“气”宇轩昂,迈入能源转型

电厂应用的环保发动机活塞迎来蓬勃发展

天然气发动机对未来气候友好型的能源组合至关重要。它们是热电联产电厂的心脏。莱茵金属汽车为德国目前最现代的海岸电厂K.I.E.L提供大型发动机的活塞。

当被问及对二氧化碳减排所做的贡献时,莱茵金属汽车大型活塞部门的负责人沃尔夫冈·哈特曼(Wolfgang Hartmann)展示了德国内卡苏姆工厂待运仓库内已包装完毕等待发货的巨大发动机活塞。这款活塞重达87公斤,直径31厘米,难以用双手将其托举起来。相较之下,乘用车引擎活塞仅重约200克。哈特曼介绍说:“这是热电联产电厂大型燃气发动机的钢质活塞。” 他的回答刚开始有些令人诧异,却有理有据。目前关于可再生能源绿色发电的讨论中,人们常常谈及风能、太阳能和水力,却经常忽视环保型的热力生产用于采暖和热水制备供应对气候保护的重要意义。。另外,在替代能源无法发电的时间段,例如冬季多云无风的日子,它可以保障持续的电力供给。

基于上述考虑,热电联产的现代化燃料发动机将成为电厂能源转型的基石。内燃机运作过程中所释放的能量有两种用途:一方面,发动机的曲轴可以驱动发电机发电;与此同时,燃烧释放的热量加热蓄水池,为区域供热网中的建筑物提供热水和热力。

基尔建有世界范围最现代的发电厂

海岸发电厂K.I.E.L.(基尔智慧能源解决方案)是目前世界同类发电厂中最先进的设施之一。这个系统由四组20个燃气发动机、1个电极锅炉和一个储热器构成。模块化构建让电厂发动机在启动不到五分钟的时间内达到190兆瓦的额定功率和192 兆瓦的热功率。通过区域热网,发电厂的产出为基尔市镇旗下7万个客户提供绿色电力和热力。与先前的煤炭发电厂相比,K.I.E.L电厂的二氧化氮排放下降比例可达70%。此外,天然气燃烧也不会释放任何硫化物。

电厂使用的发动机是詹巴赫(Jenbacher)J920 FleXtra 20缸机组,每台发动机长8.4米,宽3.2米,高3.5米,重91吨。再加上涡轮增压器模块和发电机,发动机总长度为16.8米,重量为176吨。 莱茵金属汽车为发动机配备了活塞和配套的环组件,它们与整台系统一样高效。 燃烧过程中发动机极好的能量转换系数让总设备的效率高达90%,其中一半为热能,另一半是电力。相较于当前欧盟能源混合(EU Mix)将电力和热能分开供应的做法, K.I.E.L电厂每个发动机-发电机机组发电机单元每年最多可减排7800吨二氧化碳,20台机组意味着每年最多可减排15.6万吨的二氧化碳。

高压确保高能效优势 

基尔所用的发动机之所以高效,原因之一在于这些发动机的燃烧控制。与柴油发动机不同,燃气发动机中的空气和燃气混合体在燃烧仓内的压力影响下自行点燃。燃气发动机基本根据奥拓原则工作,它们需要外部火源,例如打火器,让气缸内开始燃烧。发动机工作过程中,燃烧和点火的参数设置应当尽可能让燃料充分释放能量,达到最高的能效。但这样一来,燃烧中爆震的危险性也提高了。

专家认为爆震是不受控制的燃烧,会带来压力峰值并可能损坏轴承、气门、气缸盖和活塞等发动机组件。哈特曼说:“成功的秘诀在于,发动机的运行应尽可能接近但不能逾越爆震的界限。另外,燃烧设置也应确保在短时间内出现爆震后,再立刻将参数调回去。”

设备的能效高达90%--其中一半为电力,另一半是热力

只要人们在发动机元件的规格设计中考虑到这一点,即使燃烧过程中可能出现短时压力喷射,但比持续爆震燃烧的危害要小的多,也不会造成组件的损坏。发电厂发动机还装配另一种开发元件:出于能效考虑,这些开发元件适用于极高的点火压力,最高可以达到250巴。发动机爆震控制时出现的短时压力喷射也具有一样的特征。哈特曼介绍活塞的构造:“点火压力水平对于活塞产品的开带来构造设计上的挑战。在对潜力进行深入评估之后,我们决定制造一种组合式的锻钢活塞。组件的下半部和上半部由螺栓紧固在一起。”

功率灵活

Innio詹巴赫的电厂发动机经久耐用,易于安装和维护。发动机由发电机、发动机和涡轮增压器模块等标准化模块组成。发动机的设计确保停机时间短,且传动单元可作为完整组件进行更换。分段凸轮轴易于维护。根据需要,每个发动机能在不到五分钟的时间内提供10.4兆瓦的电力。最新的模块控制技术有助于降低发动机启动时的氮氧化物排放量。再配合发动机集成排气处理系统,让氮氧化物的排放量降到最低。

“活塞环需要适配燃气驱动和发动机的规格要求”,哈特曼介绍说。发动机开发人员首先通过模拟计算出活塞环的形状,然后在测试台上测算活塞的性能。最优化的活塞环设计决定了燃烧室内是否可以实现燃烧均匀。“一定要避免出现所谓的‘热极值点’,这是组件壁上特别热的区域,在这些地方,燃料引燃不受控制,会出现爆震现象。”

灵活性高

基尔发电厂的独特之处在于高度的灵活性。设备的运行模式可根据电力和热力需求调整。在寒冷的冬季,电厂为基尔的客户提供必需的热力和电力。如果出现超额供给,则可以将富余电力在电力市场上出售。如果冬天良好的风力条件产生充足的可再生清洁电力,, K.I.E.L的产能也可相应降低。来自电网的额外“绿色”电力可用来加热电极锅炉中的水,为该地区供暖。夏季多云无风的情况下,太阳能和风能供给出现瓶颈,此时K.I.E.L可以在短期内提高产能,以确保电网的稳定,并将富余能源存储在储热器中。

理念蔚然成风

其他城市和地区已经意识到,创新型的燃气发动机电厂是一种环保高效的替代方案,可用来替换以燃煤为主的老旧发电设备。哈特曼说:“电厂燃气发动机活塞的需求量越来越大。”科隆正在建造一座新的燃气发动机电厂。他补充道:“当然,用的也是莱茵金属汽车的活塞。”

沃尔夫冈·哈特曼(Wolfgang Hartmann)莱茵金属汽车大型活塞部门的负责人

“燃气发动机的发展趋势不限于能源行业”

莱茵金属汽车大型活塞的直径和重量范围是多少?

我们供货的最小活塞直径为145毫米,重量约为5公斤。最大活塞的直径为640毫米,重量达到500公斤。

发动机在哪些领域有所应用呢??

发动机的适用范围非常广,很大一部分用于发电厂;另一主要应用领域是船舶航运。发动机一方面作为主驱动器,另一方面也是船舶发电的辅助机组。在石油钻井平台上,发动机还提供直接能源供给。另外,大型采矿车辆、挖掘机和火车机车也使用发动机驱动。

除了尺寸大小之外,大型发动机活塞和乘用车活塞之间有什么差别?

大型发动机活塞对运行时间和燃料兼容性的技术要求明显更高。乘用车发动机规定的活塞使用寿命大约在20万公里,相当于2000到3000运行小时。商用车钢质柴油活塞的要求为80万公里到100万公里,相当于1万个工作小时。大型发动机活塞的使用寿命要求在6万到9万小时之间,也就是十年。这是两者之间最大的不同,因此在活塞构造方面需要花费大量的精力。另一个区别在于燃料特性。乘用车的燃料特性很明确,依照汽油、超级燃料和柴油的标准。而大型发动机则不同:需要适应几乎从天然气到重油的所有燃料。

大型发动机活塞与乘用车活塞间是否存在技术转移的可能性?

在钢质活塞的研发方面,大型发动机是先锋,所以在这个领域存在技术转移,例如活塞的加工环节。

您所从事的领域是否也感受到市场对燃气发动机持续走高的需求?

燃气发动机越来越受人们的青睐,这一现象不仅限于能源领域。海洋行业也涌现出越来越多此类的项目,例如邮轮新建项目。我认为,燃气发动机未来几年将占据这一细分市场。还有一些零星项目中,火车机车也装配了燃气发动机。我们能察觉到市场对燃气发动机愈来愈感兴趣,因此客户对燃气发动机相应的活塞产品需求逐步提高。这类活塞产品在产品总量中的占比不断增大。

莱茵金属汽车活塞目前服务的项目中,哪个项目最令人震撼呢?

迄今为止,规模最大、最不寻常的或许是位于约旦首都安曼附近的一家燃气发动机发电厂项目,其输出功率为573兆瓦,是世界上公认的最大内燃机发电厂。整套系统由38个发动机组成,每个发动机有18个气缸,所用活塞的直径为500毫米。我们向该发电厂交付了684个活塞。