试析一种内—蒸双循环动力机技术

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众所周知，石油、天然气等液、汽态化石燃料主要通过内燃机消耗（汽车、船舶、发电机组等），内燃机烟气排放更是目前大气污染的祸首之一。据相关资料显示，目前世界上最先进的内燃机效率汽油机约为27%、柴油机为35%。如何有效提高内燃机热功效率一直是世界性的研究课题，更是广大动力科研工作者梦寐以求的目标。

机械工程师沈岩华和他的研发团队经过多年潜心研究和攻关，克服多项技术难点，成功发明了内-蒸双循环动力机（空气能混用动力机），并获得了国家实用新型技术专利，专利号CN201220347826.1。该技术成功将内燃机热功效率提高至50%以上。

目前内-蒸双循环动力机已经在四缸汽油机和六缸柴油机改造上取得了成功。依据此专利改造的六缸柴油机样车已试运行一千多公里，顺利通过国家汽车质量监督检验中心（襄阳）动力性能检测。2014年1月17日经中国高新技术产业开发区协会组织业内专家研讨，专家们一致认为：该项技术有理论基础、有创意、有意义、值得推广，并明确首先在电力和机车、船舶等行业进行推广应用。

一、技术概述

（一）机械原理

内-蒸双循环动力机分别使用了内燃机四冲程原理和蒸汽机二冲程原理。将原有内燃机进行内部技术改造（专利），改造后的动力机机体一部分缸筒仍使用原燃料（内燃机原理，其能量来源为化石燃料化学能），另一半缸筒改用非助燃压力气体，非助燃压力气体纯物理做功（蒸汽机原理，其能量来源为内燃机余热）。

非助燃压力气体（液氮、压力空气等）主要作用是做为内燃机余热转换的介质，而非能量储备介质使用。这也是内-蒸双循环动力机技术和其他压力空气动力技术（压力空气）的最本质区别。

（二）理论基础

热力学原理。内-蒸双循环动力机之所以能提高内燃机热功效率的根本原因在于将原内燃机尾气余热利用压力气体通过能量交换器成功转化成机械能。

（三）技术要点

内-蒸双循环动力机的核心技术要点是将原内燃机50%左右的剩余无效热能通过非助燃压力气体的介入将热功率成功转换成机械能，实际上是提高了内燃机的热功率，所以达到了节能的目的，当然也就实现了减排。

（四）主要特点

内-蒸双循环动力机技术主要特点：一是在原发动机基础上进行改装，改装成本非常低廉，改装范围包括汽油机、柴油机、燃气机等任何使用燃料的多缸内燃机；二是内-蒸双循环动力机改造部分理想条件是使用价格十分低廉的液体氮，非理想条件下使用压力空气。根据不同的内燃机及缸体数以及使用方式有多种改装方案，节约成本效果十分明显。

（五）使用方法

内-蒸双循环动力机技术根据不同的外部环境可以采用多种使用方式和方法，其节能效率也因此不同：

1.理想状态：有液氮

在具有液氮生产、运输、储存的条件下，其节约燃料为50%，节约运行成本在40%左右。可以在风力发电、天然气发电以及机车、舰船、钢铁生产等领域进行使用。

2.非理想态：无液氮

在不具有液氮生产、运输、储存的条件下，根据现场有无市电可分别采用双机联动和油电混用等多种模式，采用此种联合方式可节约燃料40%左右，节约生产成本在30%左右。其中在汽车、舰船等移动式内燃机领域可考虑油电混用，在发电和航运领域可采用双机联动。

（六）应用领域

内-蒸双循环动力机技术可广泛应用于一切使用燃料的多缸内燃机上，在交通、运输、农业、电力以及军事领域均有可应用，具有广阔在市场价值和发展空间。

（七）应用示例

现以一柴油发电机电站为例，其改造后的工艺流程模型如下两种模式：

技术查新：自18世纪中叶瓦特发明了改良蒸汽机后的一百多年中，燃料使用效率一直停留在10%以内的水平。一百多年前，内燃机的发明将动力机热功效率由个位数提高到了30%左右。在这一百多年中，无数科研人员采用了尽可能多的技术和办法想提高内燃机的热功效率，但收效不大。内-蒸双循环动力机成功将原内燃机浪费的热能转化成机械能，从而大大提高了内燃机的热功效率，目前我们改造的动力机热功效率已达到50%～60%。

二、应用前景分析

（一）在柴油发电机组改造应用上的分析

1.行业基本状况

据相关资料显示，目前国内在用的柴油发电机组在300万台（套）以上，占有密度及使用频率较高的行业主要集中在油、汽田及矿区、国防和基础建设等行业，比较集中的地区为国内经济较为发达、能源消耗比较集中的长三角、珠三角以及基础建设比较活跃的四川等地。国内目前柴油发电机组最大生产能力为5000kW，国内现有柴油发电机组生产厂家约160余家。近两年柴油发电机组销售市场较为疲软，很多柴油发电机组生产企业已经由原来单一的销售业务转为销售、投资、租赁甚至先租后购等多业务并举。国内柴油发电机组业务主要集中在销售和租赁两大版块。柴油发电机组销售业务为全球销售，租赁半径达数百公里。

目前柴油发电机组单位千瓦时（度）油耗约为210克至230克之间，按目前市价7.4元每升0号柴油价格计算（0号柴油比重0.84～0.86kg/L），柴油发电机组单位千瓦时油耗在1.83～2.0元。

2.技术性分析

现以一油田钻井平台两台柴油机组（2×1200kW）电站进行分析：

基本技术措施：将原一台柴油机组用内-蒸双循环动力技术进行改造，增设一台120kW空气压缩机，配置一台热量交换器，完成相关组件配套工作，即形成双机联动的发电基本设置。

3.经济性分析：

投入经费：120kW空气压缩机 60，000元

热量交换器 10，000元

柴油机改造 10，000元

其他费用 10，000元

合计：90，000元。

以该电站机组工作时间4000小时计算，年余热发电产生的经济效应为：

4000h×1200kW×2台×1.8元/kWh×30%=5，184，000元

由此可见经济效益十分明显。

（二）在天然气发电领域的应用分析

由于内-蒸双循环动力机启动时间非常短（约两分钟），技术上适合目前我国做为调峰用电的基本要求，尤其是做为峰尖调峰更是具有特殊的效果。

根据试验数据及分析结果显示，利用现天然气发电机组（内燃机）进行改造后，每m3天然气发电量约在6kW·h～8 kW·h之间。

现以20MW（2万千瓦）天然气发电站建设和运行进行经济效益分析：

1.建设成本：设备购置成本

燃气—蒸汽轮机联合发电设备成本按3200元/kW计算，所需投入经费：20×1000×3200=64，000，000元。

空气能混用动力天然气发电机设备成本按2000元/kW计算，投入经费：20×1000×2000=40，000，000元。

二者差额是2400万元。

2.年运行材料成本：

天然气燃气—蒸汽轮机联合发电按3500h/年运行时间、每方天然气按发电4.8度、天然气按北京地区工业用气3.23元/m3进行计算，年发电7000万度，所需开支天然气材料费为：

20×1000×3500/4.8×3.23=4710万元。

内-蒸双循环动力天然气发电机按3500h/年运行时间、每方天然气按发电6度、天然气按北京地区工业用气3.23元/m3进行计算，年发电量7000万度，所需开支天然气材料费为：

70，000，000/6×3.23=3770万元

后者比前者节约燃气材料成本约为940万元，即便除去燃气-蒸汽联合发电产生的供热效应，内-蒸双循环动力发电其经济效性仍比较明显。

3.内-蒸双循环动力机在天然气发电中的应用优势

（1）设备投资成本低

大约为燃气-蒸汽联合发电的60%左右。

如以废旧小功率汽油发动机（100马力左右）改造利用，其设备投资约为300元/kW，约为联合发电投资的10%左右，其结果是极其令人震撼的。

（2）建设周期短

燃气--蒸汽联合发电建设周期大约为9个月以上，内-蒸双循环动力机（空气能混用动力机）发电建设周期大约为3个月。

（3）运行及管理维修成本低

由于空气能混用动力发电机采用千瓦级天然气发电机进行改 造，设备采购和维修均可行国产化。管理维修成本相对进口联合发电机组维修成本大幅降低。

（4）经济效益好

天然气发电成本可在原基础上减少20%左右，相应利润提高是燃气--蒸汽联合发电的10倍以上。

（三）在风力发电建设中的应用分析

风电转化成液氮，便于贮藏，然后根据电网需求和天然气发电机组结合应用，便于调峰。

现以一装机容量为50MW风电场为例进行经济性分析，原工程总投资按7000元每kW计算总投资约35，000万元，该风电场年运行时间设计为2000小时，上网电价以0.60元/kW·h，年设计上网电费收入为50×1000×2000×0.6=6000万元，现因多种原因无法上网，上网率为20%，年因弃风造成的直接经济损失达4800万元。如用内-蒸双循环动力机技术运用液态空气作储能介质，将液氧销售给附近的钢铁公司（价格约2000元每立方米），将夜间不能上网的风电储存，在白天能上网的时段和天然气发电结合作为调网用电上网。其经济性分析如下：

需要投资增建一日产4000m3液氮的空分厂，其贮藏能力为4000m3。另建一装机容量70MW的天然气发电厂（天然气发电机组）。

（1）投入资金为：

液氮制造设备（空分厂）：59，500万元

天然气发电机组：70，000×2000=14000万元

其他管网等投入：500万元

合计投入经费74，000万元。

其单位千瓦投资为14，800元，比目前电池储能35，000～50，000元/kW的造价比有较大的价格优势。

（2）效益对比：

风-燃联合发电厂即可实现调峰供电，其上网电价可通过和电网公司商谈，在目前国家竟价上网和清洁能源优惠政策的基础上有望达到0.82元甚至更高的上网电价，其投资收益从以下方面获得：

天然气、液氮联合发电收益：50，000×2000×0.8×2×0.82=13，120万元

液氧收益：50，000×2000×

0.8/250/4×2000=16，000万元

开支天然气费用：50，000×2000

×0.8×2×3.23/6=8613万元

合计年收入为13，120+16，000-8613=20，507万元

成本收回期为74，000/20，507=3.6年。

由此可见利用内-蒸双循环动力机技术将在消风纳电领域创造十分明显的经济效益。

（四）在钢铁产业中的节能应用分析

利用液氮的高效贮能特点，结合天然气发电机组联合发电，用于电网调峰用电，其经济效益将十分明显。如以一小型钢铁公司氧气厂分例，只需投入天然气发电机组100MW设备购置，经费大约为100×1000×2000=20，000万元，投资约2亿元。

利用液氮和天然气联合发电，上网电价按国家电网收购价0.82元每度、天然气价格每立方米3.23元、年发电时间5000小时计算，每度电利润约为0.2元，年收益为100×1000×5000×0.2=1亿元。可见利用内-蒸双循环动力机技术在钢铁行业节能减排中将发挥巨大的作用。

由于内-蒸双循环动力机技术是一项内燃机方面的技术，其应用领域、方式等均不能穷尽，仅以代表性的几个方面举例说明。内-蒸双循环动力机技术不仅在交通、运输、军事等领域发挥有效的节能减排作用，亦能在风、光电、钢铁等能源领域一展风采。

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