柴油机应用于发电设备的行业前景展望

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

电能以方便清洁、易于输送、易于转化成其它形式的能量，已成为应用最为广泛的二次能源，成为现代生产过程中不可或缺的动力，已与现代生活密不可分。

作为能源，电能是由一次能源转化而来。通常使用的电都是指从发电厂提供的电能。一次能源对电力的转换率是衡量一个国家能源结构是否先进合理的重要标志。电力工业是国民经济的重要组成部分，关系着国家工业生产的命脉。发展电力是当今每个国家的重点。

传统发电方式按所用一次能源的不同，可分为三类：火力发电、水力发电和核能发电。其中，火力发电在全世界发电总装机容量中占70%以上。

1 火力发电及相关设备

发电机组是指将其它形式的能源转化为电能的电力设备，由原动机和发电机组成。常见的火力发电用原动机包括汽轮机、燃气轮机、柴油机等。由汽轮机带动的发电机称为汽轮发电机组；由燃气轮机带动的发电机称为燃气轮发电机组；由柴油机带动的发电机称为柴油发电机组等[1]。

汽轮机是用具有一定温度和压力的过热蒸汽为动力，将蒸汽的热能转换为旋转机械能的热力涡轮机械。汽轮机是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机。

燃气轮机是一种以燃料和空气为介质的热力涡轮机械。燃气轮机的特点是体积小、重量轻、启动快，可用于联合循环发电等领域。

柴油机是一类常见的压燃式内燃机。柴油机已在国民经济建设中发挥着重要作用，并广泛应用于载运工具和各类机械设备的动力来源[2-5]。

2 柴油机用于发电设备的技术特点

2.1 发电用柴油机的技术分类

现代柴油发电机组因使用燃料经济安全、热效率高、性能可靠稳定、排放对环境污染小等特性而得到广泛应用。现代柴油发电机组按用途分类为主用机组和备用机组。

柴油发电机组的主用机组常为独立电源，例如：列车电源站、船舰电源站、海岛电源站、山林电源站，以及野外施工用电、军事野外作业等。柴油发电机组的备用机组常在城市内部停电时用于紧急供电。

除此之外，柴油发电机组按使用方式还可分为固定机组和移动机组。固定机组一般有陆用固定场所使用机组，如电信局电源站、电视台电源站等。移动电站，常为交通工具装载型，如汽车载、船载，列车载[4]等。

2.2 发电用柴油机的技术要求

发电用柴油机的技术特点和要求如下：

（1）频率稳定。为保证频率稳定性，要求安装灵敏度较高的全程式调速器，通常要求瞬时调速率≤7%～10%，稳态调速率≤5%[6]；

（2）要求平稳性好，不均匀度小（转速波动率≤±0.5%）；

（3）可靠性高，具有长期连续工作的能力；（4）发电用柴油机自身运行噪声较低；

（5）较大容量的发电机组和应急备用发电机组有较好的自动控制功能；

（6）排放性好，尤其是坑道内使用的柴油机发电机组通常需加装排气净化和降噪装置。

3 柴油机应用于火力发电设备的前景展望

3.1 柴油机发电的优势和劣势

3.1.1 柴油机发电的技术优势

（1）热效率较高；

（2）建设周期短；

（3）运行机动性好；

（4）用水量较少；

（5）占地面积较少；

（6）运行管理人员较少。

3.1.2 柴油机发电的技术劣势

（1）单机容量较小；

（2）辅机配套设备较多，总投资成本高；

（3）噪声污染严重；

（4）柴油机本身运动部件多，突发性机械设备事故较多，维修费用大，设备维修保养周期短，备件消耗量大。

3.2 燃气轮机发电的优势和劣势

3.2.1 燃气轮机发电的技术优势

（1）占地面积小；

（2）最高单机功率比柴油机发电机组更大；（3）建厂周期短；

（4）基建工作量少。燃气轮发电机组基本上模块化，可安装在集装箱内，允许露天放置运行发电，不需大型厂房，基建工作量比柴油机发电厂更低；

（5）投资成本低。单循环燃气轮机发电厂，投资成本比柴油机发电厂更低。

3.2.2 燃气轮机发电的技术劣势

（1）热效率低。现代燃气轮机的热效率明显低于柴油机，导致运行费用较高；

（2）机组出力受环境条件的影响较大，例如燃气轮机的出力随环境温度的升高而下降。

3.3 汽轮机发电的优势和劣势

3.3.1 汽轮机发电的技术优势

（1）技术成熟，可靠性高。汽轮机发电已经有上百年历史，少有突发性事故，维修费用低于柴油机和燃气轮机；

（2）设备成本低；

（3）运行成本较低。汽轮机为外燃式机组，采用煤作为燃料时，其成本低于柴油机和燃气轮机。

3.3.2 汽轮机发电的技术劣势

（1）建设周期较长。通常建设一座汽轮机发电厂，从可行性研究到全部建成投产大约需要3～4年；

（2）附属设备较多，占地面积大；

（3）管理人员和生产人员多；

（4）如果采用煤作为燃料，则煤的运输、存放及煤渣的外运过程较为繁复。

3.4 联合循环发电的优势和劣势

联合循环燃气轮机发电，是利用燃气轮机排出的高温废气，通过余热锅炉，产生中温中压蒸汽，蒸汽通过汽轮发电机组作功发电。联合循环燃气轮机发电，可有效提升机组的总热效率，降低发电成本。

3.4.1 联合循环发电的技术优势

（1）热效率高；

（2）建设周期短。建一座联合循环燃气轮机发电厂，从签约订设备到单循环发电大约需1年时间，到联合循环发电大约需2年时间。

3.4.2 联合循环发电的技术劣势

（1）机动灵活性不如柴油发电机组，频繁启动将缩短热通道零件的寿命，缩短维修周期；

（2）技术管理较复杂。一个现代联合循环燃气轮机发电厂涉及燃气轮机技术、汽轮机技术、锅炉技术、油处理技术、发配电技术、计算机信息技术等，对人员的技术素质要求较高。

3.5 柴油机应用于火力发电设备的前景展望

柴油机发电建设周期短，是大功率柴油机发电得以迅速发展的主要原因之一。对经济迅速腾飞的地区来说，电力能迅速跟上经济增长的速度就显得非常迫切。柴油机发电的建设时间比较短，可做到当年投资，当年产生经济效益，迅速解决电力供需矛盾。企业可减轻基建期间贷款利息负担，尽快还本付息。建设周期短是柴油机发电一个最突出的优点。

机动性好是柴油机发电的另一项显著优势。一般汽轮机发电，从锅炉点火升温到机组满负荷发电，需要较长的时间。相比之下，柴油机发电从备用状态起动到满负荷发电所需时间短。柴油机发电是理想的电网顶峰电源。在电网高峰负荷或大电网出现机组故障的情况下，柴油机发电能迅速填补电网电力的短缺。在深夜电网负荷减轻的情况下，柴油机发电可处于备用状态，以免电网大机组因负荷过轻而需锅炉放汽，造成能源浪费。

柴油机发电由于设备自动化程度较高，所需运行管理人员就较少。对同等容量的汽轮机发电来说，所需的人数至少多一倍以上。由此可见，柴油机发电的劳动效率更高，经济效益也更好。

柴油机用于发电也有自身劣势。现代的大功率中速柴油发电机组，其单机容量相对于汽轮发电机组或燃气轮发电机组，容量就显得相对较小，这也制约了柴油机发电的发展。柴油机的单机容量太小，中、大型柴油机发电往往需要安装数台以至数十台机组。机组台数越多，管理、运行、检修工作就越复杂，工作量就越大，出现故障概率就越大，运行可靠性就会降低。

不仅如此，大功率柴油机的主要运动零部件在巨大的交变机械负荷、热负荷、冲击振动及燃气腐蚀等恶劣条件下运行，出现磨损、老化、损坏也是不可避免的。柴油机任何零部件的损坏，柴油机辅助系统的各种故障，或者现场操作的失误，都会导致柴油机工作不正常，需要停机检修，造成柴油机发电的运行维修成本远远高于汽轮机发电。柴油机发电与辅助设备较少的汽轮机相比较，突发性机械故障多是主要的缺点。为此，柴油机发电应加强科学管理，加强运行监测，严格执行设备的维护保养规定等措施，减少故障，预防事故发生。

综上所述，总装机容量在300MW以上，作基本负荷使用，以燃煤的汽轮机发电方式较合适；总装机容量100～300MW，以补充电网不足或作基本负荷为目标，选用联合循环燃气轮机发电方式或单循环燃气轮机发电方式较适宜；总装机容量100MW以下，如以调峰、补充电网及应急备用发电为目标，选用柴油机发电方式较适宜。

3.6 其它发电方式对火力发电的挑战

3.6.1 水力发电及其技术特点

利用水能资源发电的方式称为水力发电。它是现代电力生产的重要方式之一，也是开发利用河流水能资源的重要方式。水力发电与其它种类的发电方式相比，水力发电具有以下特点：

（1）发电成本低，无须再消耗其它动力资源[7]。检修、维护费用也较同容量的火电发电低得多。

（2）水力发电主要动力设备的水轮发电机组，效率较高，启动、操作灵活，可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行，在几秒钟内完成增减负荷的任务。

（3）水力发电可储蓄和调节，能够综合利用水能资源，不污染环境。水力发电对电网的调峰调谷非常有用。

（4）水电厂的建设和生产受河流地形、水量及季节条件限制，有丰水期和枯水期之分，发电不均衡，建设投资较大，工期较长。另外，建水库需要淹没土地、移民，还可能破坏自然界的生态平衡。

3.6.2 风力发电及其技术特点

风能是因空气流动做功而提供给人类的可利用的能量，属于可再生能源。与其它种类的发电方式相比，风力发电具有以下特点：

（1）风能是取之不尽、用之不竭的清洁、无污染、可再生能源。无须购置燃料或支付昂贵的运费，更无须对发电残渣、大气进行环保治理[8]。

（2）风力发电具有很强的地域性，并非任何地方都能建立风电站。风电站必须建立在风力资源丰富的地方，如山口、海岛等。

（3）风具有很强的季节性，并非持续性的能源，这就决定了风力发电在发电方式中处于“配角”的地位。

3.6.3 太阳能发电及其技术特点

太阳能发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池组成。具体特点如下[9]：

（1）太阳能取之不尽，用之不竭。据估算，一年之中投射到地球的太阳能，其能量相当于1 370 000亿t标准煤所产生的热量，大约为全球一年内利用各种能源所产生能量的两万倍。

（2）太阳能在转换过程中不会产生危及环境的污染。

（3）太阳能资源遍及全球。我国约有三分之二的地区可以较好地利用太阳能资源。

（4）太阳能光伏发电是间歇性的，有阳光时才发电，且发电量与阳光的强弱成正比关系。太阳能光伏发电内部无运动部件，寿命长，无须或极少需要维护。光伏系统模块化，可以安装在靠近电力消耗的地方，在远离电网的地区，实现分布式能源供给系统。

（5）除了间歇性工作以及受气候环境影响较大之外，太阳能光伏发电依然有着转换效率较低，成本较高等技术弊端。

3.6.4 火力发电所处的技术性地位和未来展望

各类发电方式虽然各具优势，但相比火力发电仍有其自身弊端。火力发电几乎不受地域环境、季节气候等因素的限制，在运作持续性、技术成熟度等方面依然具备显著的优势。我国未来较长一段时间仍将以火力发电为主[10-11]，水力发电和风力发电为辅。太阳能光伏发电适用于分布式能源系统[12]。

4 结论及展望

电力工业在国民经济发展中起着重要作用。在各类发电方式中，火力发电方式将会在未来较长的一段时间内长期占据主流地位。柴油机作为建设周期短、机动性好、运行高效的热力发电机，在火力发电设备领域必然也会长期占有一席之地。