尤濱乾，楊 麗，陸志杰

(海寧市新能源技術(shù)服務(wù)站，浙江 海寧 314400)

純沼氣發(fā)電技術(shù)試驗初探

尤濱乾，楊 麗，陸志杰*

(海寧市新能源技術(shù)服務(wù)站，浙江 海寧 314400)

試驗以100GF-ZC沼氣發(fā)電機組為對象，研究了點火提前角對機組排溫和功率的影響，以及過量空氣系數(shù)與機組排溫、功率、熱效率之間的關(guān)系；并在此基礎(chǔ)上，對點火提前角和過量空氣系數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)置，為進一步研發(fā)更高性能的純沼氣發(fā)電機組提供科學依據(jù)。

沼氣發(fā)電； 過量空氣系數(shù)； 點火提前角； 功率

浙江省海寧市同仁養(yǎng)殖園區(qū)常年存欄生豬約6 000頭，2005年建成沼氣工程1座，厭氧池容1 000 m3，年產(chǎn)沼氣約16萬m3。鑒于園區(qū)日常炊事用氣有限，為解決富余沼氣空排問題，當時引進了2臺沼氣發(fā)電機，功率分別為50和150 kW[1]。由于2臺發(fā)電機均采用“沼氣-柴油”雙燃料混合動力，隨著油價高漲，運行成本不斷提高，園區(qū)于2010年引進50 kW純沼氣發(fā)電機組1套。為保障機組穩(wěn)定運行，海寧市新能源技術(shù)服務(wù)站協(xié)調(diào)生產(chǎn)廠家溫州中盛畜牧設(shè)備有限公司在園區(qū)內(nèi)設(shè)立服務(wù)網(wǎng)點，同時建立組裝調(diào)試車間共同開展更高性能的純沼氣發(fā)電機組的研發(fā)工作[2]。本文以100GF-ZC沼氣發(fā)電機組的試驗研發(fā)為實例，對影響沼氣發(fā)電機組運行性能的主要參數(shù)及其互為相關(guān)性進行了探討，以期進一步推動沼氣發(fā)電技術(shù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在浙江省海寧市斜橋鎮(zhèn)同仁養(yǎng)殖園區(qū)進行。供試沼氣發(fā)電機組由溫州中盛畜牧設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號為100GF-ZC，額定功率100 kW，額定轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1，額定電壓400 V，額定電流180 A，額定頻率50 Hz，額定功率因數(shù)0.8滯后。供試沼氣取自同仁沼氣工程，甲烷濃度約59%。其他主要試驗儀器設(shè)備有氣體分析儀、氣體流量計、氣體溫度計、水溫計、手持轉(zhuǎn)速表、萬用表等。

1.2 方法

試驗分為2部分。第一部分，研究點火提前角對排氣溫度和功率的影響，并確定合理的點火提前角；第二個部分，研究過量空氣系數(shù)λ對功率和排氣溫度、發(fā)動機失火、沼氣耗氣率的影響，并確定合理的λ值[3-5]。

點火提前角和負荷對排氣溫度的影響。使用電子調(diào)速器，觀察記錄轉(zhuǎn)速固定為1 000 r·min-1，點火提前角分別設(shè)定為23°、24°、25°、26°、27°，負荷分別為0、25、50、75、100 kW時的排氣溫度。

點火提前角對功率的影響：取消電子調(diào)速器。觀察記錄轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1，節(jié)氣門固定，點火提前角分別為23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°時的功率值。

過量空氣系數(shù)λ對功率和排氣溫度的影響。節(jié)氣門全開，觀察記錄轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1，過量空氣系數(shù)λ值分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4時的排氣溫度和功率值。

過量空氣系數(shù)λ對發(fā)動機失火的影響。使用電子調(diào)速器，觀察記錄發(fā)電機組分別在轉(zhuǎn)速600 r·min-1、負荷0 kW，和轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1、負荷70 kW時，過量空氣系數(shù)λ值分別調(diào)整為1.0、1.1、1.2……，直至出現(xiàn)發(fā)動機失火時的碳氫化合物濃度。

過量空氣系數(shù)λ對耗氣率的影響。轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1，負荷為80 kW，觀察記錄過量空氣系數(shù)λ值分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5時的沼氣耗氣量。

2 結(jié)果與分析

2.1 點火提前角和負荷對排氣溫度的影響

由表1可知，機組排氣溫度隨點火提前角的增大而減小，隨負荷的增大而增大。相對于負荷來說，點火提前角對排氣溫度的影響更為明顯，因此，點火提前角是決定排氣溫度的重要因素。

表1 不同點火提前角和負荷下的排氣溫度

2.2 點火提前角對功率的影響

在進氣量一定的情況下，增大點火提前角，發(fā)電機功率先升高再回落。點火提前角分別為23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°和32°時，發(fā)電機功率分別達到105、108、110、112、114、116、117、117、117、114 kW。功率值出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的原因可能是：點火提前角過大時，活塞未到達上止點就開始點燃沼氣做功，從而抵消了一部分有用功，致使總功率減小。根據(jù)經(jīng)驗，建議采用的點火提前角為99%最大負荷功率值對應(yīng)的點火提前角減小4°，即為24°。

2.3 過量空氣系數(shù)λ對功率和排氣溫度的影響

由表2可知，降低排氣溫度可以通過增大過量空氣系數(shù)λ值實現(xiàn)，增大功率可以通過減小λ值實現(xiàn)，兩者互為矛盾。因此，既要保證機組在較大功率下運行，又要降低排氣溫度使機組運行穩(wěn)定，必須在降低λ值的同時采取其他輔助手段進一步降低排氣溫度，以保證機組運行的可靠性。

表2 不同過量空氣系數(shù)下的排溫和功率

2.4 過量空氣系數(shù)λ對發(fā)動機失火的影響

由表3可知，隨著過量空氣系數(shù)λ值的增大，碳氫化合物濃度([HC])先減小再急劇增大。尾氣排放濃度出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的原因是空氣過量導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)失火現(xiàn)象。當轉(zhuǎn)速為600 r·min-1時，λ≤1.3基本不出現(xiàn)失火現(xiàn)象；當轉(zhuǎn)速達到1 000 r·min-1時，λ≤1.5基本不出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

表3 不同過量空氣系數(shù)下的碳氫化合物濃度

2.5 過量空氣系數(shù)λ對耗氣量的影響

由表3可知，隨著過量空氣系數(shù)λ值的增大，單位發(fā)電量的沼氣消耗率減少，即沼氣熱效率提高，λ值為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，耗氣率分別為0.78、0.74、0.71、0.69、0.67、0.65、0.64、0.64 m3·(kW·h)-1。結(jié)合前面的過量空氣系數(shù)試驗，為使發(fā)電機組在較高功率、較低排氣溫度和較高沼氣利用效率的情況下正常運轉(zhuǎn)，同時確保不發(fā)生失火現(xiàn)象，建議采用過量空氣系數(shù)λ值為1.3。

3 小結(jié)

本試驗以溫州中盛畜牧設(shè)備有限公司100GF-ZC沼氣發(fā)電機組為研究對象，分析了點火提前角和過量空氣系數(shù)對沼氣發(fā)電過程的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，隨著點火提前角的增大，機組排氣溫度降低，功率先增大再減小；隨著過量空氣系數(shù)λ的增加，功率和排氣溫度減小，沼氣熱效率提高，當λ值過大時發(fā)動機會出現(xiàn)失火現(xiàn)象。通過對以上主要參數(shù)之間的互為關(guān)系進行綜合分析，提出將該機組的點火提前角設(shè)為24°，過量空氣系數(shù)設(shè)為1.3比較合適。試運行情況顯示：在該參數(shù)設(shè)置下，機組啟動順暢，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，排氣溫度在合理范圍內(nèi)。結(jié)合于華等[6]的研究，采用增壓中冷稀燃技術(shù)可以有效緩減各方面因素對過量空氣系數(shù)λ取值的影響和制約作用，下一步可以此為主要技術(shù)方向，進一步提高沼氣發(fā)電機組的功率，增強系統(tǒng)可靠性，并提升沼氣利用效率。

[1] 董飛青. 利用太陽能提高豬糞生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的綜合生態(tài)工程[D]. 杭州: 浙江大學, 2012.

[2] 張國聽, 尤濱乾. 淺議沼氣綜合利用工程的維修與改造：以浙江海寧同仁養(yǎng)殖園區(qū)沼氣工程為例[J]. 安徽農(nóng)學通報, 2017 (6): 131-132.

[3] 徐廣印.農(nóng)村戶用沼氣發(fā)電裝置性能研究[C]//中國科學技術(shù)協(xié)會, 河南省人民政府. 第十屆中國科協(xié)年會論文集(三). 2008: 6.

[4] 黃昌鴻. 散居農(nóng)戶小型發(fā)電機組改燃沼氣燃燒特性試驗研究[D]. 貴陽: 貴州大學, 2015.

[5] 張斌, 王麗娜. 沼氣發(fā)電系統(tǒng)綜述[J]. 科技視界, 2014 (6): 272-273.

[6] 于華, 馬相明, 許自順, 等. 增壓中冷稀燃天然氣發(fā)動機燃燒特性試驗研究[J]. 內(nèi)燃機, 2014 (6): 33-36.

2017-09-30

尤濱乾(1981—)，男，浙江海寧人，工程師，學士，從事農(nóng)村能源技術(shù)推廣工作，E-mail: 420061753@qq.com。

陸志杰，E-mail: 383302214@qq.com。

文獻著錄格式：尤濱乾，楊麗，陸志杰. 純沼氣發(fā)電技術(shù)試驗初探[J].浙江農(nóng)業(yè)科學，2017，58(12)：2103-2104，2107.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171206

S216.4

A

0528-9017(2017)12-2103-02

侯春曉)