浅析天然气冷热电三联供系统的动力设备——斯特林发动机

深圳市规划国土发展研究中心 张 涛

浅析天然气冷热电三联供系统的动力设备
——斯特林发动机

深圳市规划国土发展研究中心 张 涛

介绍了天然气冷热电三联供系统的技术原理和系统组成，并描述了作为天然气冷热电三联供系统动力设备——斯特林发动机的工作原理、优点、缺点和在冷热电三联供系统中的应用，意在为同行们更好的了解斯特林发动机。

天然气 冷热电三联供系统 斯特林发动机

1 天然气冷热电三联供系统

1.1 技术原理

天然气冷热电三联供系统是指将天然气燃烧后同时转换成3种产品：电力、热或蒸汽以及冷水，并将其一体化的多联产供能系统，是分布式能源的表现形式之一。冷热电三联供供能模式较传统的分散式供能模式而言，其能源综合利用效率可在80%以上。天然气冷热电三联供系统的基本理念是能源的梯级利用，即通过动力设备的燃烧燃料，将产生的高品位热能转变为电能、中品味的热能转变为蒸汽或冷水、低品位的热能转变为热水或者排放，以“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原理将小型化、模块化的发电系统布置在用户附近。

1.2 系统组成

天然气冷热电三联供系统由动力设备、余热回收设备和制冷设备三个子设备系统组成，其中动力设备占据着核心主导地位。

动力设备是天然气冷热电三联供系统的核心装置，通常在天然气冷热电三联供系统的设计之初，均需根据动力设备来确定整个系统的所采用的集成体系，因此，动力设备的选择决定着整个系统的组织框架和工艺流程。目前国内、外市场上，可选择的动力设备主要有：燃气轮机、内燃机、微燃机、燃料电池和斯特林发动机。

斯特林发动机是天然气冷热电三联供系统动力设备中，具有低碳环保技术优势和广阔市场发展前景，该系统组成见图1。

图1 斯特林发动机天然气冷热电三联供系统示意

2 斯特林发动机工作原理

斯特林发动机是1816年苏格兰人Ro.斯特林的一项发明。

斯特林发动机工作原理见图2。

图2 斯特林发动机工作原理

斯特林发动机由两个密封的充满工作气体的膨胀缸和压缩缸组成，这两个缸的活塞通过曲轴联结。当工作缸的气体被燃料能加热发生膨胀后，将推动活塞位移做功，一部分功使压缩缸中的气体进行压缩和升温，另一部分功通过再热器蓄热，通过冷却器被冷却，由于曲轴的惯性，活塞将回到原有的位置。

按照斯特林发动机的循环工作过程大致为：通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生的动力，是一种外燃式发动机，其主要工艺是使燃料连续地进行燃烧，将蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室进行冷却，反复地进行这样的循环过程。

常用的斯特林发动机的型式有两种：平衡浮子式和双活塞式。斯特林机的高端研究主要应用于军事领域，西方国家的AIP常规潜艇中常使用斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。

2.1 斯特林发动机优点

(1)适用多种燃料：无论是液态的，气态的或者固态的燃料，斯特林发动机都可以进行燃烧，并且对燃料品质的要求较低。凡是燃烧温度可达450 ℃以上的任何种类的燃料都可以作为斯特林发动机的能源，如煤油、重柴油、煤炭、薪柴和秸秆、煤气、天然气、沼气、酒精和植物油等燃料都可燃用。当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能、放射性同位素和核反应等)，而发动机本身不需要做任何形式的大浮动更改。

(2)热效率较高：斯特林发动机的理论循环效率等于凯诺循环效率。现有样机的实验表明，斯特林发动机的理论循环效率达 66%～70%，实际效率约32%～40%。

(3)排气污染少：由于斯特林发动机的燃烧过程是连续的，空气燃烧比的变化对效率影响很小，而对功率几乎没有影响，发动机可以在足够的过量空气下运转；燃料的燃烧是在高温下进行的，使得燃烧非常完善，废气中的 CO、碳氢化合物和碳烟含量较少。

(4)噪声低：斯特林发动机不会产生燃烧爆炸和排气波。斯特林发动机没有气阀机构且运转平衡，噪声比内燃机低15～20 dB。

(5)运转特性好：斯特林发动机气缸中的压力变化平稳，扭矩均匀，运转平稳。斯特林发动机的转速变化范围大，最大转速与最小转速的比值一般为8～10(内燃机为 3～5)。此外，斯特林发动机的超负荷能力很大，能在超过额定负荷50%的情况下正常运转，而内燃机一般只能超载15%。

(6)工作可靠，维修费用低：斯特林发动机的滑润系统与大气隔绝，不受燃烧产物的污染，所以在相当长的运转时间内不需要更换润滑油，润滑油的消耗量很少。

2.2 斯特林发动机缺点

(1)对材料要求高：斯特林发动机的加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度，这对材料提出了较高的耐温要求。然而，随着新材料技术的日益发展成熟，对材料品质要求高的缺点，将逐渐得到解决。

(2)热量损失大：长时间保持高温，使得很多热量通过直接传递和热辐射的形式大量损失。随着保温系统性技术的逐步市场应用，斯特林发动机热量损失大的缺陷已得到了大幅度的克服。

(3)体积大：为提高热效率，需要对系统进行保温处理，这使得因为增加了延缓热损失的一系列装置，导致斯特林发动机的体积过大。近年来，模块化系统拼接理念的逐渐市场化应用，已经可以将斯特林发动机的体积降低到相对合理的范围之内。

(4)反应慢：由于热源来自外部，传热需要时间，导致发动机需要经过一段时间才能使气缸的温度产生变化。新型传热材料的应用，可以大大提高斯特林发动机整体的传热效率。

(5)密封和润滑的矛盾：由于工作介质是有限的，因而发动机系统对密封的要求较高，为了降低摩擦损失，发动机系统对润滑同样提出了较高的要求，由于润滑油汽化会凝结在回热器上造成堵塞，因而不能使用润滑油，只能进行干摩擦，导致了发动机系统的润滑效果有所降低。

3 斯特林发动机在冷热电三联供中的应用

在美国，某公司开发了25 kW斯特林发动机的发电系统，经过论证，25 kW是经济规模成本，使得斯特林发动机的价格更加低廉，而且适用于离网和并网应用，其性能参数见表1。

表1 25千瓦斯特林发动机的性能参数

天然气斯特林发动机的效率较高，经济性能好，环保节能，能适应多种燃料。以某斯特林外燃机热电联产项目为例，用天然气作为燃料，平均发电效率超过30%以上，热电联产综合效率超过80%，通过长时间的测试，具有极好的经济性能，每 m3天然气可以发电约为3 kW·h，可以产生约为5 kW·h的热水，能够产生3.5～4.0元/h的经济效益，要优于其他天然气传统发动机系统。

另以生物质斯特林发动机系统为例：在我国生物质斯特林发动机系统初始投资约4～5千元/kW，则25 kW需投资12.5万元。据秸秆原料统计数据，玉米棒0.05～0.09元/kg，玉米秸秆0.04元/kg，棉花秸秆0.05元/kg，小麦秸秆0.12～0.4元/kg，平均这些秸秆的成本约0.2元/kg。传统生物质汽化发电原料消耗量约为1.5～1.8 kg/kW·h，而生物质斯特林发动机一天约消耗秸秆料560 kg，也就是需要用112元，一天的发电量约为375 kW·h，则发电原料成本约为 0.3元/kW·h，则原料消耗量约为：1.5 kg/kW·h。可以看到生物质斯特林发动机比传统生物质汽化发电更加具有价格优势，但是由于农业废弃物能量密度低，难以大规模集中处理，在秸秆的存储方面需要很大的仓库用来存放这些秸秆，这也就限制生物质斯特林发动机和传统生物质汽化发电的持续运行。

4 结语

低碳发展是我国经济和社会发展的必由之路，其中，发展天然气冷热电三联供系统是践行低碳发展理念的具体形式之一，作为天然气冷热电三联供系统动力设备的斯特林发动机，有利于提高能源利用效率和环境保护，是具有发展前景的核心装备。

我国对斯特林发动机的探索方兴未艾，本文简要地介绍了斯特林发动机的基本特征，意在为同行们在斯特林发动机领域的研究提供参考和借鉴。

Introduction of Stryn Engine as the Power Equipment for CCHP System of Natural Gas

Shenzhen Planning & Land Development Research Center Zhang Tao

This paper introduces the technical principle and system composition of the CCHP system for natural gas. As the main power equipment of the CCHP, the Stryn engine is mentioned in particular, including the working principle, advantages and disadvantages.

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