蘭武 鄧海軍 王紅劍 雷愛國 肖貽鵬 陳磊 胡鐘林

摘要：對生物質氣體組成及燃燒特性和大功率生物質氣體發(fā)電機組的開發(fā)設計進行了介紹，并對生物質氣體發(fā)電機組驗證過程進行了說明，驗證結果達到開發(fā)要求。

關鍵詞：生物質氣發(fā)電機組;低熱值可燃氣體;燃氣機組控制技術

0?前言

生物質能作為1種可再生能源且分布廣泛，還具有低污染、來源豐富等特性。發(fā)展生物質發(fā)電產業(yè)對環(huán)境保護、廢棄物的資源化利用、大氣污染治理都有重要意義，具有明顯的社會效益和經濟效益[1]。

針對我國生物質氣體發(fā)電內燃機功率小、發(fā)電效率低的現狀，聯(lián)合生物質氣化裝置制造廠家，研究人員基于12 V燃氣發(fā)動機研發(fā)設計了1款發(fā)電功率為800 kW、效率高于35.1%的生物質氣體發(fā)電機組。

1?生物質氣體組成與燃燒特性

1.1?生物質氣體組成

生物質氣體是是以果殼、木料、秸稈、竹片等為原料，經氣化爐熱解、裂解等步驟，產出以CO、H2和低分子烴類等的可燃低熱值氣體，其氣體組分見表1。

1.2?生物質氣體的燃燒特性

在生物質氣體組分中，H2、CH4、CO、C2H6為可燃成分，CO2、N2等為阻燃成分。CH4具有良好的抗爆性，且火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?，燃燒速度慢。CO為最主要的可燃成分，但燃點較高。H2對比其他可燃成分，具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，易擴散的特點，并且火焰的傳播速度隨氧的濃度增加而提高[2]。這種生物質氣中含有492%的N2和10%的CO2都會阻礙燃燒的正常進行，對火焰的燃燒速度起到負面影響，導致內燃機后燃嚴重，排氣溫度較高[3]。

1.2.1?混合氣熱值

在發(fā)動機內充分燃燒時的氣體為空氣與生物質氣體的混合氣，計算生物質氣體混合氣的最小低熱值作為理論對比參數，計算公式為生物質氣體低熱值除以生物質氣體剛好完全燃燒時的混合氣體積，單位為MJ/Nm3。計算得出，生物質氣體混合氣最小低熱值為2.73 MJ/Nm3。

1.2.2?甲烷值

甲烷值（MN）是衡量氣體燃料抗爆燃的指標[4]。通過計算燃氣的甲烷值，可以在保證發(fā)動機運行可靠的基礎上，通過提高發(fā)動機的壓縮比，實現發(fā)電機組發(fā)電效率的提高。按照BS EN 16726：2015[5]標準計算，得出生物質氣體的甲烷值為77.9。

1.2.3?沃泊指數[4]

沃泊指數代表燃氣燃燒時的熱負荷。沃泊指數越相近的燃氣可替換程度越高，沃泊指數增大，混合氣燃燒速度增大，燃氣抗爆性降低。沃泊指數減小，燃燒速度減慢，直至發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，點火異常[4]。其計算公式為燃氣的低熱值與燃氣相對密度的開方的比值，空氣的相對密度為1，單位為MJ/m3。通過計算得出生物質氣體剛好完全燃燒的混合氣的沃泊指數為 2.80 MJ/m3。

2?生物質氣體發(fā)動機設計開發(fā)

生物質氣體發(fā)動機是基于現有天然氣發(fā)動機基礎上開發(fā)而成，通過生物質氣體剛好完全燃燒時的燃氣特性與天然氣實際混合氣的燃燒特性進行對比分析，可以對生物質氣體發(fā)動機研發(fā)趨勢進行預測。通過計算得出，實際天然氣混合氣低熱值為2.19 MJ/Nm3，甲烷值為100，沃泊指數為2.22 MJ/Nm3。

2.1?設計任務與方案

本文生物質氣體機組設計任務要求基于公司LY12V170燃氣發(fā)動機，機組參數與技術指標見表2。

根據設計任務指標，結合生物質氣體組成與燃燒特性制定發(fā)動機研發(fā)設計方案：

（1） 壓縮比的設計與試驗;

（2） 配氣相位與凸輪軸設計;

（3） 混合器設計及空燃比控制;

（4） 點火系統(tǒng)方案設計;

（5） 安全防護與防爆裝置的設計。

2.2?壓縮比匹配

甲烷值可以體現可燃氣體的抗爆性。甲烷值越大，表明可燃氣的抗爆性越好。生物質氣體的甲烷值為77.9，低于天然氣的甲烷值100.0。以生物質氣體為燃料的發(fā)動機需要通過試驗對比確定最佳壓縮比。

2.3?配氣相位與凸輪軸設計

為了有利于生物質氣發(fā)動機的運行，避免在掃氣期間的燃料損失，減小進氣管回火的危險，以及降低渦前排溫，重新設定配氣相位，減小氣門重疊角，使生物質氣發(fā)動機的配氣相位和升程曲線能進一步滿足動力性、經濟性和排放的要求。

2.4?混合器設計及空燃比控制

在開發(fā)和應用燃氣發(fā)動機的過程中，燃氣混合技術是關鍵，燃氣混合的好壞直接影響到發(fā)動機各缸做功的均勻性和穩(wěn)定性。其中混合器是燃氣混合技術的關鍵部件，直接影響到燃氣混合質量的好壞。為此，研究人員專門為生物質氣體發(fā)動機設計了3款混合器，分別為文丘里混合器、直管混合器和扇形混合器，用于檢驗燃氣在低壓低熱值的情況下發(fā)動機的運行情況，并選出最佳混合器。

空燃比是影響發(fā)動機缸內燃燒狀態(tài)的重要參數之一。發(fā)動機的空燃比控制是通過控制燃氣管道燃氣調節(jié)閥和空氣管上的空氣調節(jié)閥的開關大小來實現的。調節(jié)閥的開度大小是根據電控單元給出的各自介質流量大小、介質溫度、調節(jié)閥前后壓力、閥門和閥片本身結構計算得出的。

2.5?點火系統(tǒng)方案設計

每個氣缸都配備有高動態(tài)防爆燃控制系統(tǒng)，以便在甲烷值較低時仍能確保發(fā)動機運行安全。在遵守排放極限值的情況下，使發(fā)動機獲得最高性能和最佳效率。

點火提前角[5]自動調整技術可保證發(fā)動機一直運行在爆燃點附近，通過接收每缸的爆燃信號，實時調整相應氣缸的點火提前角[6]。

2.6?安全防護與防爆裝置設計

研究人員在中冷器側進氣室內安裝了阻火器，并在進氣管和曲軸箱內都安裝了防爆裝置，防止燃氣混合氣被點燃后能及時泄壓并熄滅火源傳播途徑，用于保護發(fā)動機。

為監(jiān)測發(fā)動機及發(fā)電機的參數，研究人員通過參數結合運行狀態(tài)，及時調整發(fā)動機的運行狀態(tài)，確保發(fā)動機穩(wěn)定運行。如監(jiān)測渦前渦后排溫和每缸缸內溫度。當參數超出設定范圍時，傳感器會發(fā)出報警信號。發(fā)動機控制系統(tǒng)在收到信號后，通過控制燃氣空氣混合氣的流量，來控制功率和轉速，以達到糾正相應參數的目的，保護發(fā)動機的正常運行。

3?機組發(fā)電試驗研究

3.1?機組試驗裝置

生物質氣體發(fā)動機采用集裝箱撬裝形式的發(fā)電機組，生物質氣源由氣化裝置制造廠家提供，機組功率消耗使用負載柜。

為保證氣源品質，研究人員在機組與氣化裝置之間增加了脫水、除塵、緩沖、穩(wěn)壓等設備，同時增加了燃氣流量計，用于計算機組發(fā)電效率，并配備了燃氣成分檢測儀，用于檢測燃氣成分是否穩(wěn)定。

3.2?試驗運行結果

由于受到現場條件和時間的限制，驗證過程只對機組運行穩(wěn)定性和發(fā)電效率等有關參數進行了記錄。

混合器對比試驗結果如下：直管混合器機組運行穩(wěn)定性最差，其次為文丘里混合器，扇形混合器的效果最好。機組選擇扇形混合器，燃氣空氣混合最均勻，機組運行穩(wěn)定性最好;配氣相位設計合理，運行過程中無爆燃和回火現象，點火提前角相對于天然氣機組提前了4～6 °CA。壓縮比驗證對比是在扇形混合器的基礎上進行的，選擇的2種壓縮比活塞的機組都能穩(wěn)定運行至額定功率800 kW，并具有較高的壓縮比。

研究人員通過控制發(fā)動機缸內燃燒的溫度，保證發(fā)動機燃燒室的熱負荷在可控的范圍內，這樣既能增加發(fā)動機的可靠性、穩(wěn)定性，還能降低發(fā)動機的排放參數。試驗顯示，2種壓縮比方案下的發(fā)動機平均缸溫相差不大，都是隨功率增加而增加，見圖1。研究目的是通過缸內燃燒實時情況調整點火提前角，保證發(fā)動機缸內溫度的穩(wěn)定性。

排氣溫度能夠體現燃氣在燃燒室內的燃燒效率。在一定功率段，缸內燃燒溫度相同，排氣溫度越低，缸內燃燒越完全，發(fā)動機做功效率越高。對于增壓器發(fā)動機來說，排氣溫度包括渦前溫度和渦后溫度，壓縮比驗證對比見圖2和圖3。試驗顯示，除了功率段0～100 kW，壓縮比方案一的排氣溫度低于方案二，其余功率段都是方案二的排氣溫度更低。兩者的渦前溫度隨功率增加而增大，渦后排溫則是先增大后減小。

機組燃氣消耗量是隨著機組功率增加而增加的。查看燃氣是否有效利用，最直觀的就是發(fā)電效率。試驗顯示，發(fā)動機發(fā)電效率基本是隨功率增加而增大的，在0～500 kW功率段，2種壓縮比機組燃氣消耗量和機組發(fā)電效率相差不多。在600～800 kW功率段，壓縮比方案二比壓縮比方案一的效率高，范圍隨功率增大逐漸增加，增加到一定值后，兩者效率穩(wěn)定在1%左右，見圖4。

4?結論

本試驗研究的12 V大功率生物質氣發(fā)電機組可以使用以CO和H2為主要的可燃成分的低熱值生物質氣。壓縮比、配氣相位、扇形混合器、空燃比，點火系統(tǒng)、安全防護等驗證都達到了預期效果。機組各個參數正常且能穩(wěn)定運行，功率可以穩(wěn)定到800 kW，額定功率時的效率超過35.1%。

此大功率生物質氣體機組的研發(fā)成果填補了我國國產內燃機大功率800 kW段的空白，且機組運行效率達到國際領先水平，并為開發(fā)更大的功率段的生物質氣體發(fā)動機奠定了基礎。

參考文獻

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[3]章愷，劉振峰，翁一武.生物質氣對內燃機發(fā)電機組特性影響的實驗研究[J].可再生能源，2019，37（4）：475.481.

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[5]郭華，計維斌， 査麗平，等.火花點燃式生物質氣發(fā)動機的試驗研究[J].國外內燃機，2017，（3）：60.62.