基于AVL-fire仿真下的燃氣發(fā)電機組改進升級

喬小杰

(西山煤電集團 技術中心，山西 太原 030053)

預燃式燃氣發(fā)電機組在高濃度瓦斯發(fā)電中具有顯著優(yōu)勢，作為瓦斯發(fā)電機組的關鍵部分，燃氣配氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對正常發(fā)電起著至關重要的作用[1].本文通過對屯蘭瓦斯電廠4#機組20 000 h保養(yǎng)大修時發(fā)現(xiàn)的積碳問題進行診斷，并通過軟件仿真得到發(fā)動機組的主要性能參數(shù)，進而形成燃氣發(fā)電機組升級與改進的意見，保證該電廠的穩(wěn)定運行。

1 大修保養(yǎng)發(fā)現(xiàn)的問題及診斷

屯蘭瓦斯電廠4#瓦斯發(fā)電機組采用的是由顏巴赫公司生產(chǎn)的JMS620GS-S.L四沖程V型(60°)水冷式發(fā)動機，燃氣發(fā)動機的電子點火系統(tǒng)和爆燃探測調(diào)整裝置采用電子模塊控制，燃氣壓力在20 kPa.JMS620 GS-S.L燃氣發(fā)動機采用稀薄燃燒技術，吸入更多空氣與燃氣充分燃燒，降低燃料消耗率[2].20 000 h保養(yǎng)項目主要包括：更換缸套、活塞環(huán)、連桿軸瓦、連桿螺絲、缸頭墊片、減震器、發(fā)電機聯(lián)軸器等46項。保養(yǎng)工藝主要為拆裝研磨缸頭，拆裝研磨活塞，拆裝研磨缸套，拆裝緊固連桿及連桿瓦等，最后進行機組整體調(diào)試。

1.1 主要問題匯總

拆除缸蓋及活塞時，發(fā)現(xiàn)缸頭底部平面及活塞頭部頂面存在大量積碳及結(jié)晶鹽(圖1、2)，進排氣門裙部、氣門桿、氣門座存在多處刺蝕(圖3)，缸套周圍有輕微拉痕(圖4).

圖1 缸頭底部、進排氣門周圍情況圖

圖2 活塞頂部情況圖

圖3 進排氣門裙部、氣門桿、氣門座情況圖

1.2 問題診斷

針對大修保養(yǎng)出現(xiàn)的結(jié)晶鹽及積碳較多的情況，對屯蘭瓦斯電廠入口處的瓦斯成分進行分析，結(jié)果見表1.由表1可以看到，濾除雜質(zhì)后進入機體的瓦斯主要成分為N2、CH4，顆粒雜質(zhì)主要為煤粉、煤矸。通過test氣體成分檢測儀對發(fā)電機組尾氣進行分析，尾氣成分見表2.

表1 4#機組入口瓦斯成分表

表2 4#機組出口尾氣成分表

由表1和表2可以看出,產(chǎn)生結(jié)晶鹽和積碳的主要原因是雜質(zhì)較多且部分粒度超過5 μm，造成瓦斯氣體不夠清潔。

其次，活塞環(huán)、油環(huán)、氣環(huán)變形也是導致機組拉缸的重要原因。活塞與缸套之間的潤滑系統(tǒng)采用的是機油，因此考慮機油是否已發(fā)生變質(zhì)，需要對潤滑系統(tǒng)機油進行化驗分析。屯蘭瓦斯電廠采用的是道達爾(型號：TOTAL NATERIA MH40)低灰不可燃機油，經(jīng)過運行1 950 h后的化驗報告見表3.

化驗報告結(jié)論建議：該油品理化指標基本正常；設備磨損狀態(tài)基本正常；請定期監(jiān)測。從表3可以看出，機油品質(zhì)是正常的。鑒于此，需要對積碳和結(jié)晶鹽產(chǎn)生的化學機理進行進一步的理論分析和計算機仿真模擬。

表3 機油化驗報告表

2 熱力學分析

瓦斯發(fā)電機組運行過程中，隨著火花塞點火開始，缸內(nèi)就伴隨著各類熱輻射變化和化學反應，缸內(nèi)壓力也隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化時刻改變。產(chǎn)生積碳和結(jié)晶鹽的另外一個原因是燃燒過程不充分，火焰在氣缸內(nèi)的傳播形式主要包括湍流、射流和紊流[3].通過仿真計算，可以分析得到最接近于實際情況的結(jié)果。

2.1 缸內(nèi)燃燒模型建立

屯蘭瓦斯電廠采用的發(fā)電機組主燃燒室形狀是標準圓柱形的，由缸頭底平面與活塞頭部平面組成，由火花塞點燃預燃室內(nèi)的高壓高濃瓦斯(壓力：0.35～0.4 MPa,CH4濃度：25%～30%).然后通過設置在預燃燒室上的8個小孔噴射出的高速火焰到達主燃燒室，并在其中進行稀薄混合燃燒。本文發(fā)動機組的主要參數(shù)見表4[4].

表4 JSM620 GS-S.L燃氣發(fā)動機技術參數(shù)表

2.2 計算模型和邊界條件

首先建立發(fā)動機氣缸網(wǎng)格化模型，預燃室噴射小孔均勻分布，且相鄰噴孔夾角呈45°，同一平面內(nèi)兩噴孔夾角為155°,噴孔直徑為1.6 mm.為了使模擬更接近于發(fā)動機工作的實際狀況，參考了實驗室數(shù)據(jù)CH4在氣缸中反應速率為2.6×10-7mol/cm3·s，溫度邊界條件取經(jīng)驗值，見表5.

表5 溫度邊界條件表

2.3 計算結(jié)果及分析

采用AVL-fire軟件對瓦斯發(fā)動機組缸內(nèi)輻射換熱多維數(shù)值模擬,以活塞運動到上止點時曲軸轉(zhuǎn)角為0 ℃A發(fā)動機點火提前角為-9.5 ℃A.在瓦斯發(fā)動機組工作過程中，內(nèi)部燃燒發(fā)生著復雜的化學變化，隨著運行時間變化，缸內(nèi)積碳和結(jié)晶鹽增加，輻射率也隨之增加(黑體輻射率為1)，其壁面的輻射率也發(fā)生改變，實驗中采用了4種不同輻射率進行對比，假定輻射率分別為0.6、0.7、0.8、0.9，實驗得到活塞頂部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線(圖5)以及缸蓋底部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線(圖6).

圖5 活塞頂部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線圖

圖6 缸蓋底部輻射熱流密度隨輻射率的變化曲線圖

從圖5和圖6可以看到,從火花塞點火開始到活塞離開上止點后30 ℃A時缸蓋底部與活塞頂部熱流密度逐漸升高，隨著曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，缸內(nèi)熱流密度波動下行，此時缸內(nèi)壓力也隨之下行(圖7).從圖5可以看到，隨著活塞頂部積碳增加，氣缸內(nèi)輻射熱流增加，導致氣缸散熱不良，氣缸排氣溫度上升，這也無形中增加了活塞變形幾率，從而導致拉缸。

圖7 發(fā)動機缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖

隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，缸蓋壁面的輻射熱流密度是時刻變化的，運用軟件進行多維瞬態(tài)仿真模擬(圖8).從圖8可以看到,火花塞點火后到曲軸運轉(zhuǎn)到10 ℃A過程中，缸內(nèi)輻射熱流主要集中在預燃室噴孔附近，其他區(qū)域均勻分散。當曲軸轉(zhuǎn)角接近30 ℃A時，缸蓋底部中心受熱明顯集中，并向周圍擴散，且此時氣門座附近積聚熱流，溫度急劇升高。隨著曲軸轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大，活塞下行，缸蓋底部中心受熱減弱并均勻向四周擴散。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，氣缸內(nèi)射流、紊流、湍流疊加存在，由于缸內(nèi)受熱不均勻，給積碳和結(jié)晶鹽的產(chǎn)生提供了便利條件。

圖8 曲軸轉(zhuǎn)角0～90 ℃A時缸蓋底部熱輻射圖

3 大修意見

3.1 大修理改進意見

1)對可能造成機油污染的曲軸箱呼吸器濾芯進行及時更換，并將原有濾芯送檢。2)對可能造成氣源污染的燃氣濾芯、阻火器進行更換，并將原有濾芯送檢。3)對于積碳和結(jié)晶鹽引起的缸溫升高和氣缸拉缸現(xiàn)象，按照保養(yǎng)內(nèi)容對缸蓋底座進行打磨；更換刺蝕損壞的氣門和氣門座圈。4)對存在拉缸的缸套進行研磨，更換活塞環(huán)，連桿螺栓。

3.2 升級方案

1)原火花塞已使用達到3 000 h,更換為原廠火花塞，并重新調(diào)整氣門間隙。2)原點火提前角經(jīng)過長時間運行會出現(xiàn)偏移，進一步優(yōu)化點火正時，保證各缸排溫、氣門噪聲均勻，無明顯偏差。3)原混合器開度角(稀燃調(diào)節(jié)器)經(jīng)過長時間運行會出現(xiàn)偏移，進一步優(yōu)化混合器開度角，以達到最佳空燃比、稀燃比，確保無爆震現(xiàn)象。

3.3 運行指導意見

1)大修后當入口瓦斯明顯波動時，及時降低負載運行。2)按照潤滑油周期，按時更換機油、機油濾芯、加注潤滑脂。3)當點火電壓≥30 kV時，及時停機調(diào)整火花塞間隙，當火花塞使用超過3 000 h時，及時更換火花塞。4)按照空濾保養(yǎng)時間要求，按周期更換一級、二級空濾、燃濾、曲軸箱呼吸器濾芯。5)監(jiān)控氣缸排溫、機油溫度壓力、預壓壓差、混合氣壓力、冷卻液溫度在規(guī)定范圍內(nèi)無明顯偏差。

4 保養(yǎng)升級后機組運行狀態(tài)

屯蘭瓦斯電廠2#機組經(jīng)過以上保養(yǎng)升級后，發(fā)動機組功率曲線、充氣壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定運行(圖9)，機組實現(xiàn)滿載運行。

圖9 發(fā)動機組運行曲線圖

5 總 結(jié)

通過發(fā)電機組大修保養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，并對問題診斷治療，運用軟件計算模擬，逐步查清問題導向，進而解決問題，提出科學系統(tǒng)的升級改進意見。另外此次研究也反映出積碳和結(jié)晶鹽對發(fā)電機組的危害巨大，運用AVL-fire軟件多維模擬可以較好地反映發(fā)電機組運行工況，對于提高發(fā)電機組性能，維護保養(yǎng)發(fā)動機組具有深刻意義。