90 kW水空中冷式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試分析

范峻銘，蔣 鵬，喬 亮，楊 光，孟 偉，李璐伶

（1.深圳市燃?xì)廨斉浼案咝Ю霉こ碳夹g(shù)研究中心，廣東 深圳 518049；2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518049）

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)是使混合后的燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)入氣缸點(diǎn)火燃燒做功，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)發(fā)電的裝置，其發(fā)電效率高（30%～40%）、設(shè)備集成度高、安裝快捷、每千瓦造價(jià)低且調(diào)節(jié)能力強(qiáng)［1-2］，通常用于燃?xì)夥植际嚼錈犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)或作為備用電源［3-4］。

一般匹配大型燃?xì)饫錈犭娙?lián)產(chǎn)系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電功率均在兆瓦級(jí)以上，且一般采用空空中冷的散熱形式［5-7］。然而大型燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)初次投資大，使用場(chǎng)景受限，因此開(kāi)發(fā)使用靈活、小型的燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的性能及其性能提升潛力的研究鮮有報(bào)道。本文旨在探究適配于小型分布式能源系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電性能，并通過(guò)將機(jī)組的中冷冷卻方式改造為水空中冷來(lái)揭示其性能提升規(guī)律。此外，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組外排煙氣中的氮氧化物（NOx）含量較高，為滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)境排放要求［8-9］，對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)煙氣脫硝情況進(jìn)行了測(cè)試。

1 水空中冷式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組由機(jī)體、2大機(jī)構(gòu)（曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)）和6大系統(tǒng)（供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、電子調(diào)速系統(tǒng)）組成，主要包括機(jī)體、曲軸、減震器、活塞、連桿、氣缸套、氣缸蓋、點(diǎn)火系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)等［10］。本文測(cè)試中所采用的某國(guó)產(chǎn)90 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)外形見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)產(chǎn)90 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)外形三維示圖

該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)類(lèi)型為三相四線(xiàn)，由6個(gè)氣缸組成，每個(gè)氣缸的工作循環(huán)都由四沖程形式組成，即進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)進(jìn)氣方式為增壓中冷，冷卻方式為水冷強(qiáng)制循環(huán)。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)采用水空中冷方式，即燃?xì)夂涂諝馔ㄟ^(guò)混合器混合增壓之后，經(jīng)中冷水冷卻器（圖1）換熱冷卻后進(jìn)入氣缸壓縮。通過(guò)缸套水循環(huán)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸內(nèi)溫度的控制。該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的燃?xì)膺x用天然氣，其主要技術(shù)參數(shù)為，排量6.75 L、額定輸出功率 90 kW、額定電壓 400 V、轉(zhuǎn)速1 500 r/min、電流頻率50 Hz、最低燃料消耗率不大于 210 g/（kW·h）、功率系數(shù) 0.8、噪聲不大于102 dB。

1.2 進(jìn)排氣數(shù)據(jù)

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口表壓2～4 kPa，煙氣出口背壓 7.5 kPa，最大進(jìn)氣負(fù)壓 6.7 kPa，空氣進(jìn)氣質(zhì)量流量530.70 kg/h，燃?xì)膺M(jìn)氣質(zhì)量流量19.57 kg/h，燃?xì)庠囼?yàn)熱值 38.50 MJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），排氣質(zhì)量流量 550.27 kg/h，排氣溫度543℃。空氣和燃?xì)獾幕旌象w積比為13，主要由混合器進(jìn)行控制。燃?xì)饪杖急葘?duì)尾氣排放、發(fā)電機(jī)的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性都有顯著影響。為使廢氣排放質(zhì)量達(dá)到最佳，在發(fā)電機(jī)排煙管中安裝氧濃度傳感器，并實(shí)現(xiàn)燃料的閉環(huán)控制，將發(fā)電機(jī)的燃?xì)饪杖急瓤刂圃谙”∪紵齾^(qū)域，從而使燃?xì)馊紵浞?，達(dá)到燃料消耗率更低、排放標(biāo)準(zhǔn)更高的目的。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)煙氣中NOx的排放量最高為6 g/（kW·h），折合為 1 300 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。 根據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/1056—2013《固定式內(nèi)燃機(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定［11］，以天然氣、人工煤氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)，氮氧化物最高允許排放質(zhì)量濃度為75 mg/m3。因此，該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)煙氣中的氮氧化物排放量不滿(mǎn)足排放要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步處理?；谌?xì)獍l(fā)電機(jī)排氣溫度，采用選擇性催化還原技術(shù)（SCR）脫硝是合適的［12-13］。

1.3 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)的該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)進(jìn)水/出水壓力13/37.5 kPa，冷卻缸套水體積流量 10.8 m3/h，缸套水進(jìn)/出燃?xì)獍l(fā)電機(jī)溫度80/85℃，中冷器前/后溫度45/40℃。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸入的總功率為280.44 kW，其中中冷水帶走熱流量10.2 kW，煙氣和缸套水合計(jì)帶走熱流量140.8 kW。因此有必要通過(guò)高效余熱回收技術(shù)將煙氣和缸套水的能量利用起來(lái)，余熱吸收式制冷或產(chǎn)生活熱水是分布式小型燃?xì)鈾C(jī)廢熱利用的有效途徑。除發(fā)電外，其余部分熱流量通過(guò)表面輻射耗散，約14.02 kW。

2 90 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)

為測(cè)試該燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在變化負(fù)荷下的性能表現(xiàn)，搭建了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

圖2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)

天然氣經(jīng)電磁閥V1和燃?xì)饬髁坑?jì)F21進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)電機(jī)燃燒發(fā)電后排出。發(fā)電機(jī)的出口缸套水經(jīng)過(guò)缸套水熱交換器、流量計(jì)F1、水泵P3冷卻后，返回燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。中冷水先后經(jīng)過(guò)流量計(jì)F2、中冷水熱交換器、水泵P4冷卻后返回燃?xì)獍l(fā)電機(jī)。中冷水和缸套水的冷卻通過(guò)冷塔的冷卻水換熱實(shí)現(xiàn)。在發(fā)電機(jī)輸出端，接入可調(diào)節(jié)負(fù)載功率的負(fù)載箱。采用電壓電流頻率綜合試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)測(cè)量電流、電壓、頻率和電功率，記錄燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在不同負(fù)載下的燃?xì)饬髁?。性能測(cè)試的基礎(chǔ)條件為，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，環(huán)境溫度約25℃，大氣壓力101.3 kPa，天然氣進(jìn)口壓力1.5 kPa，天然氣進(jìn)氣溫度18℃，缸套水循環(huán)體積流量10.8 m3/h，中冷水循環(huán)體積流量3 m3/h?；诒?所示天然氣組成數(shù)據(jù)，可知標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣低位發(fā)熱量為33.41 MJ/m3。

表1 天然氣組成 %

天然氣總輸入熱流量 ?為［14］：

式中，?為總輸入熱流量，kW；qV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/h；Q為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣低位熱值，MJ/m3。

發(fā)電效率ηe為輸出功率Pe與天然氣總輸入熱流量的比值：

3 煙氣脫硝測(cè)試流程

煙氣SCR脫硝選用尿素作為脫硝還原劑，其測(cè)試流程示意見(jiàn)圖3。

圖3 煙氣SCR脫硝流程示圖

SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑為比表面積較大的蜂窩式高溫鐵基分子篩催化劑，反應(yīng)器運(yùn)行溫度為450～550℃。尿素溶液和壓縮空氣混合后經(jīng)噴射器噴入高溫?zé)煹乐校紫确纸猱a(chǎn)生NH3，在催化劑作用下，NH3選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O后排至大氣中。煙氣脫硝主要反應(yīng)式如下［15］：

4 90 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 性能測(cè)試結(jié)果

4.1.1 輸出功率和發(fā)電效率

在負(fù)荷率 x 分別為 34%、54%、61%、68%、90%和98%工況下，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的輸出功率Pe和發(fā)電效率ηe變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 不同負(fù)荷下燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出功率和發(fā)電效率變化曲線(xiàn)

由圖4看出，在5種不同負(fù)荷下，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的輸出功率隨負(fù)荷率變化趨勢(shì)一致。隨著負(fù)荷率從34%提高到98%，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的發(fā)電效率從26.32%逐步升高到36.12%，較常規(guī)同規(guī)模燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電效率增加約3個(gè)百分點(diǎn)（常規(guī)100 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電效率約為33%）。該研究結(jié)果表明，采用中冷水冷式換熱可減少常規(guī)空氣換熱鼓風(fēng)機(jī)的耗電量，提高換熱效率，提升發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率。在接近100%負(fù)荷率下，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出功率為88.8 kW。此外，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和負(fù)荷率呈現(xiàn)出較好的二次多項(xiàng)式關(guān)系 （擬合優(yōu)度R2=0.996），擬合方程為：

4.1.2 電壓和電流頻率

為考察燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出的交流穩(wěn)態(tài)電壓與頻率特性，分別記錄測(cè)試過(guò)程中電壓和電流頻率，采樣時(shí)間間隔為1 min，統(tǒng)計(jì)得到的電壓和電流頻率波動(dòng)情況分別見(jiàn)圖5和圖6。由圖5和圖6可知，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的電壓值在397～397.5 V變化，電流頻率值在50.03～50.07 Hz變化。與設(shè)計(jì)工況下額定電壓400 V和電流頻率50 Hz相比較，測(cè)試電壓變化最高幅度為0.75%，電流頻率變化最高幅度為0.14%，均符合供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試過(guò)程中電壓變化情況

圖6 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)性能測(cè)試過(guò)程中電流頻率變化情況

4.2 NOx排放量

經(jīng)過(guò)測(cè)定，當(dāng)未啟動(dòng)脫硝系統(tǒng)時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)輸出功率為90 kW，監(jiān)測(cè)到的排煙溫度為550℃，NOx質(zhì)量濃度為791.6 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），含氧量為6.21%。經(jīng)換算，在5%含氧量下NOx排放值為856.3 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。當(dāng)啟動(dòng)脫硝裝置后，SCR反應(yīng)器出口煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 5%含氧量時(shí)SCR反應(yīng)器出口煙氣中NOx質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖7可以知道，NOx排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定在41 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），脫硝效率超過(guò)95%，滿(mǎn)足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究了國(guó)產(chǎn)某適合于小型燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉聪到y(tǒng)的90 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的發(fā)電性能。研究結(jié)果表明，采用水空中冷冷卻方式，發(fā)電機(jī)發(fā)電效率可達(dá)到36.12%，較常規(guī)同規(guī)模發(fā)電機(jī)發(fā)電效率增加約3個(gè)百分點(diǎn)，得到了發(fā)電效率與負(fù)荷率的擬合方程，發(fā)電機(jī)輸出的額定電壓和電流頻率滿(mǎn)足供電質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)SCR脫硝之后，煙氣中NOx排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定在41 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），脫硝效率超過(guò)95%。