天然氣發動機已經應用於汽車工業，本文將介紹天然氣發動機技術在製冷領域的應用。開拓天然氣應用領域，除了環境保護和節能價值，對改善我國的能源結構也有著重要的意義。
在製冷設備中，冷水機組是工業民用建築和各種娛樂場所等公共建築集中空調系統的主要設備，用來提供空調和生產工藝所需的冷水。冷水機組主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流機構、控制器件、儀器儀錶等組成，它們被組裝在一個整體鋼架上，外部只需接上冷水管、冷卻水管路系統和壓縮機驅動裝置即可使用［1］。冷水系統與末端設備(風機盤管、組合式空調器、吊頂式空調機組、櫃式空調器等)、冬季增設熱源和換熱設備，綜合在一起組成集中空調系統。
普通的冷水機組以電力為能源，而隨著我國經濟建設的快速發展，電力供應日趨緊張，冷水機組作為大量耗電的空調設備在為人們創造舒適環境的同時也加劇了這一矛盾。解決電力的供需矛 盾已成為十分緊迫的課題，例如重慶在2010年前將投資600億元用於建設發電，以滿足用電的需求。但在目前情況下通過增加發電量來解決電力不足的局面還存在著一定的負面影響，眾所周知，我國80％的電力是靠煤炭發電取得的，而煤炭燃燒所排放出的SO2正是形成酸雨的罪魁禍首，是造成中國生態環境破壞的最大污染源［2］。據統計，中國的能源消費佔世界的8％～9％，但SO2的排放佔到世界的15．1％，煤炭燃燒所排放的SO2又佔全國排放量的90％［3］。面對嚴峻的環保形勢，通過建設火力發電站來滿足日益增長的用電 需求並不是完善之舉。
1 應用的可行性
一年中的用電最高峰總是出現在夏季，這與夏季大量的製冷需求密切相關，而此時天然氣的需求又是一年中最低的(如圖1)［4］，用天然氣實現製冷正好實現了兩者的互補。
我國西部蘊藏著22．4萬億m3的天然氣資源，約佔全國陸上天然氣資源總量的60％。我國東部地區發展速度快、能源供應緊缺，對優質清潔的天然氣需求量大，但過去由於地域的限制沒有形成規模的輸送管網，大大限制了天然氣應用技術的使用和推廣。現在國家「十五計劃」中的「西氣東輸」工程正在建設，到2004年將形成西起新疆塔里木的輪南，東至上海西郊，途經甘肅、寧夏、陝西、山西、河南、安徽、江蘇等省區，全長4212 km的天然氣輸送管路。同時國家也正在考慮從俄羅斯貝加爾湖北部、亞庫特、伊爾庫茨克等地引進天然氣，從北往南送到北京，從而在「十五」期間初步形成全國性的天然氣輸送管網。這些都將為全國範圍內推廣使用天然氣提供必要的條件。
在國家加快能源結構改造的大背景下，用戶用天然氣發動機來替代冷水機組中的電動機，不但能享受國家對使用清潔能源的鼓勵政策，同時也可避免因電力短缺而帶來設備運行上的困擾。天然氣發動機和冷水機組是兩項已經非常成熟的技術，將兩個系統加以整合在技術上沒有什麼困難，國外這樣的應用已有先例。美國在制衣、電鍍、食品加工、熱處理、塑料加工等行業早已出現了使用天然氣發動機驅動的冷水機組。
2 系統簡介
系統主要分為發動機系統、壓縮製冷系統和控制系統。發動機系統主要包括天然氣進氣和汽化系統、發動機以及發動機冷卻和排氣熱回收系統；壓縮製冷系統包括：壓縮機(活塞式、螺桿式和離心式)、膨脹閥、蒸發器和冷凝器；控制系統根據負荷變化控制發動機的轉速和進氣量，以及發動機的冷卻水量。發動機與壓縮機的聯接可以是電磁離合器或變速箱(見圖2)。
在對冷水機組進行發動機選型時有兩種類型的發動機可供選擇：工業用發動機和車用型發動機。工業用發動機被設計用於長時間運行的領域中，他們的最高轉速可達1800 r/min，兩次大修之間的運行時間超過20000 h。工業發動機經過特殊設計，所有磨損的零件都可以方便地被更換。由於通過大修可以延長發動機的使用壽命，所以發動機壽命遠超過設計壽命，只是工業用發動機要比車用型發動機貴得多。車用發動機被設計運行在高轉速下(超過3000 r/min)，經過適當改裝後作為冷水機組的動力源。車用級發動機相對工業用發動機而言比較便宜，因而可以減少項目的資金投入。這類發動機相對較小較輕，其部件的成本低並容易獲得。但是這類發動機的使用壽命明顯較短，在達到使用壽命後車用級發動機通常是整個換掉，而不象工業用發動機那樣大修一下就行了。因此在考慮成本時，除了安裝之初設備費用的差別外還需計入今後運行過程中定期更換髮動機或零部件的費用，同時也要考慮到更換車用級發動機與大修工業級發動機的停工期的差別(分別用2天和2周)。
天然氣發動機系統的噪音比用電機組要高，民用場合使用時需要採取一定的隔音措施。發動機在運行的時候要消耗大量氧氣，因此必須注意保持整個系統通風良好。國家對發動機的排放也有一定的要求，因此採用天然氣發動機的冷水機組必須要符合相關的排放法規。實際上，天然氣發動機完全能夠滿足現行最嚴格的發動機排放法規。
3 系統優點
從性能上講，用天然氣發動機取代電動機可以改善冷水機組在部分負荷下的特性。由於電動機的調速機構較昂貴，一般電動機驅動冷水機組時都固定轉速，只利用壓縮機上的簡單機構進行能量調節，這樣的方法使得能量調節的範圍比較小，而且壓縮機的運行效率也較低。在改用天然氣發動機后就可以很方便地調節轉速來控制不同的能量輸出，大大改善了機組在部分負荷下的性能。據計算，天然氣發動機驅動冷水機在全負荷運行時(不帶熱回收)COP值為1．4左右，帶熱回收的系統COP值接近1．9。
使用天然氣發動機所帶來的顯著經濟效益是其極具應用前景的主要原因。相對於電動機，使用天然氣發動機作為動力源其主要優點如下。
3．1 產生壓縮空氣的成本較低
根據目前電力價格與天然氣的價格，使用天然氣是更經濟的選擇。舉個例子：1台80 kW壓縮機以兩班制運行，假設平均負荷71％，電動機效率95％，則每年要消耗35．3萬kWh的電能。若每千瓦時以0．6元計，則每年的電費將達21萬元之多，遠遠超過了壓縮機的價格。以上的成本計算還未計入工業用電每月的基本電費，按每月15元/kW計，則一年又要增加14563元。假設用天然氣發動機，效率27％，工業用天然氣價格為1．5元/m3，熱值為46MJ/m3，則使用天然氣全年燃氣費用為145854元。相比用電每年可節約8萬元左右，經濟效益可觀。
3．2 製冷制熱提供蒸汽和熱水的成本比較低
天然氣發動機運行過程中約70％的天然氣能量是以顯熱的形式從冷卻水和排氣中排出的，通過在發動機的冷卻水循環系統和排氣管上加裝簡單的熱交換裝置可以回收約75％的熱量。回收的這部分熱量所產生的熱水可供生活和生產用，對於需要壓縮空氣同時又需要熱水的場合是非常適合的。
3．3 在使用周期內成本較低
雖然天然氣發動機的設備成本和維護費用要比電動機高，但考慮到這樣的系統一般使用壽命長達20 a，在這期間所節約下的能源費用將遠遠高於設備上的投入。
3．4 應急後備動力設備成本低
天然氣發動機靠蓄電池啟動，不需要電網供電，當發生供氣中斷的意外情況時，只需簡單地換上化油器就可使發動機燃用汽油繼續工作；而使用電動機的系統為防備供電故障，必須有一套備用的發電機，這套備用設備價格昂貴，並且在絕大部分時間內是閑置不用的。
4 結束語
在發達國家中，一座建築所需能量的80％用於空調和熱水供應，而這正是天然氣發動機冷水機組可以發揮的優勢。在我國該項技術尚是空白，某些關鍵部分如發動機與冷水機組控制系統的整合也有待進行專門研究，將整個系統商業化、產品化還有很多工作要做。
［1］陶慰祖，張 歐，陶海澄．冷水機組［M］．北京：科學出版社，2001．
［2］馬重芳．中國能源消費的環境效應評述［EB/OL］．http：//www．cas．ac．cn．
［3］楊志榮．電力需求側管理［J］．能源、電力要與經濟環境協調發展．2001，8：7．
［4］徐吉浣，范存養，范際禮．外灘CBD供能方案的建議［J］．上海建設科技，1995，(5)：43－44．
