大功率生物质气体发电内燃机研发

兰武 邓海军 王红剑 雷爱国 肖贻鹏 陈磊 胡钟林

摘要：对生物质气体组成及燃烧特性和大功率生物质气体发电机组的开发设计进行了介绍，并对生物质气体发电机组验证过程进行了说明，验证结果达到开发要求。

关键词：生物质气发电机组;低热值可燃气体;燃气机组控制技术

0 前言

生物质能作为1种可再生能源且分布广泛，还具有低污染、来源丰富等特性。发展生物质发电产业对环境保护、废弃物的资源化利用、大气污染治理都有重要意义，具有明显的社会效益和经济效益[1]。

针对我国生物质气体发电内燃机功率小、发电效率低的现状，联合生物质气化装置制造厂家，研究人员基于12 V燃气发动机研发设计了1款发电功率为800 kW、效率高于35.1%的生物质气体发电机组。

1 生物质气体组成与燃烧特性

1.1 生物质气体组成

生物质气体是是以果壳、木料、秸秆、竹片等为原料，经气化炉热解、裂解等步骤，产出以CO、H2和低分子烃类等的可燃低热值气体，其气体组分见表1。

1.2 生物质气体的燃烧特性

在生物质气体组分中，H2、CH4、CO、C2H6为可燃成分，CO2、N2等为阻燃成分。CH4具有良好的抗爆性，且火焰传播速度小，燃烧速度慢。CO为最主要的可燃成分，但燃点较高。H2对比其他可燃成分，具有火焰传播速度快，易扩散的特点，并且火焰的传播速度随氧的浓度增加而提高[2]。这种生物质气中含有492%的N2和10%的CO2都会阻碍燃烧的正常进行，对火焰的燃烧速度起到负面影响，导致内燃机后燃严重，排气温度较高[3]。

1.2.1 混合气热值

在发动机内充分燃烧时的气体为空气与生物质气体的混合气，计算生物质气体混合气的最小低热值作为理论对比参数，计算公式为生物质气体低热值除以生物质气体刚好完全燃烧时的混合气体积，单位为MJ/Nm3。计算得出，生物质气体混合气最小低热值为2.73 MJ/Nm3。

1.2.2 甲烷值

甲烷值（MN）是衡量气体燃料抗爆燃的指标[4]。通过计算燃气的甲烷值，可以在保证发动机运行可靠的基础上，通过提高发动机的压缩比，实现发电机组发电效率的提高。按照BS EN 16726：2015[5]标准计算，得出生物质气体的甲烷值为77.9。

1.2.3 沃泊指数[4]

沃泊指数代表燃气燃烧时的热负荷。沃泊指数越相近的燃气可替换程度越高，沃泊指数增大，混合气燃烧速度增大，燃气抗爆性降低。沃泊指数减小，燃烧速度减慢，直至发动机燃烧不稳定，点火异常[4]。其计算公式为燃气的低热值与燃气相对密度的开方的比值，空气的相对密度为1，单位为MJ/m3。通过计算得出生物质气体刚好完全燃烧的混合气的沃泊指数为 2.80 MJ/m3。

2 生物质气体发动机设计开发

生物质气体发动机是基于现有天然气发动机基础上开发而成，通过生物质气体刚好完全燃烧时的燃气特性与天然气实际混合气的燃烧特性进行对比分析，可以对生物质气体发动机研发趋势进行预测。通过计算得出，实际天然气混合气低热值为2.19 MJ/Nm3，甲烷值为100，沃泊指数为2.22 MJ/Nm3。

2.1 设计任务与方案

本文生物质气体机组设计任务要求基于公司LY12V170燃气发动机，机组参数与技术指标见表2。

根据设计任务指标，结合生物质气体组成与燃烧特性制定发动机研发设计方案：

（1） 压缩比的设计与试验;

（2） 配气相位与凸轮轴设计;

（3） 混合器设计及空燃比控制;

（4） 點火系统方案设计;

（5） 安全防护与防爆装置的设计。

2.2 压缩比匹配

甲烷值可以体现可燃气体的抗爆性。甲烷值越大，表明可燃气的抗爆性越好。生物质气体的甲烷值为77.9，低于天然气的甲烷值100.0。以生物质气体为燃料的发动机需要通过试验对比确定最佳压缩比。

2.3 配气相位与凸轮轴设计

为了有利于生物质气发动机的运行，避免在扫气期间的燃料损失，减小进气管回火的危险，以及降低涡前排温，重新设定配气相位，减小气门重叠角，使生物质气发动机的配气相位和升程曲线能进一步满足动力性、经济性和排放的要求。

2.4 混合器设计及空燃比控制

在开发和应用燃气发动机的过程中，燃气混合技术是关键，燃气混合的好坏直接影响到发动机各缸做功的均匀性和稳定性。其中混合器是燃气混合技术的关键部件，直接影响到燃气混合质量的好坏。为此，研究人员专门为生物质气体发动机设计了3款混合器，分别为文丘里混合器、直管混合器和扇形混合器，用于检验燃气在低压低热值的情况下发动机的运行情况，并选出最佳混合器。

空燃比是影响发动机缸内燃烧状态的重要参数之一。发动机的空燃比控制是通过控制燃气管道燃气调节阀和空气管上的空气调节阀的开关大小来实现的。调节阀的开度大小是根据电控单元给出的各自介质流量大小、介质温度、调节阀前后压力、阀门和阀片本身结构计算得出的。

2.5 点火系统方案设计

每个气缸都配备有高动态防爆燃控制系统，以便在甲烷值较低时仍能确保发动机运行安全。在遵守排放极限值的情况下，使发动机获得最高性能和最佳效率。

点火提前角[5]自动调整技术可保证发动机一直运行在爆燃点附近，通过接收每缸的爆燃信号，实时调整相应气缸的点火提前角[6]。

2.6 安全防护与防爆装置设计

研究人员在中冷器侧进气室内安装了阻火器，并在进气管和曲轴箱内都安装了防爆装置，防止燃气混合气被点燃后能及时泄压并熄灭火源传播途径，用于保护发动机。

为监测发动机及发电机的参数，研究人员通过参数结合运行状态，及时调整发动机的运行状态，确保发动机稳定运行。如监测涡前涡后排温和每缸缸内温度。当参数超出设定范围时，传感器会发出报警信号。发动机控制系统在收到信号后，通过控制燃气空气混合气的流量，来控制功率和转速，以达到纠正相应参数的目的，保护发动机的正常运行。

3 机组发电试验研究

3.1 机组试验装置

生物质气体发动机采用集装箱撬装形式的发电机组，生物质气源由气化装置制造厂家提供，机组功率消耗使用负载柜。

为保证气源品质，研究人员在机组与气化装置之间增加了脱水、除尘、缓冲、稳压等设备，同时增加了燃气流量计，用于计算机组发电效率，并配备了燃气成分检测仪，用于检测燃气成分是否稳定。

3.2 试验运行结果

由于受到现场条件和时间的限制，验证过程只对机组运行稳定性和发电效率等有关参数进行了记录。

混合器对比试验结果如下：直管混合器机组运行稳定性最差，其次为文丘里混合器，扇形混合器的效果最好。机组选择扇形混合器，燃气空气混合最均匀，机组运行稳定性最好;配气相位设计合理，运行过程中无爆燃和回火现象，点火提前角相对于天然气机组提前了4～6 °CA。压缩比验证对比是在扇形混合器的基础上进行的，选择的2种压缩比活塞的机组都能稳定运行至额定功率800 kW，并具有较高的压缩比。

研究人员通过控制发动机缸内燃烧的温度，保证发动机燃烧室的热负荷在可控的范围内，这样既能增加发动机的可靠性、稳定性，还能降低发动机的排放参数。试验显示，2种压缩比方案下的发动机平均缸温相差不大，都是随功率增加而增加，见图1。研究目的是通过缸内燃烧实时情况调整点火提前角，保证发动机缸内温度的稳定性。

排气温度能够体现燃气在燃烧室内的燃烧效率。在一定功率段，缸内燃烧温度相同，排气温度越低，缸内燃烧越完全，发动机做功效率越高。对于增压器发动机来说，排气温度包括涡前温度和涡后温度，压缩比验证对比见图2和图3。试验显示，除了功率段0～100 kW，压缩比方案一的排气温度低于方案二，其余功率段都是方案二的排气温度更低。两者的涡前温度随功率增加而增大，涡后排温则是先增大后减小。

机组燃气消耗量是随着机组功率增加而增加的。查看燃气是否有效利用，最直观的就是发电效率。试验显示，发动机发电效率基本是随功率增加而增大的，在0～500 kW功率段，2种压缩比机组燃气消耗量和机组发电效率相差不多。在600～800 kW功率段，压缩比方案二比压缩比方案一的效率高，范围随功率增大逐渐增加，增加到一定值后，两者效率稳定在1%左右，见图4。

4 结论

本试验研究的12 V大功率生物质气发电机组可以使用以CO和H2为主要的可燃成分的低热值生物质气。压缩比、配气相位、扇形混合器、空燃比，点火系统、安全防护等验证都达到了预期效果。机组各个参数正常且能稳定运行，功率可以稳定到800 kW，额定功率时的效率超过35.1%。

此大功率生物质气体机组的研发成果填补了我国国产内燃机大功率800 kW段的空白，且机组运行效率达到国际领先水平，并为开发更大的功率段的生物质气体发动机奠定了基础。

参考文献

[1]赵巧良.生物质发电发展现状及前景[J].农村电气化，2018（3）：60.63.

[2]孟凡生，阴秀丽.燃用生物质气化气的内燃机特性分析[J].农业工程学报，2008，24（8）：104.108.

[3]章恺，刘振峰，翁一武.生物质气对内燃机发电机组特性影响的实验研究[J].可再生能源，2019，37（4）：475.481.

[4]牛家强，刘如迪，耿建辉.燃气特性对发动机性能参数的影响[J].内燃机与动力装置，2016，33（1）：5.9.

[5]郭华，计维斌， 査丽平，等.火花点燃式生物质气发动机的试验研究[J].国外内燃機，2017，（3）：60.62.