沼氣內燃機發電機組的改造與應用案例

摘 要 沼氣工程技術是治理有機廢棄物污染的重要技術，沼氣發電是促進沼氣工程推廣應用的最直接手段。因地制宜地利用生物質能資源生產的沼氣進行發電，開發適合家庭使用的可移動沼氣內燃機發電機組是解決廣大偏遠地區農村用電難，以及經濟落后地區個體工商戶避免用電荒的重要舉措。為此，以輕便及小功率定位的沼氣內燃機發電機組隨之誕生。

關鍵詞 內燃機改造 沼氣發電

一、前期信息匯總

在廣東江門市新會農機定點試驗農戶集中的羅坑鎮，找到種豬養殖戶；該養殖戶農場占地26畝，主要用于林木栽種，水產養殖，種豬及乳豬養殖（總量約250頭）；場內建有三個沼氣池進行發酵存儲沼氣，沼氣池總體積約46m3。沼氣的發酵原料為人畜糞便以及農作物秸稈等，而沼氣池發酵后排出的料液和沉渣，可作為種植肥料或養魚飼料使用。該農場日常用電主要用于魚塘增氧、照明、豬棚供暖以及一般的生活用電，用電量約3～4kw/天。

二、設計改造思路

沼氣內燃機發電機組的內燃機設計建立在單缸柴油機上進行；單缸柴油機所選型號為德力牌DLH1110；通過對柴油機進行汽化燃料的改進，包括進氣系統、調速系統改進，和新增點火系統，并結合沼氣燃燒的特性制定出一套閉環控制策略，以單片機為中心開發出沼氣燃料發動機電子控制單元，最后通過對控制單元進行試驗驗證，使柴油機能夠改造成為沼氣內燃機。發電機采用三相Y型發電機，發電機額定功率5KVA，與沼氣內燃機通過聯軸器連接，實現同軸傳動。

（1）改造項目：

以額定轉速1500r/min；最低空載轉速700r/min的要求對氣缸蓋和燃燒室進行改造。根據典型沼氣組成與熱值（JB/T10629-2006表C.6）可推算出沼氣平均分子量約為26.4，設混合器中沼氣、空氣的壓力相等，設空燃比為5.5，由伯努利方程推算可得沼氣、空氣進氣管直徑比約為2.4。氣缸蓋取消噴油器，在原有噴油器安裝孔的位置改造成火花塞安裝孔。活塞方面，改變燃燒室的型式，由“ ”型改為“浴盆”型，并將原來柴油機的壓縮比18比1改為10.5比1。

氣缸體改動部分，取消噴油泵安裝孔，取消調速杠桿等各機械式調速零件。同時在曲軸的末端增加轉速采集裝置，對曲軸轉速和上止點信號進行采集以供ECU調節沼氣進氣量和空燃比用。

（2）新增項目：

增加12v電瓶、電磁閥、零壓閥、閉環執行器、點火系統、壓力傳感器、氧傳感器、水溫傳感器和轉速傳感器等，通過ECU控制電子節氣門位置以及沼氣內燃機的點火時間。

沼氣管路系統當中增加專用的阻止閥，消除回火造成的爆炸隱患；同時在沼氣池通往沼氣內燃機混合器的管道上，增加脫硫器和增壓泵，保證了沼氣發動機有高純度、高壓力的沼氣供給，避免因沼氣的含硫物質損壞發動機的燃燒系統。

（3）控制策略

包括控制單元控制策略與算法分析、控制單元的程序開發；沼氣發電機組控制單元的工作流程可分為三個部分：第一個是初始化部分，這時控制單元根據流程對發電機組的各部分進行初始化操作，檢查系統性能狀態。第二部分為主程序，包括沼氣發動機的起動與運行，控制系統需要不斷地采集相關信息，并對數據進行處理和變換，使沼氣發動機能夠在最佳狀態上運行。第三個部分為中斷服務程序，系統將定時檢測運行的壓力和溫度的數據，若壓力或溫度異常，系統將會調節處理。

通過設計改造的沼氣內燃機發電機組技術指標如表1：

表1

三、用戶使用報告

沼氣發電機組每天工作時間約為3小時，穩定性方面，夏季與冬季產生一定的差距：夏季沼氣生成時間快，氣源相對充足，發電機組穩定；在冬季，特別是溫度低于10℃時，氣源生成緩慢，隨著沼氣濃度下降，沼氣發電機組受到一定影響，有時一天要起動和停機數次，使用不太方便。

水耗方面，沼氣發電機組表現較好，在夏天炎熱的天氣下曝曬，連續工作時沼氣發動機水箱的水沒有出現開鍋現象，每月散熱器的補水量約0.5升，當氣溫較低時可兩個月加一次水，水消耗較少、比較節水。

噪音及排放方面，與柴油機相比明顯小很多，而且排出的廢氣顏色都非常淡，沼氣發電機組周邊聞不到其他異味。

冷起動方面，每次起動需要5秒左右，但冬季特別是溫度低于10℃或濕度較大時起到時間會略長，約十多秒才能完成起動。

穩定性方面，當沼氣量不足或濃度下降時，沼氣機組發電效率迅速下降，沼氣內燃機甚至自動停機。

四、使用結論

可移動的小型沼氣發電機組受到廣大農戶的稱贊，小型沼氣發電機組能夠讓農戶使用沼氣自主發電，資源充分利用。然而在推廣使用上仍需解決部分問題：

（1）需考慮增加發電控制模塊，讓農戶在用電需求少的情況下減小用氣和發電量。

（2）初期投資費用較大，需要配套建設沼氣池及相關管道等，普通用戶不一定接受，建議政府部門能提供相關農機補貼，以便于推廣普及。這是支持新農村建設實現農村生產水平提高和節能可持續發展的一條有效路徑。

（3）鑒于沼氣內燃機跟柴油發動機在燃燒系統上有本質上的區別，在案例應用當中，沼氣的純度、壓力等處于變化狀態，如何保證沼氣發電機組能夠平穩地運行是本案例研究的最大難點。后續改進需增加功率反饋控制策略，以及建立氣站或儲氣罐來保持沼氣的存儲量和壓力，確保沼氣內燃機發電機能夠穩定運行。

參考文獻：

[1]袁兆成.內燃機設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]王長貴，崔容強，周草.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]劉德江.沼氣工程與利用技術[M].北京：中國農業大學出版社，2008.

（作者單位：廣東德力柴油機有限公司）

（作者單位：廣東德力柴油機有限公司）