常劉勇等

摘 要：結(jié)合煤礦低濃度瓦斯利用的不足，及現(xiàn)在分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展，微型燃機(jī)技術(shù)受到高度重視，課題根據(jù)燃燒室設(shè)計(jì)原理，自行設(shè)計(jì)了一款微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。在數(shù)值建模模擬的基礎(chǔ)上搭建了微型燃機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)自行設(shè)計(jì)的燃燒室及整個(gè)燃機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超低濃度瓦斯（模擬風(fēng)排瓦斯?jié)舛?.8%）在燃機(jī)系統(tǒng)中的燃燒利用狀況，分析出超低濃度瓦斯的燃燒利用結(jié)果，實(shí)測(cè)燃燒產(chǎn)物中CO只含5.2ppm，NO含量為8.2ppm，煙氣溫度小于格林曼Ⅰ級(jí)，符合國(guó)家安全環(huán)保規(guī)定，證明風(fēng)排瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中作為摻混燃燒氣體的可行性。

關(guān)鍵詞：超低濃度瓦斯；微型燃?xì)鈾C(jī)；摻混燃燒；可行性

1 試驗(yàn)臺(tái)總體構(gòu)造

本課題最初搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-高壓天然氣罐；2-空氣壓縮機(jī)；3-脈沖點(diǎn)火控制系統(tǒng)；4-燃燒室；5-渦輪增壓器；6-煙氣分析儀；7-減壓閥；8-體積流量計(jì)；9-壓機(jī)調(diào)節(jié)閥

本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的燃機(jī)系統(tǒng)包括燃燒室構(gòu)成系統(tǒng)，空氣及燃料供給系統(tǒng)，點(diǎn)火控制系統(tǒng)，測(cè)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及煙氣冷卻測(cè)試分析系統(tǒng)。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)及透平系統(tǒng)

本試驗(yàn)臺(tái)中將渦輪增壓器替代該燃機(jī)系統(tǒng)的壓氣機(jī)和透平部分，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用南京依維柯索菲姆8140系列，蓋瑞特件號(hào)為708162-5001，型號(hào)GT17，功率84KW，轉(zhuǎn)速為3600rpm。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)空氣及燃料供給系統(tǒng)

空氣供給系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥及高壓通氣管構(gòu)成，空氣供給系統(tǒng)的主要作用是保證連續(xù)地向燃燒室供給高壓足夠流量及可調(diào)溫度的空氣。實(shí)驗(yàn)采用天然氣作為燃機(jī)燃料，氣瓶出口安裝安全防爆閥門，管路上再安裝逆止閥防止氣體倒流，引起爆炸事故。燃料流量由手動(dòng)控制閥門及玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)完成。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器系統(tǒng)

燃?xì)馊紵饕话阌梢韵轮饕糠纸M成：燃?xì)鈬娮臁⑷細(xì)忾y系、風(fēng)機(jī)、燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)裝置、點(diǎn)火裝置、燃?xì)鈮毫z測(cè)開關(guān)、空氣壓力檢測(cè)開關(guān)及火焰監(jiān)測(cè)裝置等。

2 燃機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)

燃機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)包括流量測(cè)量、溫度測(cè)量、速度測(cè)量、壓力測(cè)量和燃燒煙氣測(cè)量分析系統(tǒng)。

2.1 流量測(cè)量系統(tǒng)

流量測(cè)試主要是燃料流量控制空氣流量控制以及超級(jí)濃度瓦斯流量控制測(cè)量系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來對(duì)流量進(jìn)行控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量當(dāng)主空氣體積流量為219.6m3/h，燃料體積流量為50.4m3/h，通入濃度為0.8%的VAM瓦斯流量為183.6m3/h時(shí)，燃燒比較穩(wěn)定，得到的溫度壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。

2.2 壓力測(cè)量系統(tǒng)

壓力測(cè)量系統(tǒng)主要包括壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力、渦輪增壓器上壓縮機(jī)出口壓力及燃燒室出口壓力測(cè)試。壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力由進(jìn)氣管道上安裝壓力表進(jìn)行控制，渦輪增壓器壓機(jī)出口及燃燒室出口壓力由壓力傳感器測(cè)得。測(cè)得壓氣機(jī)入口壓力為大氣壓1.013×105Pa，壓氣機(jī)出口壓力為2.7×105Pa，渦輪入口壓力為2.63×105Pa，渦輪出口壓力為大氣壓1.013×105Pa。與模擬所得結(jié)果有一定的偏差。

2.3 速度測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上增壓器上的壓氣機(jī)和燃燒室采用圓管連接，管徑為30mm，中間留有測(cè)量小孔，采用數(shù)字微壓差計(jì)，連接皮托管，對(duì)流速進(jìn)行測(cè)量，量程為1～55m/s，精度為0.07m/s，通過閥門改變流量來調(diào)節(jié)流速，記錄10次測(cè)量取平均值確定進(jìn)氣流速。

2.4 溫度測(cè)量系統(tǒng)

燃機(jī)燃燒室溫度測(cè)量?jī)?nèi)容包括環(huán)境溫度，壓氣機(jī)出口溫度，燃燒室空氣進(jìn)口溫度、燃燒室火焰筒壁面溫度、燃燒室出口溫度及燃燒室外殼壁面溫度分布測(cè)量。除火焰筒壁面溫度測(cè)量難度較大外，溫度分布相對(duì)均勻，可采取單點(diǎn)布置。本實(shí)驗(yàn)采用鉑銠10-鉑S分度號(hào)的熱電偶進(jìn)行測(cè)量，該熱電偶最高使用溫度達(dá)到1300°，短期測(cè)量可使用溫度為1600°，基本滿足實(shí)驗(yàn)需要。

2.4.1 燃燒室火焰筒壁面溫度

燃燒室火焰筒壁溫的測(cè)量通過在火焰筒徑向布置4排，軸向布置10個(gè)間距分別為20mm的測(cè)量點(diǎn)，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示。

由測(cè)量及模擬數(shù)據(jù)分析得出，燃燒室火焰筒壁面溫度分布相對(duì)較均勻，最大溫差小于100攝氏度，基本滿足火焰筒熱應(yīng)力要求。

2.4.2 出口溫度的測(cè)量

對(duì)燃燒室出口的溫度測(cè)量方法采取常用的熱電偶測(cè)量，分布了9個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，沿著徑向均勻分布3組，每組之間成120度夾角，測(cè)量得到出口溫度分布數(shù)據(jù)如下表所示。

由上表通過計(jì)算可得，燃燒室出口溫度場(chǎng)均勻性處于正常范圍，所設(shè)計(jì)燃燒室火焰筒出口溫度最大不均勻度在20%左右，最大不均勻系數(shù)在5%左右。

2.4.3 燃燒室外殼溫度

參照火焰筒壁溫的測(cè)量方法，徑向布置4排，軸向布置10個(gè)間距分別為20mm的測(cè)量點(diǎn)，得到測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖如下表所示：

2.4.4 煙氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

結(jié)合該課題必須通過試驗(yàn)驗(yàn)證超低濃度瓦斯的利用情況，德國(guó)的TESTO公司生產(chǎn)的Testo335煙氣分析儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量很多成分的含量，采用對(duì)出口煙氣碳氧化物、氮氧化物以及甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如下表所示。

根據(jù)規(guī)定燃燒器在正常工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，煙氣中的CO含量應(yīng)該不大于125mg/m3，NOX含量應(yīng)該不大于300mg/m3，CmHn含量應(yīng)該不大于20mg/m3，含塵量應(yīng)該不大于50mg/m3，煙氣黑度應(yīng)該不大于林格曼Ⅰ級(jí)。因此該燃?xì)馕廴疚锱欧帕糠蠂?guó)家安全環(huán)保規(guī)定。

3 結(jié)論

3.1 燃燒室燃?xì)獬隹跍囟确植驾^均勻，滿足出口溫度分布均勻性能指數(shù)低于20%的要求。

3.2 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超低濃度瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中的燃燒利用狀況，分析出超低濃度瓦斯的燃燒利用結(jié)果，實(shí)測(cè)燃燒產(chǎn)物中CO只含5.2ppm，NO含量為8.2ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家環(huán)保規(guī)定的燃?xì)馕廴疚锱欧帕浚瑹煔鉁囟纫策h(yuǎn)小于格林曼Ⅰ級(jí)，符合國(guó)家安全環(huán)保規(guī)定，證明風(fēng)排瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中作為摻混燃燒氣體的可行性。