新型生物質氣發電機組的研發及應用

孟紅霞 沈艷 郭華 査麗平 黃敏勤 瞿俊鳴

(1. 上汽集團商用車技術中心，上海 200438； 2.上海內燃機研究所，上海 200438；3. 常州常發農業裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213167；4. 無錫科博增壓器有限公司，江蘇 無錫 214177；5. 江蘇四達動力機械集團有限公司，江蘇 無錫 214187)

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原 創

新型生物質氣發電機組的研發及應用

孟紅霞1,2沈艷4郭華1,2査麗平3黃敏勤5瞿俊鳴1,2

(1. 上汽集團商用車技術中心，上海 200438； 2.上海內燃機研究所，上海 200438；3. 常州常發農業裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213167；4. 無錫科博增壓器有限公司，江蘇 無錫 214177；5. 江蘇四達動力機械集團有限公司，江蘇 無錫 214187)

針對生物質氣發電機組易燃易爆的安全隱患，開展產品安全要求和防護措施的研究，為先進環保型產品的推廣應用提供試驗驗證。

生物質氣 沼氣 發電機組 安全要求 防護措施

0 前言

隨著國民經濟的高速發展，我國已成為世界內燃機制造大國，但同時也存在能源短缺和污染嚴重的問題，內燃機耗能和排污嚴重的問題已成為制約國民經濟增長的瓶頸。

為實現國家節能減排的戰略目標，開發和生產生物質氣發電機組，以廢棄的秸稈等為原料，在高溫缺氧條件下，使其不完全燃燒和熱解，生成秸稈氣；或以動物排泄物等為原料，在厭氧條件下，依靠厭氧菌將其轉化為發電機組可用的沼氣，對解決能源短缺和環境污染問題將具有重大的經濟效益和戰略意義。

但生物質氣發電機組存在易燃易爆的隱患，如何安全使用將關系到這一新型節能環保產品的可持續發展。為此，本文針對該機組的安全風險，開展產品安全設計和防護措施方面的研究，為建設資源節約型和環境友好型發動機工業體系提供技術支撐。

1 試驗裝置

試驗用沼氣發動機技術規格列于表1。圖1為沼氣發電機組及燃料供給系統示意圖。

表1 沼氣發動機技術規格

圖1 沼氣發電機組及其燃料供給系統示意圖

為保證生物質氣發電機組的運行安全可靠，生物質氣在使用前經脫水、脫硫、除塵和除焦油處理，要求焦油含量小于20mg/m3，總硫量小于200mg/m3，硫化氫含量小于20mg/m3，水分小于20mg/m3，雜質粒徑小于5μm，雜質含量小于10mg/m3。并且，與生物質氣接觸的零部件材質應能與生物質氣兼容。采用的黑色金屬零部件均經過電鍍、化學處理或涂漆等防腐處理。

2 安全要求和防護措施

針對沼氣發電機組存在易燃易爆的安全隱患，參照國際安全標準的要求[1，2]，從分析安全風險入手，對采用往復式內燃機驅動的沼氣發電機組進行安全設計和防護措施研究。

2.1 起動系統

發動機所裝備的電起動裝置可確保操作者按使用說明書起動時安全運行，并根據實際需要設置相應的警示標記。

發動機起動后，起動裝置按規定程序自動脫開。發動機裝備的盤車機構與起動裝置之間設有安全聯鎖裝置，當盤車齒輪處于嚙合狀態時，發動機不會自行起動。

2.2 正常停機

發動機具有手動和自動控制的正常停機裝置。停機通過切斷點火來實現，并同時切斷供氣，以保證停機安全可靠。只有當停機裝置手動復位后，才能重新起動發動機。

2.3 緊急停機

發動機裝有緊急停機系統。該機組采用手動控制的緊急停機裝置，其動作比正常停機裝置更加快速有效，可以及時斷開危險元器件與驅動機構，必要時可進行制動，使發動機停機。

自動控制的緊急停機裝置可根據發動機超速、潤滑油油壓過低或冷卻液溫度過高，以及發電機電壓過高或地線接錯等危險狀況，發出報警并自動停機。

2.4 報警裝置

報警裝置發出的視覺信號(如閃光燈)和聽覺信號(如報警器)可用于警示發動機起動或超速等即將發生的危險情況，并可作為自動保護措施，在激發前對操作者進行警示。

報警裝置的設計和配置查看方便，可在發動機運轉或停機時檢驗其功能是否正常。

2.5防爆裝置

發動機氣缸蓋進氣口和燃空混合器之間裝有阻火器，用以防止燃空混合器和進氣系統的回火。進排氣管和曲軸箱蓋上裝有防爆安全閥，可預防未燃混合氣的爆炸。

當發生發動機點火開關不能打開、發動機故障停機和熄火或沼氣管路破裂等情況，燃氣供給系統能自動切斷沼氣的供給。

2.6 機械危險防護

發動機及其附屬裝置的旋轉件(風扇、皮帶等)均裝有防護罩殼，以防止異物卷入其中。

除電器元件外，發動機旋轉零部件與其他固定件之間的間隙至少為運動件最大直徑的1/100，并且最小不小于1mm。

2.7 熱表面防護

燃料供給裝置與排氣管之間的距離按規定大于100mm，距離在100～200mm之間，并設有固定可靠的隔熱防護板。儲氣罐安裝位置遠離熱源，以保證其工作環境溫度不高于60℃。

發動機的潤滑油濾清器安裝在旋轉零件下方，并遠離高溫表面，同時，將濾清器泄漏的潤滑油引離高溫表面、旋轉零件、電器元件和進氣系統。

2.8 電器防護

發動機的控制和輔助電路均裝有熔斷器，以防止短路或過電流。電控系統的設計可使電壓低于蓄電池名義總電壓的15%，以避免危及控制功能和安全性。

發動機所用電子電器組件在電磁輻射環境中能保持正常工作，發動機及配套裝置的無線電干擾特性均符合相關行業標準的規定。

2.9 靜電防護

為了使發動機達到電勢平衡，所有與外部接觸的零部件均用導體連接到發動機氣缸體上。為防止靜電累積，發動機及配套裝置上的所有金屬零部件都有良好的對地導電性，其對地電阻不大于 106Ω。

傳動皮帶的抗靜電性能符合GB/T 10715—2002《傳動帶多楔帶、聯組V帶及包括寬V帶、六角帶在內的單根V帶抗靜電帶的導電性：要求和試驗方法》規定的最大電阻限值。

2.10 排放

發動機的污染物排放水平應符合GB 14762—2002《車用點燃式發動機及裝用點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》規定的排放限值。

2.11 噪聲

按GB/T 1859—2000《往復式內燃機輻射的空氣噪聲測量 工程法及簡易法》規定測量的發動機噪聲水平應符合相關行業標準的要求。測試時的噪聲源包括沼氣發電機組、冷卻系統風扇和進排氣系統。

2.12 耐久性

對沼氣發電機組，應按GB/T 1147.2—2007《中小功率內燃機 第2部分：試驗方法》中第9章的規范(表2)進行1000h耐久試驗。

表2 耐久試驗規范

3 試驗驗證

按照GB/T 1147.2—2007《中小功率內燃機 第2部分：試驗方法》的規定，進行沼氣發電機組起動性能試驗。在環境溫度不低于5℃時，不采用任何機外措施，發動機應能順利起動。當溫度在-5～-10℃范圍時，機油和冷卻水經預熱后，機組亦能順利起動。

采用火花點燃的沼氣發動機，起動后可以平穩地從怠速進入全負荷工況，在基準環境條件下，其最大功率可達60kW。圖2示出分別采用空燃比調節和節流閥調節(空燃比1.15)控制方法對發動機性能的影響。其調速特性符合GB/T 2820.5—1997《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第5部分：發電機組》的要求，達到1級水平(表3)。

圖2 不同功率控制方法對發動機性能的影響

項目參數穩態特性標定調速率/%15穩態轉速波動率/%1.5動態特性瞬時轉速差率/%10轉速恢復時間/s5

按GB 14762—2002《車用點燃式發動機及裝用點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》的規定，進行發動機排放測試(表4)。結果表明，在低負荷區，較低的燃燒溫度使CO和碳氫化合物(HC)排放增多。隨著負荷的增加，較高的燃燒溫度抑制了CO和HC排放的增加，但在高負荷區，沼氣含量的增加使著火延遲期增加，致使燃燒溫度逐步提高。當負荷升高到70%～80%時，氮氧化物(NOx)排放達到最高值。

表4 沼氣發電機組排放試驗結果 g/(kW·h)

雖然本試驗未對噪聲進行測量，但明顯察覺到沼氣發動機的噪聲要比同功率汽油機的高，比柴油機的低。

此外，還對沼氣發電機組進行1000h耐久試驗。結果表明，燃氣供給系統的所有零部件均能經受高速、高負荷的考驗，未出現任何需要停機檢修的一般故障或嚴重故障。對發動機進行點火開關無法打開、發動機熄火和沼氣管路破裂等突發事件的模擬故障試驗，證實其安全控制裝置能自動切斷燃氣供給，保證機組的安全運行。

4 結語

隨著我國石油資源對外依存度的不斷升高，代用燃料正受到廣泛關注。試驗研究表明，開發生物質氣發電機組對實現國家節能減排戰略目標將具有重大的經濟效益和戰略意義。

生物質氣發電機組在中高負荷時有恒定的高熱效率，尤其適用于發電用固定式發動機。但是，在稀混合氣的低負荷區，由于發動機容易失火，導致熱效率較低。

就目前的初步試驗結果來看，為生物質氣發電機組設計的安全防護措施可以保證發動機的安全可靠運行。但是，該發電機組的污染物排放水平還不能滿足點燃式發動機國Ⅱ排放限值的要求。因此，在繼續改進缸內燃燒過程的同時，采用機外排氣后處理系統將是必不可少的措施。

[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)