直燃机在实际应用中的总结与探讨

(中国石油工程建设有限公司青海分公司，敦煌 736200)

0 引 言

随着我国经济建设的发展，我国对能源消费的需求也在逐年增长，根据统计，2019年我国全年能源消费总量达48.6亿吨标准煤，比上年增长3.3%。其中清洁能源(天然气、水电、核电、风电等)消费量占能源消费总量的23.4%，而天然气的消费量占能源消费总量的8%左右，电力行业仍然是影响我国煤炭消费量的主要行业，因此，我国优化能源消费结构的任务任重道远，清洁能源的消费量需要继续增大。

伴随我国城市化进程的不断推进与发展，我国大多城市相继出现空气品质低、雾霾严重、冬季天然气供应及夏季电力保障紧张的局面，而冬季天然气紧缺主要由于冬季工业用燃料气的大量增加所致，夏季电力紧缺主要由于全社会(居民、企业等)空调行业的用电量所致，如此不均衡的用能需求既造成了燃气输配系统及设施在冬季以外的大部分时间利用率不高，也给城镇居民生活带来影响，如多地区已实行冬季居民生活用气量限购、夏季部分时段调整电力供应等政策。而直燃机作为一种以天然气为燃料的冷热源设备，对于缓解夏季电力供应紧缺局面具有积极作用，值得我们去分析与总结。

1 直燃机简述

直燃机是以天然气燃烧产生的热能为动力，溴化锂溶液为工质对，能够分别提供空调用冷冻水、采暖热水及生活热水的冷热源设备。无需用大量的电能，运动部件少、振动与噪音小、运行安静，真快状态下运行，无臭无毒、无爆炸危险、安全可靠，性能稳定，操作方便，危险保养方便。其主要部件包括高温发生器、低温发生器、高温交换器、低温交换器、蒸发器、冷凝器等。

制冷工作原理：天然气燃烧产生热能，加热发生器的溴化锂溶液至140 ℃产生水蒸汽，水蒸汽被冷却水冷凝成水后进入蒸发器这个高真空环境蒸发降温至5 ℃，喷洒到铜管上，使铜管内的空调水降温至7 ℃，向空调系统用户提供冷冻水；吸收热量后的冷凝水变为水蒸汽，被来自发生器的浓溶液吸收，并将热量传递给冷却水释放到大气中；变稀的溶液被泵到发生器，再次被加热，再次产生水蒸汽；如此循环不已。

2 案例分析

目前我国空调行业发展中的制冷方式以电制冷居多，电制冷机组直接消耗电能来产出冷量供用户使用。电能属于二次能源，我国的电能主要来自于热电厂的燃煤发电，大量燃煤造成的环境污染较为严重；而天然气属于一次能源，燃烧天然气的产物对环境影响较小，在夏季使用空调期间若采用直燃机供冷既可节省电能，又可减轻因能源消耗而引起的环境污染，同时还可提高燃气管网设施的利用率。因此，下面我们就采用直燃机制冷和电制冷两种方式结合某工程应用实例进行简单的比较与分析。

2.1 项目介绍

本项目属于已建小区内制冷站的改造项目，项目建设地位于新疆库尔勒市，小区内主要为住宅建筑和办公建筑，总供冷面积122 912 m2，总冷负荷4 916.48 kW。小区内已建有1座制冷站及系统管网等配套设施，运行已达25年，本项目主要对站内的制冷机组进行更换，同时完成相应配套设施的改造。

2.2 供冷方案

根据小区的供冷负荷与现状，结合直燃机与电制冷机组的设备性能与特点，以及考虑室外气温、建筑使用率变化等造成的冷负荷变化，机组运行效率、节能等多方面因素之后，本项目确定分别采用3台电制冷机组和3台直燃机组作为冷源进行对比分析。

由于是改造项目，供冷系统室外管网及水泵、冷却塔等主要设备均为利旧使用，因此本工程只涉及站内部分配套设施的改造及维修

2.3 方案比较

方案一：选用3台直燃机(直燃型溴化锂吸收式冷(热)水机组)，制冷量1 745 kW，冷冻水进出水温度12～7 ℃，冷却水进出水温度32～37.5 ℃，天然气耗量127 Nm3/h，制冷额定负荷COP=1.36(含主机电耗)。系统泵组、冷却塔及室外管网利旧，配套进行站内制冷工艺系统，以及土建、电气、仪控、燃气、暖通等部分设施改造。

方案二：选用3台螺杆机(高效型螺杆式冷水机组)，制冷量1 720.7 kW，电功率299.2 kW，电压380 V，COP=5.75。系统泵组、冷却塔及室外管网利旧，配套进行站内制冷工艺系统，以及土建、电气、仪控等部分设施改造。

(1)主要设备与初投资

本项目中的设备费用采用市场询价的平均值，具体费用见表1。

表1主要设备及初投资费用表

注：配套改造主要包括站内工艺系统管线、阀件与辅助设施，以及土建、电气、仪控、燃气等部分配套设施改造。

由表1可知，方案一(直燃机制冷)比方案二(电制冷)初投资高202万元。

(2)运行费用

本项目运行费用主要包括运行期间的能源消耗费(燃料费、水费、电费)与设备维护费等。本次改造的制冷站每年夏季空调运行135天，每天平均运行12 h。能耗价格采用当地计费单价，天然气价格1.25元/m3，电价0.93元/kW·h，自来水价格3.14元/m3(包括污水处理费)。设备维护费用按直燃机5万元/年/台、螺杆机8万元/年/台计取。两种方案的运行费用对比具体见表2。

表2运行费用对比表

由表2可知，方案一(直燃机制冷)比方案二(电制冷)的年运行总费用低45.68万元。初投资方案一比方案二的高出部分(202万元)，在系统运行4.5年后即可节省出来。

因此，从经济性来讲，采用直燃机供冷的方案虽然初投资高，但建成以后的年运行费用相对较低，并且直燃机还可同时提供采暖和生活热水，一机多用，设备、机房等系统配套设施使用率较高，节省空间，具有较强的广泛应用潜力。

(3)综合能耗

制冷机组运行期间的能源消耗主要为天然气、水、电，其中天然气和水属于一次能源，电属于二次能源，现将两种方案的运行能耗折合标准煤后进行分析比较，具体见表3。

表3 综合能耗对比表

由表3可知，方案二(电制冷)比方案一(直燃机制冷)年运行多消耗0.98万吨标准煤，即采用电制冷方式的一次能源消耗量大。因此，单独从节约能源消耗的角度来讲，选用能耗量低的直燃机供冷方式具有较大的应用推广意义。

3 结束语

目前，我国的能源消费结构中煤炭消费占比接近60%，环境污染仍然是现阶段我国发展过程中面临的严峻问题，因此，大力发展天然气等清洁能源的应用事业，在减少对周围环境污染的同时以求改善我国的能源消费结构，对我国经济发展及人民生活水平的提高均具有重要意义。当前随着我国城镇化进程和大中型城市快速发展的过程，多数城市已面临着夏季电力资源紧缺、燃气资源供应充沛的局面，而采用技术成熟、先进的直燃机组作为空调冷源无疑是缓解这一局面的合理选择，同时，直燃机组设备本身具备的优良经济性、环保性和节能性(节约一次能源)，今后也必将会受到时代与行业的追寻与青睐。