喬小杰

(西山煤電集團(tuán) 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

預(yù)燃式燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在高濃度瓦斯發(fā)電中具有顯著優(yōu)勢，作為瓦斯發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部分，燃?xì)馀錃庀到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對正常發(fā)電起著至關(guān)重要的作用[1].本文通過對屯蘭瓦斯電廠4#機(jī)組20 000 h保養(yǎng)大修時發(fā)現(xiàn)的積碳問題進(jìn)行診斷，并通過軟件仿真得到發(fā)動機(jī)組的主要性能參數(shù)，進(jìn)而形成燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組升級與改進(jìn)的意見，保證該電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 大修保養(yǎng)發(fā)現(xiàn)的問題及診斷

屯蘭瓦斯電廠4#瓦斯發(fā)電機(jī)組采用的是由顏巴赫公司生產(chǎn)的JMS620GS-S.L四沖程V型(60°)水冷式發(fā)動機(jī)，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的電子點(diǎn)火系統(tǒng)和爆燃探測調(diào)整裝置采用電子模塊控制，燃?xì)鈮毫υ?0 kPa.JMS620 GS-S.L燃?xì)獍l(fā)動機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)，吸入更多空氣與燃?xì)獬浞秩紵?，降低燃料消耗率[2].20 000 h保養(yǎng)項(xiàng)目主要包括：更換缸套、活塞環(huán)、連桿軸瓦、連桿螺絲、缸頭墊片、減震器、發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器等46項(xiàng)。保養(yǎng)工藝主要為拆裝研磨缸頭，拆裝研磨活塞，拆裝研磨缸套，拆裝緊固連桿及連桿瓦等，最后進(jìn)行機(jī)組整體調(diào)試。

1.1 主要問題匯總

拆除缸蓋及活塞時，發(fā)現(xiàn)缸頭底部平面及活塞頭部頂面存在大量積碳及結(jié)晶鹽(圖1、2)，進(jìn)排氣門裙部、氣門桿、氣門座存在多處刺蝕(圖3)，缸套周圍有輕微拉痕(圖4).

圖1 缸頭底部、進(jìn)排氣門周圍情況圖

圖2 活塞頂部情況圖

圖3 進(jìn)排氣門裙部、氣門桿、氣門座情況圖

1.2 問題診斷

針對大修保養(yǎng)出現(xiàn)的結(jié)晶鹽及積碳較多的情況，對屯蘭瓦斯電廠入口處的瓦斯成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1.由表1可以看到，濾除雜質(zhì)后進(jìn)入機(jī)體的瓦斯主要成分為N2、CH4，顆粒雜質(zhì)主要為煤粉、煤矸。通過test氣體成分檢測儀對發(fā)電機(jī)組尾氣進(jìn)行分析，尾氣成分見表2.

表1 4#機(jī)組入口瓦斯成分表

表2 4#機(jī)組出口尾氣成分表

由表1和表2可以看出,產(chǎn)生結(jié)晶鹽和積碳的主要原因是雜質(zhì)較多且部分粒度超過5 μm，造成瓦斯氣體不夠清潔。

其次，活塞環(huán)、油環(huán)、氣環(huán)變形也是導(dǎo)致機(jī)組拉缸的重要原因。活塞與缸套之間的潤滑系統(tǒng)采用的是機(jī)油，因此考慮機(jī)油是否已發(fā)生變質(zhì)，需要對潤滑系統(tǒng)機(jī)油進(jìn)行化驗(yàn)分析。屯蘭瓦斯電廠采用的是道達(dá)爾(型號：TOTAL NATERIA MH40)低灰不可燃機(jī)油，經(jīng)過運(yùn)行1 950 h后的化驗(yàn)報(bào)告見表3.

化驗(yàn)報(bào)告結(jié)論建議：該油品理化指標(biāo)基本正常；設(shè)備磨損狀態(tài)基本正常；請定期監(jiān)測。從表3可以看出，機(jī)油品質(zhì)是正常的。鑒于此，需要對積碳和結(jié)晶鹽產(chǎn)生的化學(xué)機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析和計(jì)算機(jī)仿真模擬。

表3 機(jī)油化驗(yàn)報(bào)告表

2 熱力學(xué)分析

瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，隨著火花塞點(diǎn)火開始，缸內(nèi)就伴隨著各類熱輻射變化和化學(xué)反應(yīng)，缸內(nèi)壓力也隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化時刻改變。產(chǎn)生積碳和結(jié)晶鹽的另外一個原因是燃燒過程不充分，火焰在氣缸內(nèi)的傳播形式主要包括湍流、射流和紊流[3].通過仿真計(jì)算，可以分析得到最接近于實(shí)際情況的結(jié)果。

2.1 缸內(nèi)燃燒模型建立

屯蘭瓦斯電廠采用的發(fā)電機(jī)組主燃燒室形狀是標(biāo)準(zhǔn)圓柱形的，由缸頭底平面與活塞頭部平面組成，由火花塞點(diǎn)燃預(yù)燃室內(nèi)的高壓高濃瓦斯(壓力：0.35～0.4 MPa,CH4濃度：25%～30%).然后通過設(shè)置在預(yù)燃燒室上的8個小孔噴射出的高速火焰到達(dá)主燃燒室，并在其中進(jìn)行稀薄混合燃燒。本文發(fā)動機(jī)組的主要參數(shù)見表4[4].

表4 JSM620 GS-S.L燃?xì)獍l(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型和邊界條件

首先建立發(fā)動機(jī)氣缸網(wǎng)格化模型，預(yù)燃室噴射小孔均勻分布，且相鄰噴孔夾角呈45°，同一平面內(nèi)兩噴孔夾角為155°,噴孔直徑為1.6 mm.為了使模擬更接近于發(fā)動機(jī)工作的實(shí)際狀況，參考了實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)CH4在氣缸中反應(yīng)速率為2.6×10-7mol/cm3·s，溫度邊界條件取經(jīng)驗(yàn)值，見表5.

表5 溫度邊界條件表

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用AVL-fire軟件對瓦斯發(fā)動機(jī)組缸內(nèi)輻射換熱多維數(shù)值模擬,以活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)時曲軸轉(zhuǎn)角為0 ℃A發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角為-9.5 ℃A.在瓦斯發(fā)動機(jī)組工作過程中，內(nèi)部燃燒發(fā)生著復(fù)雜的化學(xué)變化，隨著運(yùn)行時間變化，缸內(nèi)積碳和結(jié)晶鹽增加，輻射率也隨之增加(黑體輻射率為1)，其壁面的輻射率也發(fā)生改變，實(shí)驗(yàn)中采用了4種不同輻射率進(jìn)行對比，假定輻射率分別為0.6、0.7、0.8、0.9，實(shí)驗(yàn)得到活塞頂部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線(圖5)以及缸蓋底部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線(圖6).

圖5 活塞頂部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線圖

圖6 缸蓋底部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線圖

從圖5和圖6可以看到,從火花塞點(diǎn)火開始到活塞離開上止點(diǎn)后30 ℃A時缸蓋底部與活塞頂部熱流密度逐漸升高，隨著曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，缸內(nèi)熱流密度波動下行，此時缸內(nèi)壓力也隨之下行(圖7).從圖5可以看到，隨著活塞頂部積碳增加，氣缸內(nèi)輻射熱流增加，導(dǎo)致氣缸散熱不良，氣缸排氣溫度上升，這也無形中增加了活塞變形幾率，從而導(dǎo)致拉缸。

圖7 發(fā)動機(jī)缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖

隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸蓋壁面的輻射熱流密度是時刻變化的，運(yùn)用軟件進(jìn)行多維瞬態(tài)仿真模擬(圖8).從圖8可以看到,火花塞點(diǎn)火后到曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)到10 ℃A過程中，缸內(nèi)輻射熱流主要集中在預(yù)燃室噴孔附近，其他區(qū)域均勻分散。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角接近30 ℃A時，缸蓋底部中心受熱明顯集中，并向周圍擴(kuò)散，且此時氣門座附近積聚熱流，溫度急劇升高。隨著曲軸轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，活塞下行，缸蓋底部中心受熱減弱并均勻向四周擴(kuò)散。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，氣缸內(nèi)射流、紊流、湍流疊加存在，由于缸內(nèi)受熱不均勻，給積碳和結(jié)晶鹽的產(chǎn)生提供了便利條件。

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角0～90 ℃A時缸蓋底部熱輻射圖

3 大修意見

3.1 大修理改進(jìn)意見

1)對可能造成機(jī)油污染的曲軸箱呼吸器濾芯進(jìn)行及時更換，并將原有濾芯送檢。2)對可能造成氣源污染的燃?xì)鉃V芯、阻火器進(jìn)行更換，并將原有濾芯送檢。3)對于積碳和結(jié)晶鹽引起的缸溫升高和氣缸拉缸現(xiàn)象，按照保養(yǎng)內(nèi)容對缸蓋底座進(jìn)行打磨；更換刺蝕損壞的氣門和氣門座圈。4)對存在拉缸的缸套進(jìn)行研磨，更換活塞環(huán)，連桿螺栓。

3.2 升級方案

1)原火花塞已使用達(dá)到3 000 h,更換為原廠火花塞，并重新調(diào)整氣門間隙。2)原點(diǎn)火提前角經(jīng)過長時間運(yùn)行會出現(xiàn)偏移，進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)火正時，保證各缸排溫、氣門噪聲均勻，無明顯偏差。3)原混合器開度角(稀燃調(diào)節(jié)器)經(jīng)過長時間運(yùn)行會出現(xiàn)偏移，進(jìn)一步優(yōu)化混合器開度角，以達(dá)到最佳空燃比、稀燃比，確保無爆震現(xiàn)象。

3.3 運(yùn)行指導(dǎo)意見

1)大修后當(dāng)入口瓦斯明顯波動時，及時降低負(fù)載運(yùn)行。2)按照潤滑油周期，按時更換機(jī)油、機(jī)油濾芯、加注潤滑脂。3)當(dāng)點(diǎn)火電壓≥30 kV時，及時停機(jī)調(diào)整火花塞間隙，當(dāng)火花塞使用超過3 000 h時，及時更換火花塞。4)按照空濾保養(yǎng)時間要求，按周期更換一級、二級空濾、燃濾、曲軸箱呼吸器濾芯。5)監(jiān)控氣缸排溫、機(jī)油溫度壓力、預(yù)壓壓差、混合氣壓力、冷卻液溫度在規(guī)定范圍內(nèi)無明顯偏差。

4 保養(yǎng)升級后機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

屯蘭瓦斯電廠2#機(jī)組經(jīng)過以上保養(yǎng)升級后，發(fā)動機(jī)組功率曲線、充氣壓力、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定運(yùn)行(圖9)，機(jī)組實(shí)現(xiàn)滿載運(yùn)行。

圖9 發(fā)動機(jī)組運(yùn)行曲線圖

5 總 結(jié)

通過發(fā)電機(jī)組大修保養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，并對問題診斷治療，運(yùn)用軟件計(jì)算模擬，逐步查清問題導(dǎo)向，進(jìn)而解決問題，提出科學(xué)系統(tǒng)的升級改進(jìn)意見。另外此次研究也反映出積碳和結(jié)晶鹽對發(fā)電機(jī)組的危害巨大，運(yùn)用AVL-fire軟件多維模擬可以較好地反映發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況，對于提高發(fā)電機(jī)組性能，維護(hù)保養(yǎng)發(fā)動機(jī)組具有深刻意義。