孟紅霞 沈艷 郭華 査麗平 黃敏勤 瞿俊鳴

(1. 上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438； 2.上海內(nèi)燃機(jī)研究所，上海 200438；3. 常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)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(dá)動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214187)

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原 創(chuàng)

新型生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組的研發(fā)及應(yīng)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(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438； 2.上海內(nèi)燃機(jī)研究所，上海 200438；3. 常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)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(dá)動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214187)

針對(duì)生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組易燃易爆的安全隱患，開展產(chǎn)品安全要求和防護(hù)措施的研究，為先進(jìn)環(huán)保型產(chǎn)品的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)驗(yàn)證。

生物質(zhì)氣 沼氣 發(fā)電機(jī)組 安全要求 防護(hù)措施

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國已成為世界內(nèi)燃機(jī)制造大國，但同時(shí)也存在能源短缺和污染嚴(yán)重的問題，內(nèi)燃機(jī)耗能和排污嚴(yán)重的問題已成為制約國民經(jīng)濟(jì)增長的瓶頸。

為實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)，開發(fā)和生產(chǎn)生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)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(dòng)物排泄物等為原料，在厭氧條件下，依靠厭氧菌將其轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)組可用的沼氣，對(duì)解決能源短缺和環(huán)境污染問題將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。

但生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組存在易燃易爆的隱患，如何安全使用將關(guān)系到這一新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。為此，本文針對(duì)該機(jī)組的安全風(fēng)險(xiǎn)，開展產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)和防護(hù)措施方面的研究，為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)體系提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格列于表1。圖1為沼氣發(fā)電機(jī)組及燃料供給系統(tǒng)示意圖。

表1 沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖1 沼氣發(fā)電機(jī)組及其燃料供給系統(tǒng)示意圖

為保證生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全可靠，生物質(zhì)氣在使用前經(jīng)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(zhì)粒徑小于5μm，雜質(zhì)含量小于10mg/m3。并且，與生物質(zhì)氣接觸的零部件材質(zhì)應(yīng)能與生物質(zhì)氣兼容。采用的黑色金屬零部件均經(jīng)過電鍍、化學(xué)處理或涂漆等防腐處理。

2 安全要求和防護(hù)措施

針對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)組存在易燃易爆的安全隱患，參照國際安全標(biāo)準(zhǔn)的要求[1，2]，從分析安全風(fēng)險(xiǎn)入手，對(duì)采用往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行安全設(shè)計(jì)和防護(hù)措施研究。

2.1 起動(dòng)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)所裝備的電起動(dòng)裝置可確保操作者按使用說明書起動(dòng)時(shí)安全運(yùn)行，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置相應(yīng)的警示標(biāo)記。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，起動(dòng)裝置按規(guī)定程序自動(dòng)脫開。發(fā)動(dòng)機(jī)裝備的盤車機(jī)構(gòu)與起動(dòng)裝置之間設(shè)有安全聯(lián)鎖裝置，當(dāng)盤車齒輪處于嚙合狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)自行起動(dòng)。

2.2 正常停機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)具有手動(dòng)和自動(dòng)控制的正常停機(jī)裝置。停機(jī)通過切斷點(diǎn)火來實(shí)現(xiàn)，并同時(shí)切斷供氣，以保證停機(jī)安全可靠。只有當(dāng)停機(jī)裝置手動(dòng)復(fù)位后，才能重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.3 緊急停機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)裝有緊急停機(jī)系統(tǒng)。該機(jī)組采用手動(dòng)控制的緊急停機(jī)裝置，其動(dòng)作比正常停機(jī)裝置更加快速有效，可以及時(shí)斷開危險(xiǎn)元器件與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，必要時(shí)可進(jìn)行制動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

自動(dòng)控制的緊急停機(jī)裝置可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)超速、潤滑油油壓過低或冷卻液溫度過高，以及發(fā)電機(jī)電壓過高或地線接錯(cuò)等危險(xiǎn)狀況，發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。

2.4 報(bào)警裝置

報(bào)警裝置發(fā)出的視覺信號(hào)(如閃光燈)和聽覺信號(hào)(如報(bào)警器)可用于警示發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或超速等即將發(fā)生的危險(xiǎn)情況，并可作為自動(dòng)保護(hù)措施，在激發(fā)前對(duì)操作者進(jìn)行警示。

報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)和配置查看方便，可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或停機(jī)時(shí)檢驗(yàn)其功能是否正常。

2.5防爆裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)的回火。進(jìn)排氣管和曲軸箱蓋上裝有防爆安全閥，可預(yù)防未燃混合氣的爆炸。

當(dāng)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開關(guān)不能打開、發(fā)動(dòng)機(jī)故障停機(jī)和熄火或沼氣管路破裂等情況，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)能自動(dòng)切斷沼氣的供給。

2.6 機(jī)械危險(xiǎn)防護(hù)

發(fā)動(dòng)機(jī)及其附屬裝置的旋轉(zhuǎn)件(風(fēng)扇、皮帶等)均裝有防護(hù)罩殼，以防止異物卷入其中。

除電器元件外，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)零部件與其他固定件之間的間隙至少為運(yùn)動(dòng)件最大直徑的1/100，并且最小不小于1mm。

2.7 熱表面防護(hù)

燃料供給裝置與排氣管之間的距離按規(guī)定大于100mm，距離在100～200mm之間，并設(shè)有固定可靠的隔熱防護(hù)板。儲(chǔ)氣罐安裝位置遠(yuǎn)離熱源，以保證其工作環(huán)境溫度不高于60℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑油濾清器安裝在旋轉(zhuǎn)零件下方，并遠(yuǎn)離高溫表面，同時(shí)，將濾清器泄漏的潤滑油引離高溫表面、旋轉(zhuǎn)零件、電器元件和進(jìn)氣系統(tǒng)。

2.8 電器防護(hù)

發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)的設(shè)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)所用電子電器組件在電磁輻射環(huán)境中能保持正常工作，發(fā)動(dòng)機(jī)及配套裝置的無線電干擾特性均符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.9 靜電防護(hù)

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到電勢(shì)平衡，所有與外部接觸的零部件均用導(dǎo)體連接到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體上。為防止靜電累積，發(fā)動(dòng)機(jī)及配套裝置上的所有金屬零部件都有良好的對(duì)地導(dǎo)電性，其對(duì)地電阻不大于 106Ω。

傳動(dòng)皮帶的抗靜電性能符合GB/T 10715—2002《傳動(dòng)帶多楔帶、聯(lián)組V帶及包括寬V帶、六角帶在內(nèi)的單根V帶抗靜電帶的導(dǎo)電性：要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定的最大電阻限值。

2.10 排放

發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放水平應(yīng)符合GB 14762—2002《車用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法》規(guī)定的排放限值。

2.11 噪聲

按GB/T 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量 工程法及簡易法》規(guī)定測量的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平應(yīng)符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。測試時(shí)的噪聲源包括沼氣發(fā)電機(jī)組、冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇和進(jìn)排氣系統(tǒng)。

2.12 耐久性

對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)組，應(yīng)按GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》中第9章的規(guī)范(表2)進(jìn)行1000h耐久試驗(yàn)。

表2 耐久試驗(yàn)規(guī)范

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》的規(guī)定，進(jìn)行沼氣發(fā)電機(jī)組起動(dòng)性能試驗(yàn)。在環(huán)境溫度不低于5℃時(shí)，不采用任何機(jī)外措施，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能順利起動(dòng)。當(dāng)溫度在-5～-10℃范圍時(shí)，機(jī)油和冷卻水經(jīng)預(yù)熱后，機(jī)組亦能順利起動(dòng)。

采用火花點(diǎn)燃的沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)后可以平穩(wěn)地從怠速進(jìn)入全負(fù)荷工況，在基準(zhǔn)環(huán)境條件下，其最大功率可達(dá)60kW。圖2示出分別采用空燃比調(diào)節(jié)和節(jié)流閥調(diào)節(jié)(空燃比1.15)控制方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。其調(diào)速特性符合GB/T 2820.5—1997《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)組 第5部分：發(fā)電機(jī)組》的要求，達(dá)到1級(jí)水平(表3)。

圖2 不同功率控制方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

項(xiàng)目參數(shù)穩(wěn)態(tài)特性標(biāo)定調(diào)速率/%15穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率/%1.5動(dòng)態(tài)特性瞬時(shí)轉(zhuǎn)速差率/%10轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間/s5

按GB 14762—2002《車用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法》的規(guī)定，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試(表4)。結(jié)果表明，在低負(fù)荷區(qū)，較低的燃燒溫度使CO和碳?xì)浠衔?HC)排放增多。隨著負(fù)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(fù)荷區(qū)，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(dāng)負(fù)荷升高到70%～80%時(shí)，氮氧化物(NOx)排放達(dá)到最高值。

表4 沼氣發(fā)電機(jī)組排放試驗(yàn)結(jié)果 g/(kW·h)

雖然本試驗(yàn)未對(duì)噪聲進(jìn)行測量，但明顯察覺到沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲要比同功率汽油機(jī)的高，比柴油機(jī)的低。

此外，還對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行1000h耐久試驗(yàn)。結(jié)果表明，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的所有零部件均能經(jīng)受高速、高負(fù)荷的考驗(yàn)，未出現(xiàn)任何需要停機(jī)檢修的一般故障或嚴(yán)重故障。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火開關(guān)無法打開、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火和沼氣管路破裂等突發(fā)事件的模擬故障試驗(yàn)，證實(shí)其安全控制裝置能自動(dòng)切斷燃?xì)夤┙o，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著我國石油資源對(duì)外依存度的不斷升高，代用燃料正受到廣泛關(guān)注。試驗(yàn)研究表明，開發(fā)生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組對(duì)實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和戰(zhàn)略意義。

生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組在中高負(fù)荷時(shí)有恒定的高熱效率，尤其適用于發(fā)電用固定式發(fā)動(dòng)機(jī)。但是，在稀混合氣的低負(fù)荷區(qū)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)容易失火，導(dǎo)致熱效率較低。

就目前的初步試驗(yàn)結(jié)果來看，為生物質(zhì)氣發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的安全防護(hù)措施可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行。但是，該發(fā)電機(jī)組的污染物排放水平還不能滿足點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)國Ⅱ排放限值的要求。因此，在繼續(xù)改進(jìn)缸內(nèi)燃燒過程的同時(shí)，采用機(jī)外排氣后處理系統(tǒng)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)