黃 宇

中海石油氣電集團有限責任公司, 北京 100028

0 前言

國內(nèi)天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機研究始于21世紀初,即在柴油機基礎上增加一套壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)供氣系統(tǒng),實現(xiàn)雙燃料發(fā)動機運行[1]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)-柴油雙燃料發(fā)動機研究最早出現(xiàn)在船舶發(fā)動機領域[2],通過電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)硬件與軟件的開發(fā)、柴油機設計、實驗室標定試驗最終實現(xiàn)雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)改造,改造后的發(fā)動機可在純柴油模式和LNG-柴油混燃模式自由切換,保持原發(fā)動機的最大功率,有效降低燃料成本[3]。

隨著國家環(huán)保壓力的不斷提高,各地方政府加大秸稈禁燒工作監(jiān)管力度,研究科學有效的秸稈處理方式,發(fā)展生物質(zhì)氣(沼氣)項目是解決秸稈焚燒的有利途徑,能夠提高秸稈綜合利用率[4]，通過厭氧發(fā)酵技術獲得沼氣,再提純獲得生物質(zhì)天然氣,根據(jù)市場需求進一步加工成CNG或LNG,沼渣做成有機肥料,該模式的能源利用方式已在國內(nèi)多個項目應用,成為未來發(fā)展趨勢[5]。

目前,我國農(nóng)業(yè)機械化裝備水平處于世界前列,大型農(nóng)場的田間作業(yè)機械化率達98%以上,大功率拖拉機以現(xiàn)代化大型進口農(nóng)機為主,機型主要包括135-535 HP的美國迪爾、美國凱斯、美國福格森、英國紐荷蘭、德國克拉斯等大型輪式拖拉機,本文以典型美國迪爾7830型號拖拉機為目標機型進行雙燃料發(fā)動機改造的可行性研究。

1 供氣方式

生物質(zhì)氣是以農(nóng)作物秸稈、林木廢棄物、酒糟藥渣、禽畜糞便等含有生物質(zhì)體的物質(zhì)為原料,在高溫環(huán)境或細菌發(fā)酵的作用下,熱解或者氣化分解產(chǎn)生的一種可燃性氣體。生物質(zhì)氣的主要成分包括CO、H2、N2、CH4以及一些高分子的碳氫化合物和少量焦油。根據(jù)生物質(zhì)氣項目所在地和用途的不同,生物質(zhì)氣的利用方式也不盡相同。農(nóng)村地區(qū)未經(jīng)處理的生物質(zhì)氣一般直接燃燒用于做飯和取暖；而用于工業(yè)用途的生物質(zhì)氣因含雜質(zhì)較多需要進行脫硫、脫酸等凈化處理,剩余主要成分為CH4,可用于燃氣發(fā)電、壓縮制CNG、液化制LNG。

國家能源局《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出:到2020年,生物質(zhì)能基本實現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)?；?初步形成一定規(guī)模的綠色低碳生物天然氣產(chǎn)業(yè),年產(chǎn)量達到80×108m3,建設160個生物天然氣示范縣和循環(huán)農(nóng)業(yè)示范縣,替代化石能源總量約5 800×104t,年減排CO2約1.5×108t,減少粉塵排放約5 200×104t,減少SO2排放約140×104t,減少氮氧化物排放約44×104t。

通過提前規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局,在原材料豐富的地區(qū)就近選址,可將生物質(zhì)氣合理利用成為優(yōu)質(zhì)天然氣資源。本文以黑龍江某農(nóng)墾地區(qū)的生物質(zhì)資源和農(nóng)機現(xiàn)狀為研究對象,進行天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機改造關鍵技術和經(jīng)濟型研究,項目成果可在生物質(zhì)氣項目地區(qū)實現(xiàn)推廣。

1.1 氣源比較

CNG是常壓天然氣加壓以氣態(tài)形式存儲在氣瓶中的天然氣,儲存壓力通常為20 MPa,體積通常為常壓的1/220。LNG是常壓天然氣液化后以液態(tài)存儲在氣瓶中的天然氣,儲存壓力通常為1.6 MPa,體積通常為常壓的1/625。兩種氣源的主要成分均為CH4[6]。CNG與LNG供氣系統(tǒng)見圖1。

圖1 CNG/LNG供氣系統(tǒng)圖

從圖1可看出,CNG與LNG供氣系統(tǒng)的主要區(qū)別在于氣源儲存方式不同,LNG需要經(jīng)過氣化器變?yōu)镃NG,因氣化后的壓力約0.45 MPa,調(diào)壓閥設置相對簡單,LNG供氣系統(tǒng)雖比CNG復雜,但能有效降低高壓所帶來的風險。

1.2 技術比較

LNG利用中壓低溫氣瓶儲存,CNG利用高壓常溫鋼瓶儲存,單個450 L的LNG氣瓶重量為300 kg,是相同容積CNG氣瓶重量的60%,裝載的天然氣是CNG氣瓶的3倍,使用LNG作為燃料更能滿足長途駕駛的需要[7]。兩種燃料的加注時間也不同,加注相同體積的LNG時間比CNG節(jié)省1/2以上。當LNG處于長時間儲存、運輸狀態(tài)時,會因組分密度不同導致LNG分層或漏熱產(chǎn)生蒸發(fā)氣BOG,車用LNG供氣系統(tǒng)尚不具備回收和再液化工藝,采取直接放空到大氣的措施,造成天然氣浪費,車輛氣耗增大。

1.3 標準比較

國家針對CNG汽車及配件設計提出嚴格要求,如:GB 18047-2017《車用壓縮天然氣》、GB 17258-2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》、Q/SY 1260-2010《壓縮天然氣加氣站建設規(guī)范》等涵蓋了儲氣瓶設計、改車部件制造到安裝調(diào)試、加氣站設計等各個環(huán)節(jié),標準體系健全[8]。相比之下,LNG相關技術正逐步實施標準化,GB/T 26980-2011《液化天然氣(LNG)車輛燃料加注系統(tǒng)規(guī)范》、NB/T 1001-2011《液化天然氣LNG汽車加氣站技術規(guī)范》的頒布也對LNG汽車、加氣站提出要求,但標準化建設相對滯后已制約行業(yè)的發(fā)展[9]。

綜上分析,農(nóng)機雙燃料發(fā)動機改造的兩種供氣方式各有優(yōu)勢,見表1。

表1 供氣方式對比表

2 雙燃料發(fā)動機改造方案研究

農(nóng)機的柴油發(fā)動機改造成為可燃燒天然氣的發(fā)動機有兩種方式:天然氣單燃料發(fā)動機和天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機[10]。

2.1 天然氣單燃料發(fā)動機

原車柴油發(fā)動機變?yōu)榧兲烊粴獍l(fā)動機,主要改裝內(nèi)容是發(fā)動機再制造和發(fā)動機總成互換,包括設置火花塞點火系統(tǒng),重新確定壓縮比,并對燃燒室、汽缸、活塞蓋、排氣管、進氣門、座圈、凸輪軸等進行改進設計[11]。柴油汽車改裝為單一燃料天然氣汽車,改裝難度大、成本高,技術要求也高,通常情況下不是柴油機改造的首選方案。美國迪爾7830型號拖拉機采用進口發(fā)動機,設備價格昂貴,一旦改裝后無法繼續(xù)燒柴油。使用該機型的區(qū)域一般屬于大型農(nóng)墾地區(qū),作業(yè)期間農(nóng)機工作強度大,任務重,采取24 h連續(xù)工作、人停車不停的作業(yè)策略[12]。改造為單燃料后的農(nóng)機如供氣不足時無法作業(yè)會對農(nóng)墾作業(yè)造成嚴重影響;當需要農(nóng)機進行跨區(qū)作業(yè),如無法進行天然氣補給,也會造成經(jīng)濟影響,不推薦改為單燃料系統(tǒng)。

2.2 天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機技術的基本原理基于原柴油機基礎上,不改變發(fā)動機主體結構,增加1套LNG供氣系統(tǒng)(包括LNG氣瓶、氣化器、減壓閥及天然氣噴射閥等或CNG供氣系統(tǒng)包括CNG氣瓶、減壓閥組等)、電控系統(tǒng)ECU及傳感器等,將原有柴油機改裝成既能單燒柴油又能天然氣-柴油摻燒的兩用發(fā)動機[13]。系統(tǒng)正常工作時,柴油由原柴油供給系統(tǒng)提供固定量的柴油,柴油被壓縮引燃天然氣混合氣,當負荷增加時,通過增加天然氣的噴氣量實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率扭矩的增加[14]。該系統(tǒng)無需在柴油機基礎上增加點火系統(tǒng)。通常在典型工況下?lián)綗?0%左右的天然氣;在高負荷和高轉(zhuǎn)速時進行保護,切換到純柴油模式(防止缸內(nèi)溫度和壓力過高)。經(jīng)天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機改造后的發(fā)動機經(jīng)濟性提高,SOx等廢氣排放降低,但摻燒天然氣時不能達到最佳燃燒狀態(tài),導致發(fā)動機效率比原機低,不完全燃燒的CH4在掃氣時會被排出,與成品雙燃料發(fā)動機存在差距[15]。

綜合考慮上述研究方案,美國迪爾7830型號拖拉機擬采用天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機的改造方案。

3 氣瓶放置方案

3.1 氣瓶選型

CNG/LNG氣瓶選用市場常見的規(guī)格型號,對改造費用進行初步估算,分析見表2。

表2 氣瓶規(guī)格方案對比表

3.2 氣瓶方位

氣瓶放置位置直接影響農(nóng)機平衡、載重能力和司機視野[16],現(xiàn)對氣瓶放置的三個方案進行分析。

方案一:氣瓶置于農(nóng)機下部。由于農(nóng)機作業(yè)時地勢不平坦,可能造成氣瓶與地面發(fā)生碰撞,導致天然氣泄漏的風險,故不推薦安裝在下部位置。

方案二:氣瓶置于發(fā)動機室前部。農(nóng)機自帶900 kg的配重鐵,在配重鐵位置放置氣瓶組,承重能力滿足要求。該設置方案需要更換前燈位置,充放氣和氣瓶置換方便,但由于氣瓶組的框架略高會影響駕駛員視線,視線影響距離在原視線距離情況下增加了0.5倍。

方案三:氣瓶置于駕駛室上部。當氣瓶閥接頭處可燃氣體泄漏時,氣體上浮升空,遠離乘客,更安全;撞車時不會沖擊到氣瓶;灰塵、水氣對氣瓶污染腐蝕更小;低底板重心低,氣瓶上置不會對車輛操縱穩(wěn)定性帶來危害;安裝、維護方便;駕駛室需增加承重構件。建立以原車頂和駕駛室內(nèi)框架的結構模型,車頂厚度2.5 mm,駕駛室頂四周焊接4 mm厚的扁鋼,縱橫方向等距布置兩道骨材;駕駛室四角用支柱支撐,為盡量不影響駕駛室視線,支柱采用等邊角鋼固定在駕駛室角,頂端焊在車頂扁鋼下,底部在駕駛室底部焊牢,駕駛室底部相應位置做加強。經(jīng)過建模計算,最終確定框架扁鋼及角鋼應力最大值31.6 MPa,車頂骨架應力最大值8.17 MPa,普通碳素鋼許用應力為235 MPa,所建框架模型計算結果應力均遠小于此值,滿足框架結構強度要求。

3.3 用氣情況分析

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機原型機為美國迪爾7830型號拖拉機發(fā)動機。額定功率173 kW,柴油模式下一般柴油機燃油消耗率205 g/kW·h。若按天然氣對柴油的平均替代率70%計算[17],0#柴油的熱值按42.7 MJ/kg,天然氣熱值按36 MJ/m3,柴油模式發(fā)動機效率0.45,天然氣燃料模式發(fā)動機效率0.42。計算可知，柴油模式下發(fā)動機消耗熱值1 514 MJ/h,天然氣燃料模式下發(fā)動機每小時天然氣消耗量=1 514×0.45÷0.42÷36×0.7=31.55 m3。

CNG的氣化比為220,以230 L雙CNG氣瓶組為例,滿負荷工作時間為230×2×220÷31.55÷1 000=3.2 h。

LNG的氣化比為625,以450 L雙LNG氣瓶組為例,滿負荷工作時間為450×2×625÷31.55÷1 000=17.8 h。

3.4 氣瓶加注

由于美國迪爾7830型號拖拉機功率較大,且農(nóng)機本身空間限制,選用CNG作燃料時,雙230 L容積氣瓶已是相對最大容積,僅能滿負荷工作3.2 h;選用LNG作燃料時,以雙450 L容積氣瓶為例,能滿負荷工作17.8 h,即使LNG利用率按照90%計算,工作時間超過16 h,若有休息時間,建議使用槽車加注;若連續(xù)工作,建議以更換氣瓶的方式進行加注,見表3。

表3 加注方案對比表

4 改造經(jīng)濟性研究

美國迪爾7830型號拖拉機發(fā)動機的額定功率173 kW,每小時耗油量約42.2 L,按現(xiàn)燃料價格,每小時消耗柴油費用為247元;按70%天然氣替代率計算,每小時消耗天然氣費用為200元,每小時節(jié)省約19%的燃料費用即47元,按24 h作業(yè),每年作業(yè)30 d計算,年節(jié)省費用33 840元?？紤]不能滿負荷工作和加注時間等原因,估計年節(jié)省費用約30 000元。

天然氣-柴油雙燃料改造技術在重卡、公交車等車型上已成功推廣應用[18],美國迪爾7830型號拖拉機雙燃料發(fā)動機改造費用經(jīng)分析,CNG-柴油改造成本約 30 000 元,LNG-柴油改造成本約80 000元,隨著中國天然氣行業(yè)的發(fā)展[19],項目經(jīng)濟效益將更加明顯[20]。

5 結論

通過對純天然氣發(fā)動機改造、天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機改造方案的論證,推薦把原柴油發(fā)動機改造成天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機,可在不改變發(fā)動機主體結構的基礎上,增加一套CNG/LNG供氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng),可根據(jù)改造成本、續(xù)航能力、加注條件和當?shù)剞r(nóng)墾區(qū)條件情況確定最終氣源選擇方案;另一方面,需進一步加大農(nóng)墾地區(qū)天然氣項目的投資力度,完善天然氣加工設施的配套建設,為天然氣項目的推廣提供氣源條件。

現(xiàn)有船舶柴油發(fā)動機能效低，易對內(nèi)河區(qū)域的大氣和江水造成污染，通過對陸上車用發(fā)動機改造的研究和應用，為下一步進行船用發(fā)動機天然氣-柴油雙燃料改造和LNG船舶加注打下堅實的研究基礎。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機改造不僅降低生產(chǎn)成本,還響應國家環(huán)保要求,經(jīng)濟效益、社會效益顯著。