、润滑油消耗量、润滑油系统和内燃机维护的影响。建议每运行500小时检查/分析一次润滑油，以验证润滑油的质量，确保内燃机无故障运行。可以通过使用分油器，油离心机和过滤器来延长润滑油的服务寿命。正常运行时，也会消耗润滑油，厂家会提供保证的润滑油消耗量。

2.3.5 冷却水系统

冷却水系统利用满足要求的冷却水充分的冷却内燃机各部件，如内燃机缸套，中冷器，润滑油冷却器给内燃机，各部件所产生的热量由散热器，冷凝塔或者原水冷却器(河水，海水，井水)与外界进行热交换，包括以下系统：冷却水检修水箱；冷却水检修泵模块；冷却水膨胀水箱；散热器，冷凝塔，冷却器；联合模块（冷却水部分）；连接管道。冷却水一般使用干净清洁的水质,如自然水（深井水），冷凝水，去离子水等。

冷却水检修水箱在检修维护时候临时存储内燃机的冷却水，这将有益于保存化学防腐剂，而不是将其排放掉而污染环境。检修水箱设计容量至少能够存储一台机组的冷却水量。冷却水检修泵模块连接机组冷却水系统和检修水箱，此模块将需要检修的机组冷却水排入检修水箱中；或将冷却水重新注入检修完毕的机组。同时，检修泵还可以用于预混新的冷却水与添加剂使之充分混合。大多数项目使用空冷散热器，通过翅片管道热交换将内燃机组冷却介质中的热量散发到大气中。部分项目使用管式或板式换热器，将热量散到原水中。

2.3.6 燃烧空气进气系统

燃 烧空气进气系统给内燃机燃烧做功提供清洁空气，包括下列子系统：燃烧空气进气过滤模块；燃烧空气进气管道；内燃机内部燃烧空气进气通道。燃烧空气进气过滤系统是一个单一的，焊接及螺栓连接结构，电气线路预先布置，预装式的模块，便于现场安装。包括，防雨罩；防虫网；百叶格栅；过滤器单元（油浴式，脉冲式，布袋式）；消音器单元；过渡段；接线盒/差压变送器；加热器（如需）。

2.3.7 烟气排放系统

烟气排气系统确保高温尾气的安全排放，稀释尾气中污染物，减小内燃机烟气排放系统的噪音。包括下列子系统：内燃机内烟气通道；烟气排气过渡段；烟气排气管道及膨胀节；烟气处理模块(脱销，脱硫系统)；余热利用系统 ； 热油系统(可选)；蒸汽锅炉系统(可选)；烟气消音器。

2.3.8 厂房通风系统

厂房通风系统的目的是创造一个舒适安全的室内环境，满足厂房内机务和电控设备的安全稳定运行。通风系统的设计需要根据环境温度的范围，寒冷地区需要考虑加热防冰系统，高温地区需要考虑空气冷却系统并根据降雨量设计屋顶的倾角，荒漠地区，需要考虑防风沙的措施。进风侧，吸风口应尽量高，并根据空气质量配置相应的滤网，特别是在风沙较大的地区。排风侧，通常布置在厂房屋顶，并采取防雨措施。

2.3.9点火油系统

点火油，对于双燃料机组，燃气模式下需要点火油。燃油模式下，点火油也需要喷入，以冷却喷嘴。双燃料机组启动时，需要先使用柴油启动，然后切换为重油或者燃气燃料。

3. 内燃机电站方案设计注意事项

3.1电站设计的基本信息

项目方案设计时，应注意收集项目的具体信息。（1）建设电站的位置和目的。电站的位置，包含电站所处的环境条件和运输线路。大型内燃机机组的重量能达到300吨左右，如内陆运输距离较长，同时沿线有多处桥梁，将严重影响运输时间，增加费用。电站的目的是为了长期给电网供电，还是作为调峰电站使用，项目的出力是多少，不同的目的可能会影响到机型的选择。（2）电站的燃料来源（柴油，燃气，重油，双燃料，燃料的接口点参数）。燃料也是关系到机组选型的重要因素，不同的厂家在燃气或燃油单燃料，双燃料机型设计方面有各自的优势，会直接影响机组的效率和价格。（3）电站的外界接口（水源，出线）。水源会影响到项目的冷却方式，以及是否配置化水系统，出线影响项目的总图布置方向（4）电站的环评文件，如烟气排放，废水，废油，固体废弃物排放标准。这个信息会影响机型选择，以及是否配置脱硫，脱销系统，对机组运维费用影响较大。

3.2选定机型。

在收集完项目信息后，对比各家产品型号，选择相应的高速机，中速机，低速机。根据燃料情况选定单燃料，还是双燃料机组。根据项目出力及总图面积选定最终机型和数量。

3.3附属系统的设计。

根据燃料情况和烟气排放标准设计附属系统。例如重油机组，需要确定是否配置脱硫，脱销系统。同时重油机组，还需要配置柴油系统，柴油启动锅炉，余热回收锅炉（加热重油）等。根据水源情况，确定水处理系统。

3.4 性能保证。

一般包含，净出力，净热耗，润滑油消耗量，废水排放值等。注意对于双燃料机组，在计算热耗时，需要同时考虑主燃料消耗量和点火油的消耗量。

参考文献

[1]陆耀祖.《内燃机构造与原理》. 北京: 中国建材工业出版社. 2004.

[2]刘峥.《汽车发动机原理教程》. 北京: 清华大学出版社有限公司. 2001