摘 要 沼氣工程技術(shù)是治理有機(jī)廢棄物污染的重要技術(shù)，沼氣發(fā)電是促進(jìn)沼氣工程推廣應(yīng)用的最直接手段。因地制宜地利用生物質(zhì)能資源生產(chǎn)的沼氣進(jìn)行發(fā)電，開(kāi)發(fā)適合家庭使用的可移動(dòng)沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是解決廣大偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村用電難，以及經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)個(gè)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(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組隨之誕生。

關(guān)鍵詞 內(nèi)燃機(jī)改造 沼氣發(fā)電

一、前期信息匯總

在廣東江門(mén)市新會(huì)農(nóng)機(jī)定點(diǎn)試驗(yàn)農(nóng)戶集中的羅坑鎮(zhèn)，找到種豬養(yǎng)殖戶；該養(yǎng)殖戶農(nóng)場(chǎng)占地26畝，主要用于林木栽種，水產(chǎn)養(yǎng)殖，種豬及乳豬養(yǎng)殖（總量約250頭）；場(chǎng)內(nèi)建有三個(gè)沼氣池進(jìn)行發(fā)酵存儲(chǔ)沼氣，沼氣池總體積約46m3。沼氣的發(fā)酵原料為人畜糞便以及農(nóng)作物秸稈等，而沼氣池發(fā)酵后排出的料液和沉渣，可作為種植肥料或養(yǎng)魚(yú)飼料使用。該農(nóng)場(chǎng)日常用電主要用于魚(yú)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(shè)計(jì)改造思路

沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)建立在單缸柴油機(jī)上進(jìn)行；單缸柴油機(jī)所選型號(hào)為德力牌DLH1110；通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行汽化燃料的改進(jìn)，包括進(jìn)氣系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)改進(jìn)，和新增點(diǎn)火系統(tǒng)，并結(jié)合沼氣燃燒的特性制定出一套閉環(huán)控制策略，以單片機(jī)為中心開(kāi)發(fā)出沼氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元，最后通過(guò)對(duì)控制單元進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使柴油機(jī)能夠改造成為沼氣內(nèi)燃機(jī)。發(fā)電機(jī)采用三相Y型發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定功率5KVA，與沼氣內(nèi)燃機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接，實(shí)現(xiàn)同軸傳動(dòng)。

（1）改造項(xiàng)目：

以額定轉(zhuǎn)速1500r/min；最低空載轉(zhuǎn)速700r/min的要求對(duì)氣缸蓋和燃燒室進(jìn)行改造。根據(jù)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(shè)混合器中沼氣、空氣的壓力相等，設(shè)空燃比為5.5，由伯努利方程推算可得沼氣、空氣進(jìn)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?；钊矫?，改變?nèi)紵业男褪剑伞?”型改為“浴盆”型，并將原來(lái)柴油機(jī)的壓縮比18比1改為10.5比1。

氣缸體改動(dòng)部分，取消噴油泵安裝孔，取消調(diào)速杠桿等各機(jī)械式調(diào)速零件。同時(shí)在曲軸的末端增加轉(zhuǎn)速采集裝置，對(duì)曲軸轉(zhuǎn)速和上止點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行采集以供ECU調(diào)節(jié)沼氣進(jìn)氣量和空燃比用。

（2）新增項(xiàng)目：

增加12v電瓶、電磁閥、零壓閥、閉環(huán)執(zhí)行器、點(diǎn)火系統(tǒng)、壓力傳感器、氧傳感器、水溫傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等，通過(guò)ECU控制電子節(jié)氣門(mén)位置以及沼氣內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間。

沼氣管路系統(tǒng)當(dāng)中增加專用的阻止閥，消除回火造成的爆炸隱患；同時(shí)在沼氣池通往沼氣內(nèi)燃機(jī)混合器的管道上，增加脫硫器和增壓泵，保證了沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)有高純度、高壓力的沼氣供給，避免因沼氣的含硫物質(zhì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)。

（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(kāi)發(fā)；沼氣發(fā)電機(jī)組控制單元的工作流程可分為三個(gè)部分：第一個(gè)是初始化部分，這時(shí)控制單元根據(jù)流程對(duì)發(fā)電機(jī)組的各部分進(jìn)行初始化操作，檢查系統(tǒng)性能狀態(tài)。第二部分為主程序，包括沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與運(yùn)行，控制系統(tǒng)需要不斷地采集相關(guān)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和變換，使沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在最佳狀態(tài)上運(yùn)行。第三個(gè)部分為中斷服務(wù)程序，系統(tǒng)將定時(shí)檢測(cè)運(yùn)行的壓力和溫度的數(shù)據(jù)，若壓力或溫度異常，系統(tǒng)將會(huì)調(diào)節(jié)處理。

通過(guò)設(shè)計(jì)改造的沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組技術(shù)指標(biāo)如表1：

表1

三、用戶使用報(bào)告

沼氣發(fā)電機(jī)組每天工作時(shí)間約為3小時(shí)，穩(wěn)定性方面，夏季與冬季產(chǎn)生一定的差距：夏季沼氣生成時(shí)間快，氣源相對(duì)充足，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定；在冬季，特別是溫度低于10℃時(shí)，氣源生成緩慢，隨著沼氣濃度下降，沼氣發(fā)電機(jī)組受到一定影響，有時(shí)一天要起動(dòng)和停機(jī)數(shù)次，使用不太方便。

水耗方面，沼氣發(fā)電機(jī)組表現(xiàn)較好，在夏天炎熱的天氣下曝曬，連續(xù)工作時(shí)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)水箱的水沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)鍋現(xiàn)象，每月散熱器的補(bǔ)水量約0.5升，當(dāng)氣溫較低時(shí)可兩個(gè)月加一次水，水消耗較少、比較節(jié)水。

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

冷起動(dòng)方面，每次起動(dòng)需要5秒左右，但冬季特別是溫度低于10℃或濕度較大時(shí)起到時(shí)間會(huì)略長(zhǎng)，約十多秒才能完成起動(dòng)。

穩(wěn)定性方面，當(dāng)沼氣量不足或濃度下降時(shí)，沼氣機(jī)組發(fā)電效率迅速下降，沼氣內(nèi)燃機(jī)甚至自動(dòng)停機(jī)。

四、使用結(jié)論

可移動(dòng)的小型沼氣發(fā)電機(jī)組受到廣大農(nóng)戶的稱贊，小型沼氣發(fā)電機(jī)組能夠讓農(nóng)戶使用沼氣自主發(fā)電，資源充分利用。然而在推廣使用上仍需解決部分問(wèn)題：

（1）需考慮增加發(fā)電控制模塊，讓農(nóng)戶在用電需求少的情況下減小用氣和發(fā)電量。

（2）初期投資費(fèi)用較大，需要配套建設(shè)沼氣池及相關(guān)管道等，普通用戶不一定接受，建議政府部門(mén)能提供相關(guān)農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼，以便于推廣普及。這是支持新農(nóng)村建設(shè)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生產(chǎn)水平提高和節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的一條有效路徑。

（3）鑒于沼氣內(nèi)燃機(jī)跟柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒系統(tǒng)上有本質(zhì)上的區(qū)別，在案例應(yīng)用當(dāng)中，沼氣的純度、壓力等處于變化狀態(tài)，如何保證沼氣發(fā)電機(jī)組能夠平穩(wěn)地運(yùn)行是本案例研究的最大難點(diǎn)。后續(xù)改進(jìn)需增加功率反饋控制策略，以及建立氣站或儲(chǔ)氣罐來(lái)保持沼氣的存儲(chǔ)量和壓力，確保沼氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]王長(zhǎng)貴，崔容強(qiáng)，周草.新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[3]劉德江.沼氣工程與利用技術(shù)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.

（作者單位：廣東德力柴油機(jī)有限公司）

（作者單位：廣東德力柴油機(jī)有限公司）