雷愛國

湖南省力宇燃?xì)鈩?dòng)力有限公司，湖南 長沙 410205

0 引言

鐵合金行業(yè)耗能大，污染物排放高。鐵合金產(chǎn)品多采用礦熱電爐生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含CO、H2等成分的有害混合氣體，行業(yè)內(nèi)稱之為鐵合金礦熱爐煤氣[1-2]，其主要成分的體積分?jǐn)?shù)如表1所示。鐵合金礦熱爐煤氣銷毀或利用的方式主要為直接燃燒掉或用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等[3]。鐵合金礦熱爐煤氣直接燃燒造成大氣污染，用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電易回火，燃燒難以控制，負(fù)載低，運(yùn)行不穩(wěn)定[4-6]。為了提高鐵合金礦熱爐煤氣的回收與利用效率，防止內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管回火，滿足不斷提高節(jié)能環(huán)保和“雙碳”目標(biāo)的要求，根據(jù)鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規(guī)燃?xì)獬煞植町愋约捌淙紵攸c(diǎn)，開發(fā)專用鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組有現(xiàn)實(shí)意義。

表1 鐵合金礦熱爐煤氣主要成分的體積分?jǐn)?shù) %

1 主要技術(shù)參數(shù)

在常規(guī)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)及其發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究與分析鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規(guī)燃?xì)獬煞植町愋约捌淙紵攸c(diǎn)，研發(fā)LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組。LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)為16缸、V形布置、四沖程、水冷、渦輪增壓中冷、火花塞點(diǎn)火,主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

采用預(yù)混合技術(shù)的鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組，其整個(gè)進(jìn)氣管道內(nèi)充滿易燃混合氣，易導(dǎo)致缸內(nèi)異常燃燒，造成進(jìn)氣管內(nèi)回火和機(jī)組跳機(jī)。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)回火，LY1200礦熱爐煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)采用空氣、燃?xì)夥致吩鰤旱倪M(jìn)氣結(jié)構(gòu)，如圖1所示?？諝庀群蠼?jīng)過空氣過濾器、空氣增壓器、空氣節(jié)氣門、空氣中冷器和空氣進(jìn)氣總管；鐵合金煤氣經(jīng)過煤氣節(jié)流閥、煤氣增壓器、煤氣中冷器、煤氣節(jié)氣門、單缸煤氣控制閥，再進(jìn)入進(jìn)氣歧管及缸蓋進(jìn)氣道內(nèi)與空氣混合。該進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是空氣與煤氣在進(jìn)氣歧管內(nèi)混合后再進(jìn)入缸內(nèi)，且各缸燃?xì)膺M(jìn)氣量可單獨(dú)控制，保證各缸進(jìn)氣均勻性，使機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定。

圖1 LY1200礦熱爐煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖

2.2 活塞燃燒室

為減少缸內(nèi)早燃的發(fā)生，針對(duì)礦熱爐煤氣的燃燒特性，改進(jìn)活塞頂部結(jié)構(gòu)，采用縮口燃燒室，活塞頂部改進(jìn)前、后對(duì)比如圖2所示?？s口燃燒室有利于空氣與煤氣在缸內(nèi)充分混合，有效增強(qiáng)燃燒室內(nèi)湍流動(dòng)能，促進(jìn)燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)[7]，加快燃燒室內(nèi)的燃燒速度，加快壓縮沖程缸內(nèi)壓力和溫度升高速率，減少后燃，降低排氣溫度，提高燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)可靠性與壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀穆?，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)高效穩(wěn)定燃燒，有效阻止異常燃燒，提高產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性與可靠性。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后

2.3 壓縮比

發(fā)動(dòng)機(jī)的許用壓縮比隨氣體燃料成分不同而不同，根據(jù)氣體成分確定發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比是避免爆燃的有效方法。根據(jù)鐵合金煤氣的氣體成分、燃燒特性，以及以往匹配燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，試制3種不同壓縮比(分別為11.5、12.0、12.5)的活塞。3種活塞裝配在同一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同壓縮比的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能參數(shù)對(duì)比，如表3所示。

表3 不同壓縮比的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能參數(shù)對(duì)比

由表3可知，壓縮比為12.5的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率較高，熱耗率較低，但NOx排放較高。

由于壓縮比為12.5的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在調(diào)試過程中缸溫超過430 ℃且出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，最終確定本機(jī)最佳壓縮比為12.0。

2.4 增壓器和進(jìn)氣增壓旁通

增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配直接影響燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和動(dòng)力性。因鐵合金煤氣易引起閃爆，造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管回火，所以采用空氣增壓器與燃?xì)庠鰤浩鞑⒙?lián)安裝、空氣和鐵合金煤氣分路增壓的增壓方式。計(jì)算所需的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及邊界條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力為100 kPa。經(jīng)過匹配計(jì)算，壓氣機(jī)外特性參數(shù)如表4所示。

表4 壓氣機(jī)外特性參數(shù)

空氣、煤氣增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行曲線如圖3所示。由圖3可知，增壓器有足夠的喘振裕度，滿足匹配要求，但還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的環(huán)境溫度、大氣壓力、鐵合金煤氣進(jìn)氣壓力、鐵合金煤氣的組分、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火時(shí)刻、幾何壓縮比、各空氣和燃?xì)夤?jié)氣閥的調(diào)整，確定最終的增壓器。

a) 空氣增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī) b) 煤氣增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)

為防止增壓喘振問題，設(shè)計(jì)一種通過旁通控制的高壓比增壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效、高壓比進(jìn)氣增壓，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與工作性能[8-9]。

2.5 凸輪軸

與其它氣源不同，鐵合金煤氣中主要成分為CO、H2，著火溫度低、易燃，易引起進(jìn)氣管回火，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此選擇合適的進(jìn)氣門、排氣門開閉時(shí)刻與氣門重疊角很關(guān)健。根據(jù)已有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用滾輪挺柱型負(fù)曲率半徑的凸輪型線和進(jìn)氣門早關(guān)形式的米勒循環(huán)，相關(guān)配氣相位設(shè)置為：上止點(diǎn)前15°進(jìn)氣門開啟，下止點(diǎn)前9°進(jìn)氣門關(guān)閉，下止點(diǎn)前51.5°排氣門開啟，上止點(diǎn)后14.5°排氣門關(guān)閉，既可保證較高充氣效率，又可減少缸內(nèi)高溫氣體回流進(jìn)氣道內(nèi)引起回火。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采集、處理傳感器得到的各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況信號(hào)，通過運(yùn)算判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及系統(tǒng)的控制效果，做出相應(yīng)的控制決策，發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，使各類閥體開度合適，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)包括電控單元、各類傳感器、485通信、節(jié)流閥、旁通閥、節(jié)氣門、單缸閥等。針對(duì)鐵合金礦熱爐煤氣組分特殊與供給壓力波動(dòng)性的特點(diǎn)，增加燃?xì)饨M分與供氣壓力前饋控制回路，設(shè)計(jì)前饋控制策略與算法，有效消除燃?xì)饨M分變化與壓力波動(dòng)對(duì)燃燒的影響，提高煤氣內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換效率與工作穩(wěn)定性。煤氣發(fā)電機(jī)組控制邏輯如圖4所示。電控單元控制燃?xì)夤?jié)流閥和空氣節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制，控制燃?xì)馀酝ㄩy實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠鰤簤毫Φ目刂?；控制空氣旁通閥實(shí)現(xiàn)空氣增壓壓力的控制；控制燃?xì)夤?jié)氣門和空氣節(jié)氣門實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率的控制，控制單缸閥實(shí)現(xiàn)各缸工作的均衡性與穩(wěn)定性[10]。

圖4 發(fā)電機(jī)組控制邏輯圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在內(nèi)蒙古鐵合金煤氣項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)4臺(tái)套LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試、試運(yùn)行、性能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)氣體主要成分CO、CO2、H2的體積分?jǐn)?shù)分別為67.92%、5.24%、3.88%，熱值為9.07 MJ/m3。4臺(tái)機(jī)組的各缸溫及排溫試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，功率、熱耗率及排放參數(shù)如表6所示。

表5 LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組各缸溫及排溫試驗(yàn)結(jié)果

表6 LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組功率、熱耗率及排放試驗(yàn)結(jié)果

由表5、6可知，通過獨(dú)特的燃?xì)饪刂扑惴?，合理控制空燃比，各缸缸溫控制?20～380 ℃，平均缸溫控制在350 ℃左右，能夠很好地減少鐵合金煤氣缸內(nèi)早燃現(xiàn)象，減少NOx排放。

半年持續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明，LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，其升功率、熱耗率、發(fā)電效率、機(jī)油消耗率等指標(biāo)在國內(nèi)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中處于先進(jìn)水平，性能穩(wěn)定，工作可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。國內(nèi)、外燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能參數(shù)對(duì)比如表7所示。

表7 國內(nèi)、外燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1)根據(jù)鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規(guī)燃?xì)獬煞植町愋约捌淙紵攸c(diǎn)，開發(fā)專屬鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組。機(jī)組采用空氣與鐵合金煤氣分路增壓、兩者在進(jìn)氣歧管與缸蓋入口混合的進(jìn)氣方式，能夠很好地避免發(fā)動(dòng)機(jī)回火的發(fā)生。

2)通過獨(dú)特的燃?xì)饪刂扑惴?，合理的控制空燃比，各缸缸溫控制?20～380 ℃，平均缸溫控制在350 ℃左右，能夠很好地減少鐵合金煤氣缸內(nèi)早燃現(xiàn)象，減少NOx的產(chǎn)生。

3)LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，其升功率、熱耗率、電效率、機(jī)油消耗率等指標(biāo)在國內(nèi)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中處于先進(jìn)水平，性能穩(wěn)定，工作可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有推廣意義。

4)LY1200鐵合金煤氣發(fā)電機(jī)組高效利用鐵合金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢氣，幫助鐵合金行業(yè)更加高效、清潔地運(yùn)營，達(dá)到節(jié)能環(huán)保和“雙碳”目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。