燃?xì)馔鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)空燃比控制研究分析

王桂鈞 陳康成

（中海石油（中國）有限公司海南分公司， 海南 ?？?570100）

1 背景情況

某海上天然氣生產(chǎn)平臺主電站配置有1臺美國通用（GE）公司生產(chǎn)的瓦克夏（WAUKESHA）16V275GL+見圖1.1）燃?xì)馔鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)組。該機(jī)組為16缸、4沖程、預(yù)燃室式、稀燃式、V 配置發(fā)動機(jī)。汽缸總排氣量為285 L (17,398 cu. in.) ，發(fā)動機(jī)采用天然氣操作，設(shè)計特點(diǎn)是油耗低，廢氣排放量少。

圖1.1：往復(fù)式發(fā)動機(jī)

2 空燃比控制原理

Waukesha 16V 275GL +燃?xì)馔鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)使用的是氮氧化物空燃比控制系統(tǒng)（見圖2.1），用于控制發(fā)動機(jī)的空燃比（空氣與燃料氣的比例）。燃?xì)馀c空氣在文丘里式混合室混合，形成一定空燃比的混合氣，然后經(jīng)控制閥進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒。

氮氧化物空燃比控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控氮氧化物傳感器中實(shí)際氮氧化物和氧氣的排放，并接受ECU 中關(guān)鍵的發(fā)動機(jī)信息，氮氧化物控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。 氮氧化物控制系統(tǒng)將氮氧化物和氧氣數(shù)值，以及ECU 的其他輸入信息，轉(zhuǎn)換成計算的氮氧化物 g/hp-hr or (g/Nm3)數(shù)值。 該控制系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)排氣計算值（單位克）與至ECU 的用戶可調(diào)氮氧化物輸入值進(jìn)行對比。如傳感器的測量值（單位克）與所需氮氧化物級別（單位克）不同，控制系統(tǒng)檢測步進(jìn)器，以調(diào)節(jié)燃油壓力調(diào)節(jié)器先導(dǎo)裝置總成的燃?xì)?空氣壓力,保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2.1：氮氧化物空燃比控制系統(tǒng)

3 空燃比調(diào)節(jié)校準(zhǔn)

由于大功率燃?xì)馔鶑?fù)式發(fā)動機(jī)高平均有效壓力運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的空燃比范圍較窄( 圖3.1) ，容易發(fā)生爆震和失火[1]。因此，如何將氣體發(fā)動機(jī)空燃比控制在合理范圍，對于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和降低排放至關(guān)重要。氮氧化物空燃比控制系統(tǒng)會自動對空燃比進(jìn)行調(diào)節(jié)，但為保證空燃比自動調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，需根據(jù)燃料對空燃比相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，保證空燃比自動調(diào)節(jié)準(zhǔn)確。其中需要調(diào)節(jié)校準(zhǔn)的包括燃料WKI值（爆震指數(shù)）和MAS閥（燃料主調(diào)節(jié)閥）、氮氧化物傳感器。

圖3.1 發(fā)動機(jī)空燃比運(yùn)行范圍示意圖

3.1 WKI值設(shè)置

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)要高效平穩(wěn)運(yùn)行，爆震的控制是一個至關(guān)重要的問題，可以通過測定燃料氣的辛烷值、甲烷數(shù)或WKI 值等方法來衡量燃料氣的抗爆震能力[2]。WKI值（爆震指數(shù)）是根據(jù)天然氣組分，通過專用軟件計算出的數(shù)值，用于調(diào)節(jié)合適的空燃比和點(diǎn)火提前角，避免機(jī)組爆震的發(fā)生。

Waukesha 16V 275GL +燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)要求燃料氣熱值范圍為37.33-41.30MJ/Nm3，根據(jù)燃料氣組分（見圖3.2），使用瓦克夏專用計算軟件（見圖3.3），計算出WKI值為76.84，在發(fā)動機(jī)控制字系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置。燃?xì)庵兄責(zé)N（C3以上）組分越大，WKI值越小。如果重?zé)N組分過多，可能會形成液滴，在發(fā)動機(jī)中引起爆燃，造成部件的損壞。所以燃?xì)庵袘?yīng)盡量減少重?zé)N的組分。

圖3.2 燃料氣組分

圖3.3 WKI計算專用軟件

3.2 MAS閥（燃料主調(diào)閥）校準(zhǔn)

在燃油調(diào)節(jié)器和發(fā)動機(jī)V 型部位之間有一個3 英寸的主調(diào)校螺絲（MAS）（見圖3.4）。 MAS閥用于調(diào)節(jié)額定速度和荷載的空燃比。

圖3.4 MAS閥

發(fā)動機(jī)啟動前需對MAS閥進(jìn)行調(diào)節(jié)校準(zhǔn)。MAS 閥調(diào)節(jié)校準(zhǔn)方法如下：首先計算燃?xì)鉄嶂担鶕?jù)圖3.5和圖3.6，確定橫坐標(biāo)燃?xì)鉄嶂祵?yīng)的MAS閥開度圈數(shù)。將鎖緊螺母逆時針擰松，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)（順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)整為降低進(jìn)氣壓力，減少進(jìn)氣量，逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)整為提高進(jìn)氣壓力，增加進(jìn)氣量），調(diào)整時要緩慢調(diào)整，每調(diào)整一圈后停下來觀察各項(xiàng)參數(shù)變化情況（可以通過參數(shù)判斷該閥是開大還是開?。喝绻诇?、排氣溫度降低，含氧量增加，說明燃?xì)饬髁吭跍p少）。一直調(diào)整到對應(yīng)的開度圈數(shù)。調(diào)整完成后，將鎖緊螺母鎖緊，檢查各項(xiàng)參數(shù)是否正常。

圖3.5 MAS閥校準(zhǔn)曲線

圖3.6 MAS閥校準(zhǔn)曲線

3.3 氮氧化物傳感器維護(hù)校準(zhǔn)

氮氧化物傳感器安裝在發(fā)動機(jī)排氣管出口，對尾氣中氮氧化物和氧氣濃度進(jìn)行檢測并反饋至氮氧化物控制模塊。氮氧化物傳感器包括有2 個室、3 個泵( 主泵、輔助泵、測量泵) ，部分尾氣導(dǎo)入NOx傳感器第一室，通過主泵將這部分尾氣中的O2泵出，，進(jìn)一步去除尾氣中的O2，同時在催化作用下，將NOx轉(zhuǎn)化為N2和O2， 測量第二室中NOx還原反應(yīng)后生成的O2含量，根據(jù)此計算出排氣中NOx的含量[3]。排放的尾氣中含機(jī)油添加劑、燃油污染物、密封膠釋放的化合物，會縮短傳感器壽命和檢測精度，需要定期對傳感器進(jìn)行清潔并校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后通過軟件對發(fā)動機(jī)氮氧化物控制最大排放量進(jìn)行設(shè)置（見圖3.7）, 可編程的氮氧化物 范圍通常是1.4-1.8 g/Nm3(0.35-0.45 g/BHPhr)。

圖3.7 ESP軟件點(diǎn)火面板畫面

4 結(jié)束語

本文通過對燃?xì)馔鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)空燃比控制研究，找到關(guān)鍵調(diào)節(jié)控制方法，將燃?xì)馔鶑?fù)式內(nèi)燃機(jī)空燃比控制在合理范圍，保證機(jī)組高性能運(yùn)行。

1）燃料氣熱值要在要求范圍，減少燃?xì)庵械闹責(zé)N組分；

2）根據(jù)燃?xì)饨M分設(shè)置準(zhǔn)確的WKI值；

3）MAS閥（燃料主調(diào)閥）要進(jìn)行校準(zhǔn)，開度大小在合理范圍；

4）氮氧化物傳感器要定期進(jìn)行清潔校驗(yàn)，保證測量的準(zhǔn)確。