Richard A. Crump
燃气发电电力部门全球营销经理

March 2014

摘要

热电联产技术和可再生燃料源的发展让往复式发电机组成为发电和能源安全方面的实用选择。

引言

最近，往复式发电机组因新的替代燃料来源而黯然失色，包括风能、太阳能和燃料电池。说失色其实并无根据，原因在于往复式发电机组已经并将继续成为可持续能源领域的支柱。替代低能燃料已成功应用于全球众多设施中，包括垃圾填埋场、沼气设施和污水处理设施。

事实上，往复式发电机组属于高效电源，可实现低资本成本和快速安装及启动。往复式发电机组通常优于传统的燃煤发电厂。Cat® 燃气发电机组额定功率高达6,250 kW，效率为40%左右。正在进行的发动机技术开发项目使实现更高的效率范围 (40%以上)成为现实目标。

面向更加清洁和可持续能源的运动仍在继续，而往复式发电机组可以帮助拥有者符合国家和地方的环境法规。

在解耦模式下运行的公用事业公司，通常提供激励措施，满足为客户供电的效率和排放标准。往复式发电机组可使用垃圾填埋气、沼气和煤层甲烷等可再生燃料运行，从而可为拥有者提供产生碳信用的机会。

本文将讨论可为当今一些最重要的发电问题提供解决方案的往复式发电机组的功能。往复式发电机组可回收通常作为废气释放的热量。通过其规模和便携性，再加上以可再生资源运行的能力，让拥有者能够满足环境法规并为国家能源安全做出贡献。往复式发电机组绝非浪费资源或低效。其技术成熟，且经过验证，可满足现代和未来的能源需求。

热电联产

传统发电厂通常仅将所用燃料潜在能量的三分之一转换为可用能源，发电过程并不高效。在发电时，大部分副产品为热量。在传统发电厂中，热量仅作为废物释放到大气中。这种废热不仅是发电厂的能量损失，而且还造成了污染和全球变暖，所以必须在释放之前进行处理。

往复式发电机组通过集成式系统提供传统发电的替代方案，可产生热电联产 (CHP)、现场发电和/或机械动力以及废热回收，用于加热、冷却、除湿或工艺过程等应用。热电联产高效清洁，可从单一燃料源产生电能和热能。

使用往复式发电机组的热电联产系统通过燃烧天然气或沼气发电，然后从发电过程中捕获废热。往复式发动机提供四种来源的可用废热：废气、发动机气缸套冷却水、润滑油冷却水和涡轮增压器冷却水。之后，此类热量可以转换成有用的热能 (通常以蒸汽或热水的形式)，用于附近的建筑物或发电厂本身。通常，热电联产系统往复式发电机组产生的热水和低压蒸汽可满足低温流程的需求，提供空间供热和饮用水加热，并可运行提供冷水、空调、除湿或制冷的冷却器。

热电联产套件通常可实现70%至80%的总系统效率，且相比传统上单独产热和发电的情况，可降低燃料消耗并减少排放。另外，热电联产还可通过使用废热防止空气污染，而传统发电厂只通过废热处理来控制污染，进一步降低了效率。

对于电力行业而言，面向高效和可持续发电转变不仅在环境上优先，而且还为往复式发电机组创造了新的机会，以确保可持续发电所用应用的可靠性。风能等可再生能源技术典型容量系数为20%至40%，而输出功率不一致的沼气可能需要由燃料产生的电源支持，才能始终满足总体容量要求。无论仅在高峰需求时段运行补充电力生产，还是通过热电联产全时运行 (在非高峰时段分配额外电力供暖或制冷)，往复式发电机组均可补充可再生能源的效率。

可再生资源

往复式发电机组提供了最大化现有可再生资源的机会，而公用事业公司可投资高效和可再生能源的方式之一是通过垃圾填埋气体、沼气和煤矿甲烷 (CMM) 气体发电等项目。发电机组选择以甲烷和甲烷燃料运行表示农场、垃圾填埋场或煤矿处的发电机组可以利用现成废物资源运行，同时为附近建筑物和办公室提供热量和电力。实施在往复式发电机组中使用甲烷而不将其排放到大气中的方法也有助于缓解全球变暖，不仅可以节省成本，还可以带来潜在的收益。甲烷通过垃圾填埋场分解、农业生产和采煤等释放到大气中。

虽然甲烷在大气中天然存在，但是当大量释放时可能会造成危险。甲烷排放对全球变暖的影响估计相当于二氧化碳影响的21 倍。在释放后，甲烷会在大气中存在约9 至15 年。垃圾填埋气体、沼气和煤矿甲烷是运行低能往复式发电机组的三种最常见和最有效的方法。

当有机废物在垃圾填埋场中分解时，垃圾填埋气体 (LFG)自然产生。 LFG 由约50%甲烷、约50%二氧化碳和少量的非甲烷有机化合物组成 (见图1)。

垃圾填埋场必须至少40 英尺 (12 米) 深，并且至少有100 万吨垃圾，方可在技术上收集垃圾填埋气体和进行电力生产。根据垃圾类型和附近地形构成，在垃圾填埋场生成垃圾填埋气体需要约一至三年；在垃圾倾倒后，LFG 最高产量时间为五至七年。

煤矿甲烷是在往复式发电机组中使用清洁燃料的另一选择。在煤矿开采场，可以使用气体抽放系统提取煤层中富含甲烷的气体。与垃圾填埋场中所用方法类似，在煤层中钻入垂直井或水平井，然后通过真空压力提取甲烷。此类提取可产生质量非常高的气体， 通常甲烷含量高于85%，特别是在实际采矿之前钻入煤层的井中。井钻进煤层内部，因为在煤层开采的情况下收集时通常会有更多空气与甲烷气体混合；这种气体通常含有25%至60%的甲烷。

加拿大不列颠哥伦比亚省马克西姆电力公司发现，通过在温哥华岛发电厂安装Cat G3520C 发电机组和三个现有的热电联产机组，能够将为当地公用设施提供的电力增加1.6 MW。发动机功率密度等级为每缸80 千瓦，且每千瓦运行成本相对较低 (优于该应用类型中的其他发动机)，增强了其利用低BTU 甲烷气体作为燃料的能力。

G3520C 以1200 转/分的转速运行，可产生2,144 马力的功率并提供600 伏的电压。配套的开关设备和升压变压器将电压转换为25,000 伏特，以便根据加拿大绿色能源购买计划出售给BC Hydro。

G3520C 与热电联产装置协同工作，帮助工厂从废气、水套、中间冷却器和机油交换器中回收6.7 MW 的热量，为当地温室锅炉提供194°F (90°C) 的水。发电机组利用了接近100%的垃圾填埋场甲烷，并以电力和热量方式捕获了超过85%的总可用能量。无需燃烧。

卡特彼勒解决方案

为满足寻求以沼气为燃料的客户的需求，卡特彼勒提供了G3520C 低能燃料发电机组，该机组采用从垃圾填埋场、煤矿和其他低能沼气环境提取的甲烷燃料运行。新的发电机组包括优化发动机性能的设备，用于与电网并联且持续运行的应用中。该发电机组经过专门设计，可处理甲烷浓度有变化的燃料 (主要为垃圾填埋气体、沼气和煤矿甲烷) 。此外，G3520C 组件还设计为高效可靠地使用低于典型甲烷含量的燃气。对于甲烷含量低至25%的应用类型，可以安排特殊认证和发动机配置。

在G3520C 发电机组上，还配备了专用“硬化”功能等保护系统，以便在需要最少燃料预处理的情况下提供安全保护，防止沼气和垃圾填埋气体的腐蚀性。例如，垃圾填埋场特定设计最大限度地减少了明亮金属(如铜和无防护钢) 在可能与燃料或废气 (具有天然酸性) 接触的组件中的使用。在标准燃气发动机中后冷却器芯以铜合金制成，而在Cat 垃圾填埋发电机组中采用不锈钢制成，以防止硫、氯和氟中酸的侵蚀。

该发电机组配备了使用ADEM™ III 电子控制装置的燃气发动机控制模块，可通过单一来源进行全面的发动机控制。其可以利用25%至100%甲烷的燃料，因此设备在垃圾填埋场或采煤项目的整个生命周期内都可确保高效工作。

Cat G3520C 分为50 和60Hz 两种型号，可用于全球的垃圾填埋气体、沼气和煤矿甲烷气体应用。目前使用该往复式发电机组的电力项目包括德克萨斯州圣安东尼奥9.6 LFG 发电厂、中国晋城120 MW CMM 发电厂以及加拿大安大略省汉密尔顿1.6 MW 污水处理

燃料灵活性和能源安全性

展望未来，重要的是考虑热电联产、效率和保护计划的公用设施管理以及可再生资源对整体能源安全的贡献。往复式发电机组在燃料方面比较灵活，使其成为一种可行的战略基石，减少美国对外国石油和煤炭等不可再生资源的依赖性。

能源独立属于全球都很感兴趣的话题。认识到许多高度利用的资源是有限的，正促使许多国家探索和扩大可再生资源，并对向世界其他国家和地区提供石油和煤炭的国家的自然灾害、区域冲突或供应操作等问题持续关注。

降低能源市场剧烈变化的脆弱性对于确保为基础设施、家庭和企业提供可负担且可靠的电力非常重要。垃圾填埋气体和沼气可以用于为燃料选择比较灵活的往复式发电机组提供动力，但也可以使用产生低氮氧化物的天然气。发电机组效率已经过验证，能够捕获和再利用热电联产应用的废热，同时满足国家和地方的排放标准。在通过分离方式鼓励公用事业公司利用可再生燃料和热电联产系统的优势时，可以从一个中央源管理这些优势，并在本地分配给消费者，使社区能够参与创建和保存其所用能源的过程。

在所有参与实体愿意并能够投资于现有国家资源时，能源安全才能成为现实。从推广现有技术 (如往复式发电机组) 开始，可能会导致电力生产、销售和分配方式的重大变化，从而让美国以清洁、高效的本地电力运行。