燃气往复式内燃机空燃比控制研究分析

王桂钧 陈康成

（中海石油（中国）有限公司海南分公司， 海南 海口 570100）

1 背景情况

某海上天然气生产平台主电站配置有1台美国通用（GE）公司生产的瓦克夏（WAUKESHA）16V275GL+见图1.1）燃气往复式内燃机组。该机组为16缸、4冲程、预燃室式、稀燃式、V 配置发动机。汽缸总排气量为285 L (17,398 cu. in.) ，发动机采用天然气操作，设计特点是油耗低，废气排放量少。

图1.1：往复式发动机

2 空燃比控制原理

Waukesha 16V 275GL +燃气往复式内燃机使用的是氮氧化物空燃比控制系统（见图2.1），用于控制发动机的空燃比（空气与燃料气的比例）。燃气与空气在文丘里式混合室混合，形成一定空燃比的混合气，然后经控制阀进入发动机燃烧。

氮氧化物空燃比控制系统是一个闭环控制系统，通过监控氮氧化物传感器中实际氮氧化物和氧气的排放，并接受ECU 中关键的发动机信息，氮氧化物控制系统发挥作用。 氮氧化物控制系统将氮氧化物和氧气数值，以及ECU 的其他输入信息，转换成计算的氮氧化物 g/hp-hr or (g/Nm3)数值。 该控制系统将发动机排气计算值（单位克）与至ECU 的用户可调氮氧化物输入值进行对比。如传感器的测量值（单位克）与所需氮氧化物级别（单位克）不同，控制系统检测步进器，以调节燃油压力调节器先导装置总成的燃气/空气压力,保证机组的稳定运行。

图2.1：氮氧化物空燃比控制系统

3 空燃比调节校准

由于大功率燃气往复式发动机高平均有效压力运行区域内的空燃比范围较窄( 图3.1) ，容易发生爆震和失火[1]。因此，如何将气体发动机空燃比控制在合理范围，对于机组的稳定运行和降低排放至关重要。氮氧化物空燃比控制系统会自动对空燃比进行调节，但为保证空燃比自动调节的准确性，需根据燃料对空燃比相关参数进行调节进行设置，保证空燃比自动调节准确。其中需要调节校准的包括燃料WKI值（爆震指数）和MAS阀（燃料主调节阀）、氮氧化物传感器。

图3.1 发动机空燃比运行范围示意图

3.1 WKI值设置

燃气发动机要高效平稳运行，爆震的控制是一个至关重要的问题，可以通过测定燃料气的辛烷值、甲烷数或WKI 值等方法来衡量燃料气的抗爆震能力[2]。WKI值（爆震指数）是根据天然气组分，通过专用软件计算出的数值，用于调节合适的空燃比和点火提前角，避免机组爆震的发生。

Waukesha 16V 275GL +燃气内燃机要求燃料气热值范围为37.33-41.30MJ/Nm3，根据燃料气组分（见图3.2），使用瓦克夏专用计算软件（见图3.3），计算出WKI值为76.84，在发动机控制字系统中进行设置。燃气中重烃（C3以上）组分越大，WKI值越小。如果重烃组分过多，可能会形成液滴，在发动机中引起爆燃，造成部件的损坏。所以燃气中应尽量减少重烃的组分。

图3.2 燃料气组分

图3.3 WKI计算专用软件

3.2 MAS阀（燃料主调阀）校准

在燃油调节器和发动机V 型部位之间有一个3 英寸的主调校螺丝（MAS）（见图3.4）。 MAS阀用于调节额定速度和荷载的空燃比。

图3.4 MAS阀

发动机启动前需对MAS阀进行调节校准。MAS 阀调节校准方法如下：首先计算燃气热值，根据图3.5和图3.6，确定横坐标燃气热值对应的MAS阀开度圈数。将锁紧螺母逆时针拧松，旋转调节螺母进行调节（顺时针旋转调整为降低进气压力，减少进气量，逆时针旋转调整为提高进气压力，增加进气量），调整时要缓慢调整，每调整一圈后停下来观察各项参数变化情况（可以通过参数判断该阀是开大还是开小：如果缸温、排气温度降低，含氧量增加，说明燃气流量在减少）。一直调整到对应的开度圈数。调整完成后，将锁紧螺母锁紧，检查各项参数是否正常。

图3.5 MAS阀校准曲线

图3.6 MAS阀校准曲线

3.3 氮氧化物传感器维护校准

氮氧化物传感器安装在发动机排气管出口，对尾气中氮氧化物和氧气浓度进行检测并反馈至氮氧化物控制模块。氮氧化物传感器包括有2 个室、3 个泵( 主泵、辅助泵、测量泵) ，部分尾气导入NOx传感器第一室，通过主泵将这部分尾气中的O2泵出，，进一步去除尾气中的O2，同时在催化作用下，将NOx转化为N2和O2， 测量第二室中NOx还原反应后生成的O2含量，根据此计算出排气中NOx的含量[3]。排放的尾气中含机油添加剂、燃油污染物、密封胶释放的化合物，会缩短传感器寿命和检测精度，需要定期对传感器进行清洁并校准。校准后通过软件对发动机氮氧化物控制最大排放量进行设置（见图3.7）, 可编程的氮氧化物 范围通常是1.4-1.8 g/Nm3(0.35-0.45 g/BHPhr)。

图3.7 ESP软件点火面板画面

4 结束语

本文通过对燃气往复式内燃机空燃比控制研究，找到关键调节控制方法，将燃气往复式内燃机空燃比控制在合理范围，保证机组高性能运行。

1）燃料气热值要在要求范围，减少燃气中的重烃组分；

2）根据燃气组分设置准确的WKI值；

3）MAS阀（燃料主调阀）要进行校准，开度大小在合理范围；

4）氮氧化物传感器要定期进行清洁校验，保证测量的准确。