油田伴生氣發(fā)電機組的應用研究

趙學峰

（川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610051）

1 前言

內燃燃氣發(fā)電已經是一種成熟技術，以天然氣、沼氣、瓦斯等為燃料的燃氣發(fā)電已成為實現(xiàn)節(jié)能減排、應急發(fā)電、分布式能源等能源綜合利用的有效補充方式。燃氣發(fā)電產品功率覆蓋幾十千瓦到幾兆瓦，有卡特、瓦克夏、顏巴赫等國際品牌，國內有濟柴、勝動等不同廠家。

伴生氣的主要成分是甲烷，一般甲烷占80%以上，乙烷4%～10%，丙烷3%～8%，丁烷及戊烷2%～5%。由于其高烴成分的存在，使發(fā)動機容易產生爆震，造成零部件的損壞。大家熟知的汽油有一個辛烷值參數(shù)，這個參數(shù)是與汽油的抗爆震燃燒能力相關的。汽油的92號、95號、98號就代表汽油的辛烷值，標號越高，辛烷值越高，其抗爆震燃燒能力越強。一般高壓縮比、電噴發(fā)動機需要采用高辛烷值汽油。

為研究燃氣的抗爆燃燒性能，研究人員參照汽油辛烷值的測定方法確定了燃氣的甲烷值作為衡量指標。出臺了國家標準GB 18047-2000《車用壓縮天然氣》，規(guī)定了甲烷值的定義及計算方法。根據(jù)標準計算，一般管道天然氣及LNG的甲烷值為85～90，部分LNG含有15%左右的乙烷，其甲烷值僅能達到70。成分為甲烷85%、乙烷10%、丙烷5%的伴生氣，其甲烷值為66.6。通常來說，對于燃氣發(fā)動機，甲烷值高于85的燃氣，是可以滿足額定功率穩(wěn)定運行的。而甲烷值在65～85之間的燃氣，需要發(fā)動機降功率運行，以避免發(fā)生爆震對發(fā)動機造成損壞。

為提高發(fā)動機對伴生氣的適應性，可采取了以下措施。

2 精確空燃比控制

氣體發(fā)動機根據(jù)燃氣與空氣的混合方式不同，大致有這幾種不同結構：中冷后膜片式混合器、機械內混、增壓前電控混合、增壓前流量精確控制、多點電噴控制。

膜片式混合器空燃比控制方式屬于增壓后混合方式，結構簡單，成本低，動態(tài)響應快。瓦克夏發(fā)動機主要采用這種方式，用于壓縮機驅動。缺點是：空燃比可調范圍小，需要的燃氣壓力高。

增壓前精確流量控制方式，采用精確控制燃氣流量閥、機械式文丘里混合器，能夠適應不同的燃氣壓力、濃度，具有稀薄燃燒、精確空燃比控制及不同負荷對應不同空燃比的優(yōu)點，可以優(yōu)化提高不同工況下的發(fā)動機性能?？ㄌ?、顏巴赫發(fā)動機一般采用這種方式。

增壓前電控混合器空燃比控制方式，采用步進電機控制燃氣流通面積，減少燃氣控制閥，但需要增加零壓閥，僅適用于燃氣濃度、壓力穩(wěn)定的天然氣、沼氣氣源。由于燃氣流量控制位置更靠近增壓器，所以響應性稍有提高，但控制精度不如精確控制燃氣流量方式，對燃氣成分變化的適應性差。

機械內混控制方式，通過增加獨立的進氣凸輪軸，控制燃氣閥的開啟時刻和周期，來控制燃氣的進氣量。需要高壓力氣源。該種方式，動態(tài)響應快，排氣溫度低，結構比較復雜。

多點電噴控制，每缸采用一個電磁閥來精確控制燃氣流量，需要高壓力氣源，在進氣道處混合，動態(tài)響應快，排氣溫度低。需要優(yōu)化設計進氣道，保證燃氣、空氣的充分均勻混合。但存在系統(tǒng)一次投入和使用維護成本高的問題。

綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點，我們選擇采用了增壓前精確流量控制的方式。該方法主要采用速度密度法，計算不同工況下所需的燃氣流量，然后通過燃氣流量控制閥來精確控制進入發(fā)動機的燃氣量。通過以下公式計算出混合氣流量，再根據(jù)不同工況下的空燃比需求來計算出燃氣流量：

式中，n為發(fā)動機轉速（rpm）；V為發(fā)動機排量（L）；Ve為充氣效率；MAP為進氣管絕對壓力（kPa）；Tn=273°K；Pn=101.3kPa；MAT=混合氣溫度（°K）。

3 氧傳感器閉環(huán)控制

根據(jù)圖1《氣體發(fā)動機燃燒特性圖》，隨著發(fā)動機均效壓力或負荷的提升，過量空氣系數(shù)λ需要控制在一個很窄的范圍內，才能使發(fā)動機燃燒遠離爆震區(qū)和失火區(qū)。因此，我們安裝了氧傳感器，測量發(fā)動機排氣中的氧含量，計算過量空氣系數(shù)，進行閉環(huán)控制，使發(fā)動機實現(xiàn)全工況稀薄燃燒，降低發(fā)動機排溫、NOx排放，降低燃燒的爆震趨勢。

圖1 氣體發(fā)動機燃燒特性圖

燃氣發(fā)動機上采用寬域氧傳感器，能夠測量不同空燃比混合氣燃燒后的廢氣中氧含量，輸出對應的電壓信號，根據(jù)該測量值，可以反推出實際的過量空氣系數(shù)。

甲烷燃燒反應公式：CH4+2O2=CO2+2H2O，氧傳感器測出的是排氣中的氧氣體積含量V，根據(jù)甲烷燃燒反應公式，在高溫下，燃燒產生的水是以氣態(tài)形式存在的，因此，可以近似看作燃燒前后的混合氣體積是不變的。根據(jù)空氣中的氧氣體積含量21%，假設實際進的空氣體積為X，甲烷體積為1，則進的氧氣量為0.21X，剩余氧氣體積V=0.21X-2，總進氣量為1+X，則：

如通過氧傳感器測出排氣中氧含量為7%時，λ=（0.07+2）/（2-9.524×0.07）=1.553。

4 爆震監(jiān)控

為實時監(jiān)測發(fā)動機的運行燃燒情況，在發(fā)動機上增加了爆震監(jiān)控系統(tǒng)。

發(fā)動機爆震監(jiān)控系統(tǒng)主要由爆震模塊、爆震傳感器和爆震線束3部分組成。其中，爆震模塊功能是對爆震傳感器振動信號的監(jiān)測和信號處理。爆震傳感器用于采集聲音振動的頻率信號，可采用每缸一個爆震傳感器或者兩缸共用一個傳感器的方式，爆震線束則是連接爆震模塊和爆震傳感器。

爆震模塊使用爆震監(jiān)測窗口的快速傅里葉變換策略，振動傳感器采集的振動采樣點形成一個帶尖角的窗口，對這些采樣點進行N個點的傅里葉變換。在頻譜上使用濾波器只查看爆震發(fā)生的特定頻率帶。在最終濾波頻譜上計算平均值，積分值和最高值。這些值按照一定的比例設置為每缸定義0～100%的爆震強度。參考圖2，爆震監(jiān)測示意圖，圖中左下柱狀圖代表參考窗口，右下柱狀圖代表爆震窗口區(qū)域，圖中上方灰色曲線代表爆震傳感器的采樣信號，黑色虛線代表爆壓信號。

圖2 爆震監(jiān)測示意圖

發(fā)動機爆震通常劃分3個級別，分別為輕度爆震、中度爆震和重度爆震?；诓煌墑e的爆震，控制策略也有差異。輕度爆震發(fā)生時，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，同時，調整點火提前角或者降載以消除爆震現(xiàn)象；中度和重度爆震發(fā)生時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令。

爆震對于發(fā)動機而言，是具有破壞性的，主要表現(xiàn)在發(fā)動機動力下降、排放惡化、氣耗增加，最直接的影響就是敲缸、損壞發(fā)動機的機械部件。因此，利用發(fā)動機的爆震監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地保護發(fā)動機，甚至可以與點火系統(tǒng)和發(fā)動機控制系統(tǒng)進行連鎖反應，可以有效地消除發(fā)動機爆震現(xiàn)象。

5 并網運行

當燃氣發(fā)電機組作為孤島電站運行時，為了適應負載的頻繁、大幅度波動，需要調低過量空氣系數(shù)以提高發(fā)動機運行的穩(wěn)定性，但這樣會使發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，排溫高、易爆震。為了使發(fā)動機燃燒更加穩(wěn)定，盡可能提高過量空氣系數(shù)λ，選用自動化機組管理模塊實現(xiàn)無隙并網控制方式。

并網發(fā)電有幾種方式：

（1）電網提供穩(wěn)定負荷，發(fā)電機組提供此外多出的負載值，對機組控制要求較高，包括起動性能、響應速度。

（2）發(fā)電機組提供穩(wěn)定的負荷，不夠的由電網提供，多余的輸出到電網上，對機組要求低。常用的是所有電力輸出都送到電網上。

（3）發(fā)電機組仍并到電網上，但負荷全部由發(fā)電機組提供，對機組控制及響應性要求低，但可靠性要求高，以免對電網造成沖擊。

我們采用的是第二種方式，發(fā)電機組發(fā)出的電全部輸送到電網上，運行負荷可自主控制、穩(wěn)定不變，使發(fā)動機運行在高效、低排放工況。