纯沼气发电技术试验初探

尤滨乾，杨 丽，陆志杰

(海宁市新能源技术服务站，浙江 海宁 314400)

纯沼气发电技术试验初探

尤滨乾，杨 丽，陆志杰*

(海宁市新能源技术服务站，浙江 海宁 314400)

试验以100GF-ZC沼气发电机组为对象，研究了点火提前角对机组排温和功率的影响，以及过量空气系数与机组排温、功率、热效率之间的关系；并在此基础上，对点火提前角和过量空气系数进行了优化设置，为进一步研发更高性能的纯沼气发电机组提供科学依据。

沼气发电； 过量空气系数； 点火提前角； 功率

浙江省海宁市同仁养殖园区常年存栏生猪约6 000头，2005年建成沼气工程1座，厌氧池容1 000 m3，年产沼气约16万m3。鉴于园区日常炊事用气有限，为解决富余沼气空排问题，当时引进了2台沼气发电机，功率分别为50和150 kW[1]。由于2台发电机均采用“沼气-柴油”双燃料混合动力，随着油价高涨，运行成本不断提高，园区于2010年引进50 kW纯沼气发电机组1套。为保障机组稳定运行，海宁市新能源技术服务站协调生产厂家温州中盛畜牧设备有限公司在园区内设立服务网点，同时建立组装调试车间共同开展更高性能的纯沼气发电机组的研发工作[2]。本文以100GF-ZC沼气发电机组的试验研发为实例，对影响沼气发电机组运行性能的主要参数及其互为相关性进行了探讨，以期进一步推动沼气发电技术发展。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在浙江省海宁市斜桥镇同仁养殖园区进行。供试沼气发电机组由温州中盛畜牧设备有限公司生产，型号为100GF-ZC，额定功率100 kW，额定转速1 000 r·min-1，额定电压400 V，额定电流180 A，额定频率50 Hz，额定功率因数0.8滞后。供试沼气取自同仁沼气工程，甲烷浓度约59%。其他主要试验仪器设备有气体分析仪、气体流量计、气体温度计、水温计、手持转速表、万用表等。

1.2 方法

试验分为2部分。第一部分，研究点火提前角对排气温度和功率的影响，并确定合理的点火提前角；第二个部分，研究过量空气系数λ对功率和排气温度、发动机失火、沼气耗气率的影响，并确定合理的λ值[3-5]。

点火提前角和负荷对排气温度的影响。使用电子调速器，观察记录转速固定为1 000 r·min-1，点火提前角分别设定为23°、24°、25°、26°、27°，负荷分别为0、25、50、75、100 kW时的排气温度。

点火提前角对功率的影响：取消电子调速器。观察记录转速为1 000 r·min-1，节气门固定，点火提前角分别为23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°时的功率值。

过量空气系数λ对功率和排气温度的影响。节气门全开，观察记录转速为1 000 r·min-1，过量空气系数λ值分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4时的排气温度和功率值。

过量空气系数λ对发动机失火的影响。使用电子调速器，观察记录发电机组分别在转速600 r·min-1、负荷0 kW，和转速1 000 r·min-1、负荷70 kW时，过量空气系数λ值分别调整为1.0、1.1、1.2……，直至出现发动机失火时的碳氢化合物浓度。

过量空气系数λ对耗气率的影响。转速为1 000 r·min-1，负荷为80 kW，观察记录过量空气系数λ值分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5时的沼气耗气量。

2 结果与分析

2.1 点火提前角和负荷对排气温度的影响

由表1可知，机组排气温度随点火提前角的增大而减小，随负荷的增大而增大。相对于负荷来说，点火提前角对排气温度的影响更为明显，因此，点火提前角是决定排气温度的重要因素。

表1 不同点火提前角和负荷下的排气温度

2.2 点火提前角对功率的影响

在进气量一定的情况下，增大点火提前角，发电机功率先升高再回落。点火提前角分别为23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°和32°时，发电机功率分别达到105、108、110、112、114、116、117、117、117、114 kW。功率值出现反转的原因可能是：点火提前角过大时，活塞未到达上止点就开始点燃沼气做功，从而抵消了一部分有用功，致使总功率减小。根据经验，建议采用的点火提前角为99%最大负荷功率值对应的点火提前角减小4°，即为24°。

2.3 过量空气系数λ对功率和排气温度的影响

由表2可知，降低排气温度可以通过增大过量空气系数λ值实现，增大功率可以通过减小λ值实现，两者互为矛盾。因此，既要保证机组在较大功率下运行，又要降低排气温度使机组运行稳定，必须在降低λ值的同时采取其他辅助手段进一步降低排气温度，以保证机组运行的可靠性。

表2 不同过量空气系数下的排温和功率

2.4 过量空气系数λ对发动机失火的影响

由表3可知，随着过量空气系数λ值的增大，碳氢化合物浓度([HC])先减小再急剧增大。尾气排放浓度出现反转的原因是空气过量导致发动机出现失火现象。当转速为600 r·min-1时，λ≤1.3基本不出现失火现象；当转速达到1 000 r·min-1时，λ≤1.5基本不出现失火现象。

表3 不同过量空气系数下的碳氢化合物浓度

2.5 过量空气系数λ对耗气量的影响

由表3可知，随着过量空气系数λ值的增大，单位发电量的沼气消耗率减少，即沼气热效率提高，λ值为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，耗气率分别为0.78、0.74、0.71、0.69、0.67、0.65、0.64、0.64 m3·(kW·h)-1。结合前面的过量空气系数试验，为使发电机组在较高功率、较低排气温度和较高沼气利用效率的情况下正常运转，同时确保不发生失火现象，建议采用过量空气系数λ值为1.3。

3 小结

本试验以温州中盛畜牧设备有限公司100GF-ZC沼气发电机组为研究对象，分析了点火提前角和过量空气系数对沼气发电过程的影响规律。试验结果表明，随着点火提前角的增大，机组排气温度降低，功率先增大再减小；随着过量空气系数λ的增加，功率和排气温度减小，沼气热效率提高，当λ值过大时发动机会出现失火现象。通过对以上主要参数之间的互为关系进行综合分析，提出将该机组的点火提前角设为24°，过量空气系数设为1.3比较合适。试运行情况显示：在该参数设置下，机组启动顺畅，运转稳定，排气温度在合理范围内。结合于华等[6]的研究，采用增压中冷稀燃技术可以有效缓减各方面因素对过量空气系数λ取值的影响和制约作用，下一步可以此为主要技术方向，进一步提高沼气发电机组的功率，增强系统可靠性，并提升沼气利用效率。

[1] 董飞青. 利用太阳能提高猪粪生物质能转化的综合生态工程[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.

[2] 张国听, 尤滨乾. 浅议沼气综合利用工程的维修与改造：以浙江海宁同仁养殖园区沼气工程为例[J]. 安徽农学通报, 2017 (6): 131-132.

[3] 徐广印.农村户用沼气发电装置性能研究[C]//中国科学技术协会, 河南省人民政府. 第十届中国科协年会论文集(三). 2008: 6.

[4] 黄昌鸿. 散居农户小型发电机组改燃沼气燃烧特性试验研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2015.

[5] 张斌, 王丽娜. 沼气发电系统综述[J]. 科技视界, 2014 (6): 272-273.

[6] 于华, 马相明, 许自顺, 等. 增压中冷稀燃天然气发动机燃烧特性试验研究[J]. 内燃机, 2014 (6): 33-36.

2017-09-30

尤滨乾(1981—)，男，浙江海宁人，工程师，学士，从事农村能源技术推广工作，E-mail: 420061753@qq.com。

陆志杰，E-mail: 383302214@qq.com。

文献著录格式：尤滨乾，杨丽，陆志杰. 纯沼气发电技术试验初探[J].浙江农业科学，2017，58(12)：2103-2104，2107.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171206

S216.4

A

0528-9017(2017)12-2103-02

侯春晓)