新型生物质气发电机组的研发及应用

孟红霞 沈艳 郭华 査丽平 黄敏勤 瞿俊鸣

(1. 上汽集团商用车技术中心，上海 200438； 2.上海内燃机研究所，上海 200438；3. 常州常发农业装备工程技术研究有限公司，江苏 常州 213167；4. 无锡科博增压器有限公司，江苏 无锡 214177；5. 江苏四达动力机械集团有限公司，江苏 无锡 214187)



原 创

新型生物质气发电机组的研发及应用

孟红霞1,2沈艳4郭华1,2査丽平3黄敏勤5瞿俊鸣1,2

(1. 上汽集团商用车技术中心，上海 200438； 2.上海内燃机研究所，上海 200438；3. 常州常发农业装备工程技术研究有限公司，江苏 常州 213167；4. 无锡科博增压器有限公司，江苏 无锡 214177；5. 江苏四达动力机械集团有限公司，江苏 无锡 214187)

针对生物质气发电机组易燃易爆的安全隐患，开展产品安全要求和防护措施的研究，为先进环保型产品的推广应用提供试验验证。

生物质气 沼气 发电机组 安全要求 防护措施

0 前言

随着国民经济的高速发展，我国已成为世界内燃机制造大国，但同时也存在能源短缺和污染严重的问题，内燃机耗能和排污严重的问题已成为制约国民经济增长的瓶颈。

为实现国家节能减排的战略目标，开发和生产生物质气发电机组，以废弃的秸秆等为原料，在高温缺氧条件下，使其不完全燃烧和热解，生成秸秆气；或以动物排泄物等为原料，在厌氧条件下，依靠厌氧菌将其转化为发电机组可用的沼气，对解决能源短缺和环境污染问题将具有重大的经济效益和战略意义。

但生物质气发电机组存在易燃易爆的隐患，如何安全使用将关系到这一新型节能环保产品的可持续发展。为此，本文针对该机组的安全风险，开展产品安全设计和防护措施方面的研究，为建设资源节约型和环境友好型发动机工业体系提供技术支撑。

1 试验装置

试验用沼气发动机技术规格列于表1。图1为沼气发电机组及燃料供给系统示意图。

表1 沼气发动机技术规格

图1 沼气发电机组及其燃料供给系统示意图

为保证生物质气发电机组的运行安全可靠，生物质气在使用前经脱水、脱硫、除尘和除焦油处理，要求焦油含量小于20mg/m3，总硫量小于200mg/m3，硫化氢含量小于20mg/m3，水分小于20mg/m3，杂质粒径小于5μm，杂质含量小于10mg/m3。并且，与生物质气接触的零部件材质应能与生物质气兼容。采用的黑色金属零部件均经过电镀、化学处理或涂漆等防腐处理。

2 安全要求和防护措施

针对沼气发电机组存在易燃易爆的安全隐患，参照国际安全标准的要求[1，2]，从分析安全风险入手，对采用往复式内燃机驱动的沼气发电机组进行安全设计和防护措施研究。

2.1 起动系统

发动机所装备的电起动装置可确保操作者按使用说明书起动时安全运行，并根据实际需要设置相应的警示标记。

发动机起动后，起动装置按规定程序自动脱开。发动机装备的盘车机构与起动装置之间设有安全联锁装置，当盘车齿轮处于啮合状态时，发动机不会自行起动。

2.2 正常停机

发动机具有手动和自动控制的正常停机装置。停机通过切断点火来实现，并同时切断供气，以保证停机安全可靠。只有当停机装置手动复位后，才能重新起动发动机。

2.3 紧急停机

发动机装有紧急停机系统。该机组采用手动控制的紧急停机装置，其动作比正常停机装置更加快速有效，可以及时断开危险元器件与驱动机构，必要时可进行制动，使发动机停机。

自动控制的紧急停机装置可根据发动机超速、润滑油油压过低或冷却液温度过高，以及发电机电压过高或地线接错等危险状况，发出报警并自动停机。

2.4 报警装置

报警装置发出的视觉信号(如闪光灯)和听觉信号(如报警器)可用于警示发动机起动或超速等即将发生的危险情况，并可作为自动保护措施，在激发前对操作者进行警示。

报警装置的设计和配置查看方便，可在发动机运转或停机时检验其功能是否正常。

2.5防爆装置

发动机气缸盖进气口和燃空混合器之间装有阻火器，用以防止燃空混合器和进气系统的回火。进排气管和曲轴箱盖上装有防爆安全阀，可预防未燃混合气的爆炸。

当发生发动机点火开关不能打开、发动机故障停机和熄火或沼气管路破裂等情况，燃气供给系统能自动切断沼气的供给。

2.6 机械危险防护

发动机及其附属装置的旋转件(风扇、皮带等)均装有防护罩壳，以防止异物卷入其中。

除电器元件外，发动机旋转零部件与其他固定件之间的间隙至少为运动件最大直径的1/100，并且最小不小于1mm。

2.7 热表面防护

燃料供给装置与排气管之间的距离按规定大于100mm，距离在100～200mm之间，并设有固定可靠的隔热防护板。储气罐安装位置远离热源，以保证其工作环境温度不高于60℃。

发动机的润滑油滤清器安装在旋转零件下方，并远离高温表面，同时，将滤清器泄漏的润滑油引离高温表面、旋转零件、电器元件和进气系统。

2.8 电器防护

发动机的控制和辅助电路均装有熔断器，以防止短路或过电流。电控系统的设计可使电压低于蓄电池名义总电压的15%，以避免危及控制功能和安全性。

发动机所用电子电器组件在电磁辐射环境中能保持正常工作，发动机及配套装置的无线电干扰特性均符合相关行业标准的规定。

2.9 静电防护

为了使发动机达到电势平衡，所有与外部接触的零部件均用导体连接到发动机气缸体上。为防止静电累积，发动机及配套装置上的所有金属零部件都有良好的对地导电性，其对地电阻不大于 106Ω。

传动皮带的抗静电性能符合GB/T 10715—2002《传动带多楔带、联组V带及包括宽V带、六角带在内的单根V带抗静电带的导电性：要求和试验方法》规定的最大电阻限值。

2.10 排放

发动机的污染物排放水平应符合GB 14762—2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》规定的排放限值。

2.11 噪声

按GB/T 1859—2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量 工程法及简易法》规定测量的发动机噪声水平应符合相关行业标准的要求。测试时的噪声源包括沼气发电机组、冷却系统风扇和进排气系统。

2.12 耐久性

对沼气发电机组，应按GB/T 1147.2—2007《中小功率内燃机 第2部分：试验方法》中第9章的规范(表2)进行1000h耐久试验。

表2 耐久试验规范

3 试验验证

按照GB/T 1147.2—2007《中小功率内燃机 第2部分：试验方法》的规定，进行沼气发电机组起动性能试验。在环境温度不低于5℃时，不采用任何机外措施，发动机应能顺利起动。当温度在-5～-10℃范围时，机油和冷却水经预热后，机组亦能顺利起动。

采用火花点燃的沼气发动机，起动后可以平稳地从怠速进入全负荷工况，在基准环境条件下，其最大功率可达60kW。图2示出分别采用空燃比调节和节流阀调节(空燃比1.15)控制方法对发动机性能的影响。其调速特性符合GB/T 2820.5—1997《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第5部分：发电机组》的要求，达到1级水平(表3)。

图2 不同功率控制方法对发动机性能的影响

项目参数稳态特性标定调速率/%15稳态转速波动率/%1.5动态特性瞬时转速差率/%10转速恢复时间/s5

按GB 14762—2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》的规定，进行发动机排放测试(表4)。结果表明，在低负荷区，较低的燃烧温度使CO和碳氢化合物(HC)排放增多。随着负荷的增加，较高的燃烧温度抑制了CO和HC排放的增加，但在高负荷区，沼气含量的增加使着火延迟期增加，致使燃烧温度逐步提高。当负荷升高到70%～80%时，氮氧化物(NOx)排放达到最高值。

表4 沼气发电机组排放试验结果 g/(kW·h)

虽然本试验未对噪声进行测量，但明显察觉到沼气发动机的噪声要比同功率汽油机的高，比柴油机的低。

此外，还对沼气发电机组进行1000h耐久试验。结果表明，燃气供给系统的所有零部件均能经受高速、高负荷的考验，未出现任何需要停机检修的一般故障或严重故障。对发动机进行点火开关无法打开、发动机熄火和沼气管路破裂等突发事件的模拟故障试验，证实其安全控制装置能自动切断燃气供给，保证机组的安全运行。

4 结语

随着我国石油资源对外依存度的不断升高，代用燃料正受到广泛关注。试验研究表明，开发生物质气发电机组对实现国家节能减排战略目标将具有重大的经济效益和战略意义。

生物质气发电机组在中高负荷时有恒定的高热效率，尤其适用于发电用固定式发动机。但是，在稀混合气的低负荷区，由于发动机容易失火，导致热效率较低。

就目前的初步试验结果来看，为生物质气发电机组设计的安全防护措施可以保证发动机的安全可靠运行。但是，该发电机组的污染物排放水平还不能满足点燃式发动机国Ⅱ排放限值的要求。因此，在继续改进缸内燃烧过程的同时，采用机外排气后处理系统将是必不可少的措施。

[1] Reciprocating internal combustion engine driven generating sets-safety. EN 12601, 2001.

[2] Road vehicles—Compressed natural gas (CNG) fuel systems，Part 1：Safety requirements. ISO 15501-1, 2001.

2015-02-03)