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(zhì)氣體組成及燃燒特性和大功率生物質(zhì)氣體發(fā)電機(jī)組的開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹,并對生物質(zhì)氣體發(fā)電機(jī)組驗(yàn)證過程進(jìn)行了說明,驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到開發(fā)要求。
關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組;低熱值可燃?xì)怏w;燃?xì)鈾C(jī)組控制技術(shù)
0?前言
生物質(zhì)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(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)對環(huán)境保護(hù)、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(jīng)濟(jì)效益[1]。
針對我國生物質(zhì)氣體發(fā)電內(nèi)燃機(jī)功率小、發(fā)電效率低的現(xiàn)狀,聯(lián)合生物質(zhì)氣化裝置制造廠家,研究人員基于12 V燃?xì)獍l(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)了1款發(fā)電功率為800 kW、效率高于35.1%的生物質(zhì)氣體發(fā)電機(jī)組。
1?生物質(zhì)氣體組成與燃燒特性
1.1?生物質(zhì)氣體組成
生物質(zhì)氣體是是以果殼、木料、秸稈、竹片等為原料,經(jīng)氣化爐熱解、裂解等步驟,產(chǎn)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(zhì)氣體的燃燒特性
在生物質(zhì)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。紵俣嚷?。CO為最主要的可燃成分,但燃點(diǎn)較高。H2對比其他可燃成分,具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤讛U(kuò)散的特點(diǎn),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(zhì)氣中含有492%的N2和10%的CO2都會阻礙燃燒的正常進(jìn)行,對火焰的燃燒速度起到負(fù)面影響,導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)后燃嚴(yán)重,排氣溫度較高[3]。
1.2.1?混合氣熱值
在發(fā)動機(jī)內(nèi)充分燃燒時的氣體為空氣與生物質(zhì)氣體的混合氣,計(jì)算生物質(zhì)氣體混合氣的最小低熱值作為理論對比參數(shù),計(jì)算公式為生物質(zhì)氣體低熱值除以生物質(zhì)氣體剛好完全燃燒時的混合氣體積,單位為MJ/Nm3。計(jì)算得出,生物質(zhì)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(biāo)[4]。通過計(jì)算燃?xì)獾募淄橹?,可以在保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行可靠的基礎(chǔ)上,通過提高發(fā)動機(jī)的壓縮比,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率的提高。按照BS EN 16726:2015[5]標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,得出生物質(zhì)氣體的甲烷值為77.9。
1.2.3?沃泊指數(shù)[4]
沃泊指數(shù)代表燃?xì)馊紵龝r的熱負(fù)荷。沃泊指數(shù)越相近的燃?xì)饪商鎿Q程度越高,沃泊指數(shù)增大,混合氣燃燒速度增大,燃?xì)饪贡越档?。沃泊指?shù)減小,燃燒速度減慢,直至發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定,點(diǎn)火異常[4]。其計(jì)算公式為燃?xì)獾牡蜔嶂蹬c燃?xì)庀鄬γ芏鹊拈_方的比值,空氣的相對密度為1,單位為MJ/m3。通過計(jì)算得出生物質(zhì)氣體剛好完全燃燒的混合氣的沃泊指數(shù)為 2.80 MJ/m3。
2?生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)
生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)是基于現(xiàn)有天然氣發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)而成,通過生物質(zhì)氣體剛好完全燃燒時的燃?xì)馓匦耘c天然氣實(shí)際混合氣的燃燒特性進(jìn)行對比分析,可以對生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)研發(fā)趨勢進(jìn)行預(yù)測。通過計(jì)算得出,實(shí)際天然氣混合氣低熱值為2.19 MJ/Nm3,甲烷值為100,沃泊指數(shù)為2.22 MJ/Nm3。
2.1?設(shè)計(jì)任務(wù)與方案
本文生物質(zhì)氣體機(jī)組設(shè)計(jì)任務(wù)要求基于公司LY12V170燃?xì)獍l(fā)動機(jī),機(jī)組參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)見表2。
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo),結(jié)合生物質(zhì)氣體組成與燃燒特性制定發(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)方案:
(1) 壓縮比的設(shè)計(jì)與試驗(yàn);
(2) 配氣相位與凸輪軸設(shè)計(jì);
(3) 混合器設(shè)計(jì)及空燃比控制;
(4) 點(diǎn)火系統(tǒng)方案設(shè)計(jì);
(5) 安全防護(hù)與防爆裝置的設(shè)計(jì)。
2.2?壓縮比匹配
甲烷值可以體現(xiàn)可燃?xì)怏w的抗爆性。甲烷值越大,表明可燃?xì)獾目贡栽胶?。生物質(zhì)氣體的甲烷值為77.9,低于天然氣的甲烷值100.0。以生物質(zhì)氣體為燃料的發(fā)動機(jī)需要通過試驗(yàn)對比確定最佳壓縮比。
2.3?配氣相位與凸輪軸設(shè)計(jì)
為了有利于生物質(zhì)氣發(fā)動機(jī)的運(yùn)行,避免在掃氣期間的燃料損失,減小進(jìn)氣管回火的危險,以及降低渦前排溫,重新設(shè)定配氣相位,減小氣門重疊角,使生物質(zhì)氣發(fā)動機(jī)的配氣相位和升程曲線能進(jìn)一步滿足動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的要求。
2.4?混合器設(shè)計(jì)及空燃比控制
在開發(fā)和應(yīng)用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的過程中,燃?xì)饣旌霞夹g(shù)是關(guān)鍵,燃?xì)饣旌系暮脡闹苯佑绊懙桨l(fā)動機(jī)各缸做功的均勻性和穩(wěn)定性。其中混合器是燃?xì)饣旌霞夹g(shù)的關(guān)鍵部件,直接影響到燃?xì)饣旌腺|(zhì)量的好壞。為此,研究人員專門為生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)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(yàn)燃?xì)庠诘蛪旱蜔嶂档那闆r下發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況,并選出最佳混合器。
空燃比是影響發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的重要參數(shù)之一。發(fā)動機(jī)的空燃比控制是通過控制燃?xì)夤艿廊細(xì)庹{(diào)節(jié)閥和空氣管上的空氣調(diào)節(jié)閥的開關(guān)大小來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)閥的開度大小是根據(jù)電控單元給出的各自介質(zhì)流量大小、介質(zhì)溫度、調(diào)節(jié)閥前后壓力、閥門和閥片本身結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的。
2.5?點(diǎn)火系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
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(jī)運(yùn)行安全。在遵守排放極限值的情況下,使發(fā)動機(jī)獲得最高性能和最佳效率。
點(diǎn)火提前角[5]自動調(diào)整技術(shù)可保證發(fā)動機(jī)一直運(yùn)行在爆燃點(diǎn)附近,通過接收每缸的爆燃信號,實(shí)時調(diào)整相應(yīng)氣缸的點(diǎn)火提前角[6]。
2.6?安全防護(hù)與防爆裝置設(shè)計(jì)
研究人員在中冷器側(cè)進(jìn)氣室內(nèi)安裝了阻火器,并在進(jìn)氣管和曲軸箱內(nèi)都安裝了防爆裝置,防止燃?xì)饣旌蠚獗稽c(diǎn)燃后能及時泄壓并熄滅火源傳播途徑,用于保護(hù)發(fā)動機(jī)。
為監(jiān)測發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)的參數(shù),研究人員通過參數(shù)結(jié)合運(yùn)行狀態(tài),及時調(diào)整發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),確保發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。如監(jiān)測渦前渦后排溫和每缸缸內(nèi)溫度。當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定范圍時,傳感器會發(fā)出報警信號。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)在收到信號后,通過控制燃?xì)饪諝饣旌蠚獾牧髁浚瑏砜刂乒β屎娃D(zhuǎn)速,以達(dá)到糾正相應(yīng)參數(shù)的目的,保護(hù)發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。
3?機(jī)組發(fā)電試驗(yàn)研究
3.1?機(jī)組試驗(yàn)裝置
生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)采用集裝箱撬裝形式的發(fā)電機(jī)組,生物質(zhì)氣源由氣化裝置制造廠家提供,機(jī)組功率消耗使用負(fù)載柜。
為保證氣源品質(zhì),研究人員在機(jī)組與氣化裝置之間增加了脫水、除塵、緩沖、穩(wěn)壓等設(shè)備,同時增加了燃?xì)饬髁坑?jì),用于計(jì)算機(jī)組發(fā)電效率,并配備了燃?xì)獬煞謾z測儀,用于檢測燃?xì)獬煞质欠穹€(wěn)定。
3.2?試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果
由于受到現(xiàn)場條件和時間的限制,驗(yàn)證過程只對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和發(fā)電效率等有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了記錄。
混合器對比試驗(yàn)結(jié)果如下:直管混合器機(jī)組運(yùn)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(jī)組選擇扇形混合器,燃?xì)饪諝饣旌献罹鶆?,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性最好;配氣相位設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行過程中無爆燃和回火現(xiàn)象,點(diǎn)火提前角相對于天然氣機(jī)組提前了4~6 °CA。壓縮比驗(yàn)證對比是在扇形混合器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,選擇的2種壓縮比活塞的機(jī)組都能穩(wěn)定運(yùn)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(jī)缸內(nèi)燃燒的溫度,保證發(fā)動機(jī)燃燒室的熱負(fù)荷在可控的范圍內(nèi),這樣既能增加發(fā)動機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性,還能降低發(fā)動機(jī)的排放參數(shù)。試驗(yàn)顯示,2種壓縮比方案下的發(fā)動機(jī)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(nèi)燃燒實(shí)時情況調(diào)整點(diǎn)火提前角,保證發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。
排氣溫度能夠體現(xiàn)燃?xì)庠谌紵覂?nèi)的燃燒效率。在一定功率段,缸內(nèi)燃燒溫度相同,排氣溫度越低,缸內(nèi)燃燒越完全,發(fā)動機(jī)做功效率越高。對于增壓器發(fā)動機(jī)來說,排氣溫度包括渦前溫度和渦后溫度,壓縮比驗(yàn)證對比見圖2和圖3。試驗(yàn)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(jī)組燃?xì)庀牧渴请S著機(jī)組功率增加而增加的。查看燃?xì)馐欠裼行Ю?,最直觀的就是發(fā)電效率。試驗(yàn)顯示,發(fā)動機(jī)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(jī)組燃?xì)庀牧亢蜋C(jī)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(jié)論
本試驗(yàn)研究的12 V大功率生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組可以使用以CO和H2為主要的可燃成分的低熱值生物質(zhì)氣。壓縮比、配氣相位、扇形混合器、空燃比,點(diǎn)火系統(tǒng)、安全防護(hù)等驗(yàn)證都達(dá)到了預(yù)期效果。機(jī)組各個參數(shù)正常且能穩(wěn)定運(yùn)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(zhì)氣體機(jī)組的研發(fā)成果填補(bǔ)了我國國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)大功率800 kW段的空白,且機(jī)組運(yùn)行效率達(dá)到國際領(lǐng)先水平,并為開發(fā)更大的功率段的生物質(zhì)氣體發(fā)動機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]趙巧良.生物質(zhì)發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].農(nóng)村電氣化,2018(3):60.63.
[2]孟凡生,陰秀麗.燃用生物質(zhì)氣化氣的內(nèi)燃機(jī)特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(8):104.108.
[3]章愷,劉振峰,翁一武.生物質(zhì)氣對內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].可再生能源,2019,37(4):475.481.
[4]牛家強(qiáng),劉如迪,耿建輝.燃?xì)馓匦詫Πl(fā)動機(jī)性能參數(shù)的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置,2016,33(1):5.9.
[5]郭華,計(jì)維斌, 査麗平,等.火花點(diǎn)燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究[J].國外內(nèi)燃機(jī),2017,(3):60.62.