基于AVL-fire仿真下的燃气发电机组改进升级

乔小杰

(西山煤电集团 技术中心，山西 太原 030053)

预燃式燃气发电机组在高浓度瓦斯发电中具有显著优势，作为瓦斯发电机组的关键部分，燃气配气系统的稳定运行对正常发电起着至关重要的作用[1].本文通过对屯兰瓦斯电厂4#机组20 000 h保养大修时发现的积碳问题进行诊断，并通过软件仿真得到发动机组的主要性能参数，进而形成燃气发电机组升级与改进的意见，保证该电厂的稳定运行。

1 大修保养发现的问题及诊断

屯兰瓦斯电厂4#瓦斯发电机组采用的是由颜巴赫公司生产的JMS620GS-S.L四冲程V型(60°)水冷式发动机，燃气发动机的电子点火系统和爆燃探测调整装置采用电子模块控制，燃气压力在20 kPa.JMS620 GS-S.L燃气发动机采用稀薄燃烧技术，吸入更多空气与燃气充分燃烧，降低燃料消耗率[2].20 000 h保养项目主要包括：更换缸套、活塞环、连杆轴瓦、连杆螺丝、缸头垫片、减震器、发电机联轴器等46项。保养工艺主要为拆装研磨缸头，拆装研磨活塞，拆装研磨缸套，拆装紧固连杆及连杆瓦等，最后进行机组整体调试。

1.1 主要问题汇总

拆除缸盖及活塞时，发现缸头底部平面及活塞头部顶面存在大量积碳及结晶盐(图1、2)，进排气门裙部、气门杆、气门座存在多处刺蚀(图3)，缸套周围有轻微拉痕(图4).

图1 缸头底部、进排气门周围情况图

图2 活塞顶部情况图

图3 进排气门裙部、气门杆、气门座情况图

1.2 问题诊断

针对大修保养出现的结晶盐及积碳较多的情况，对屯兰瓦斯电厂入口处的瓦斯成分进行分析，结果见表1.由表1可以看到，滤除杂质后进入机体的瓦斯主要成分为N2、CH4，颗粒杂质主要为煤粉、煤矸。通过test气体成分检测仪对发电机组尾气进行分析，尾气成分见表2.

表1 4#机组入口瓦斯成分表

表2 4#机组出口尾气成分表

由表1和表2可以看出,产生结晶盐和积碳的主要原因是杂质较多且部分粒度超过5 μm，造成瓦斯气体不够清洁。

其次，活塞环、油环、气环变形也是导致机组拉缸的重要原因。活塞与缸套之间的润滑系统采用的是机油，因此考虑机油是否已发生变质，需要对润滑系统机油进行化验分析。屯兰瓦斯电厂采用的是道达尔(型号：TOTAL NATERIA MH40)低灰不可燃机油，经过运行1 950 h后的化验报告见表3.

化验报告结论建议：该油品理化指标基本正常；设备磨损状态基本正常；请定期监测。从表3可以看出，机油品质是正常的。鉴于此，需要对积碳和结晶盐产生的化学机理进行进一步的理论分析和计算机仿真模拟。

表3 机油化验报告表

2 热力学分析

瓦斯发电机组运行过程中，随着火花塞点火开始，缸内就伴随着各类热辐射变化和化学反应，缸内压力也随着曲轴转角变化时刻改变。产生积碳和结晶盐的另外一个原因是燃烧过程不充分，火焰在气缸内的传播形式主要包括湍流、射流和紊流[3].通过仿真计算，可以分析得到最接近于实际情况的结果。

2.1 缸内燃烧模型建立

屯兰瓦斯电厂采用的发电机组主燃烧室形状是标准圆柱形的，由缸头底平面与活塞头部平面组成，由火花塞点燃预燃室内的高压高浓瓦斯(压力：0.35～0.4 MPa,CH4浓度：25%～30%).然后通过设置在预燃烧室上的8个小孔喷射出的高速火焰到达主燃烧室，并在其中进行稀薄混合燃烧。本文发动机组的主要参数见表4[4].

表4 JSM620 GS-S.L燃气发动机技术参数表

2.2 计算模型和边界条件

首先建立发动机气缸网格化模型，预燃室喷射小孔均匀分布，且相邻喷孔夹角呈45°，同一平面内两喷孔夹角为155°,喷孔直径为1.6 mm.为了使模拟更接近于发动机工作的实际状况，参考了实验室数据CH4在气缸中反应速率为2.6×10-7mol/cm3·s，温度边界条件取经验值，见表5.

表5 温度边界条件表

2.3 计算结果及分析

采用AVL-fire软件对瓦斯发动机组缸内辐射换热多维数值模拟,以活塞运动到上止点时曲轴转角为0 ℃A发动机点火提前角为-9.5 ℃A.在瓦斯发动机组工作过程中，内部燃烧发生着复杂的化学变化，随着运行时间变化，缸内积碳和结晶盐增加，辐射率也随之增加(黑体辐射率为1)，其壁面的辐射率也发生改变，实验中采用了4种不同辐射率进行对比，假定辐射率分别为0.6、0.7、0.8、0.9，实验得到活塞顶部辐射热流密度随辐射率的变化曲线(图5)以及缸盖底部辐射热流密度随辐射率的变化曲线(图6).

图5 活塞顶部辐射热流密度随辐射率的变化曲线图

图6 缸盖底部辐射热流密度随辐射率的变化曲线图

从图5和图6可以看到,从火花塞点火开始到活塞离开上止点后30 ℃A时缸盖底部与活塞顶部热流密度逐渐升高，随着曲轴继续旋转，缸内热流密度波动下行，此时缸内压力也随之下行(图7).从图5可以看到，随着活塞顶部积碳增加，气缸内辐射热流增加，导致气缸散热不良，气缸排气温度上升，这也无形中增加了活塞变形几率，从而导致拉缸。

图7 发动机缸压随曲轴转角变化曲线图

随着曲轴转角的变化，缸盖壁面的辐射热流密度是时刻变化的，运用软件进行多维瞬态仿真模拟(图8).从图8可以看到,火花塞点火后到曲轴运转到10 ℃A过程中，缸内辐射热流主要集中在预燃室喷孔附近，其他区域均匀分散。当曲轴转角接近30 ℃A时，缸盖底部中心受热明显集中，并向周围扩散，且此时气门座附近积聚热流，温度急剧升高。随着曲轴转角继续增大，活塞下行，缸盖底部中心受热减弱并均匀向四周扩散。在火焰传播过程中，气缸内射流、紊流、湍流叠加存在，由于缸内受热不均匀，给积碳和结晶盐的产生提供了便利条件。

图8 曲轴转角0～90 ℃A时缸盖底部热辐射图

3 大修意见

3.1 大修理改进意见

1)对可能造成机油污染的曲轴箱呼吸器滤芯进行及时更换，并将原有滤芯送检。2)对可能造成气源污染的燃气滤芯、阻火器进行更换，并将原有滤芯送检。3)对于积碳和结晶盐引起的缸温升高和气缸拉缸现象，按照保养内容对缸盖底座进行打磨；更换刺蚀损坏的气门和气门座圈。4)对存在拉缸的缸套进行研磨，更换活塞环，连杆螺栓。

3.2 升级方案

1)原火花塞已使用达到3 000 h,更换为原厂火花塞，并重新调整气门间隙。2)原点火提前角经过长时间运行会出现偏移，进一步优化点火正时，保证各缸排温、气门噪声均匀，无明显偏差。3)原混合器开度角(稀燃调节器)经过长时间运行会出现偏移，进一步优化混合器开度角，以达到最佳空燃比、稀燃比，确保无爆震现象。

3.3 运行指导意见

1)大修后当入口瓦斯明显波动时，及时降低负载运行。2)按照润滑油周期，按时更换机油、机油滤芯、加注润滑脂。3)当点火电压≥30 kV时，及时停机调整火花塞间隙，当火花塞使用超过3 000 h时，及时更换火花塞。4)按照空滤保养时间要求，按周期更换一级、二级空滤、燃滤、曲轴箱呼吸器滤芯。5)监控气缸排温、机油温度压力、预压压差、混合气压力、冷却液温度在规定范围内无明显偏差。

4 保养升级后机组运行状态

屯兰瓦斯电厂2#机组经过以上保养升级后，发动机组功率曲线、充气压力、发动机转速均稳定运行(图9)，机组实现满载运行。

图9 发动机组运行曲线图

5 总 结

通过发电机组大修保养发现问题，并对问题诊断治疗，运用软件计算模拟，逐步查清问题导向，进而解决问题，提出科学系统的升级改进意见。另外此次研究也反映出积碳和结晶盐对发电机组的危害巨大，运用AVL-fire软件多维模拟可以较好地反映发电机组运行工况，对于提高发电机组性能，维护保养发动机组具有深刻意义。