趙學(xué)峰

（川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610051）

1 前言

內(nèi)燃燃?xì)獍l(fā)電已經(jīng)是一種成熟技術(shù)，以天然氣、沼氣、瓦斯等為燃料的燃?xì)獍l(fā)電已成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、應(yīng)急發(fā)電、分布式能源等能源綜合利用的有效補(bǔ)充方式。燃?xì)獍l(fā)電產(chǎn)品功率覆蓋幾十千瓦到幾兆瓦，有卡特、瓦克夏、顏巴赫等國際品牌，國內(nèi)有濟(jì)柴、勝動(dòng)等不同廠家。

伴生氣的主要成分是甲烷，一般甲烷占80%以上，乙烷4%～10%，丙烷3%～8%，丁烷及戊烷2%～5%。由于其高烴成分的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)容易產(chǎn)生爆震，造成零部件的損壞。大家熟知的汽油有一個(gè)辛烷值參數(shù)，這個(gè)參數(shù)是與汽油的抗爆震燃燒能力相關(guān)的。汽油的92號、95號、98號就代表汽油的辛烷值，標(biāo)號越高，辛烷值越高，其抗爆震燃燒能力越強(qiáng)。一般高壓縮比、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)需要采用高辛烷值汽油。

為研究燃?xì)獾目贡紵阅?，研究人員參照汽油辛烷值的測定方法確定了燃?xì)獾募淄橹底鳛楹饬恐笜?biāo)。出臺了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18047-2000《車用壓縮天然氣》，規(guī)定了甲烷值的定義及計(jì)算方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，一般管道天然氣及LNG的甲烷值為85～90，部分LNG含有15%左右的乙烷，其甲烷值僅能達(dá)到70。成分為甲烷85%、乙烷10%、丙烷5%的伴生氣，其甲烷值為66.6。通常來說，對于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，甲烷值高于85的燃?xì)?，是可以滿足額定功率穩(wěn)定運(yùn)行的。而甲烷值在65～85之間的燃?xì)?，需要發(fā)動(dòng)機(jī)降功率運(yùn)行，以避免發(fā)生爆震對發(fā)動(dòng)機(jī)造成損壞。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)對伴生氣的適應(yīng)性，可采取了以下措施。

2 精確空燃比控制

氣體發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)燃?xì)馀c空氣的混合方式不同，大致有這幾種不同結(jié)構(gòu)：中冷后膜片式混合器、機(jī)械內(nèi)混、增壓前電控混合、增壓前流量精確控制、多點(diǎn)電噴控制。

膜片式混合器空燃比控制方式屬于增壓后混合方式，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。瓦克夏發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用這種方式，用于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)是：空燃比可調(diào)范圍小，需要的燃?xì)鈮毫Ω摺?/p>

增壓前精確流量控制方式，采用精確控制燃?xì)饬髁块y、機(jī)械式文丘里混合器，能夠適應(yīng)不同的燃?xì)鈮毫Α舛?，具有稀薄燃燒、精確空燃比控制及不同負(fù)荷對應(yīng)不同空燃比的優(yōu)點(diǎn)，可以優(yōu)化提高不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能?？ㄌ?、顏巴赫發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用這種方式。

增壓前電控混合器空燃比控制方式，采用步進(jìn)電機(jī)控制燃?xì)饬魍娣e，減少燃?xì)饪刂崎y，但需要增加零壓閥，僅適用于燃?xì)鉂舛?、壓力穩(wěn)定的天然氣、沼氣氣源。由于燃?xì)饬髁靠刂莆恢酶拷鰤浩?，所以響?yīng)性稍有提高，但控制精度不如精確控制燃?xì)饬髁糠绞?，對燃?xì)獬煞肿兓倪m應(yīng)性差。

機(jī)械內(nèi)混控制方式，通過增加獨(dú)立的進(jìn)氣凸輪軸，控制燃?xì)忾y的開啟時(shí)刻和周期，來控制燃?xì)獾倪M(jìn)氣量。需要高壓力氣源。該種方式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，排氣溫度低，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

多點(diǎn)電噴控制，每缸采用一個(gè)電磁閥來精確控制燃?xì)饬髁?，需要高壓力氣源，在進(jìn)氣道處混合，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，排氣溫度低。需要優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)氣道，保證燃?xì)?、空氣的充分均勻混合。但存在系統(tǒng)一次投入和使用維護(hù)成本高的問題。

綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選擇采用了增壓前精確流量控制的方式。該方法主要采用速度密度法，計(jì)算不同工況下所需的燃?xì)饬髁浚缓笸ㄟ^燃?xì)饬髁靠刂崎y來精確控制進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬?。通過以下公式計(jì)算出混合氣流量，再根據(jù)不同工況下的空燃比需求來計(jì)算出燃?xì)饬髁浚?/p>

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量（L）；Ve為充氣效率；MAP為進(jìn)氣管絕對壓力（kPa）；Tn=273°K；Pn=101.3kPa；MAT=混合氣溫度（°K）。

3 氧傳感器閉環(huán)控制

根據(jù)圖1《氣體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性圖》，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)均效壓力或負(fù)荷的提升，過量空氣系數(shù)λ需要控制在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒遠(yuǎn)離爆震區(qū)和失火區(qū)。因此，我們安裝了氧傳感器，測量發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氧含量，計(jì)算過量空氣系數(shù)，進(jìn)行閉環(huán)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)全工況稀薄燃燒，降低發(fā)動(dòng)機(jī)排溫、NOx排放，降低燃燒的爆震趨勢。

圖1 氣體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性圖

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上采用寬域氧傳感器，能夠測量不同空燃比混合氣燃燒后的廢氣中氧含量，輸出對應(yīng)的電壓信號，根據(jù)該測量值，可以反推出實(shí)際的過量空氣系數(shù)。

甲烷燃燒反應(yīng)公式：CH4+2O2=CO2+2H2O，氧傳感器測出的是排氣中的氧氣體積含量V，根據(jù)甲烷燃燒反應(yīng)公式，在高溫下，燃燒產(chǎn)生的水是以氣態(tài)形式存在的，因此，可以近似看作燃燒前后的混合氣體積是不變的。根據(jù)空氣中的氧氣體積含量21%，假設(shè)實(shí)際進(jìn)的空氣體積為X，甲烷體積為1，則進(jìn)的氧氣量為0.21X，剩余氧氣體積V=0.21X-2，總進(jìn)氣量為1+X，則：

如通過氧傳感器測出排氣中氧含量為7%時(shí)，λ=（0.07+2）/（2-9.524×0.07）=1.553。

4 爆震監(jiān)控

為實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行燃燒情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)上增加了爆震監(jiān)控系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震監(jiān)控系統(tǒng)主要由爆震模塊、爆震傳感器和爆震線束3部分組成。其中，爆震模塊功能是對爆震傳感器振動(dòng)信號的監(jiān)測和信號處理。爆震傳感器用于采集聲音振動(dòng)的頻率信號，可采用每缸一個(gè)爆震傳感器或者兩缸共用一個(gè)傳感器的方式，爆震線束則是連接爆震模塊和爆震傳感器。

爆震模塊使用爆震監(jiān)測窗口的快速傅里葉變換策略，振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)采樣點(diǎn)形成一個(gè)帶尖角的窗口，對這些采樣點(diǎn)進(jìn)行N個(gè)點(diǎn)的傅里葉變換。在頻譜上使用濾波器只查看爆震發(fā)生的特定頻率帶。在最終濾波頻譜上計(jì)算平均值，積分值和最高值。這些值按照一定的比例設(shè)置為每缸定義0～100%的爆震強(qiáng)度。參考圖2，爆震監(jiān)測示意圖，圖中左下柱狀圖代表參考窗口，右下柱狀圖代表爆震窗口區(qū)域，圖中上方灰色曲線代表爆震傳感器的采樣信號，黑色虛線代表爆壓信號。

圖2 爆震監(jiān)測示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震通常劃分3個(gè)級別，分別為輕度爆震、中度爆震和重度爆震?；诓煌墑e的爆震，控制策略也有差異。輕度爆震發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警信號，同時(shí)，調(diào)整點(diǎn)火提前角或者降載以消除爆震現(xiàn)象；中度和重度爆震發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令。

爆震對于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，是具有破壞性的，主要表現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降、排放惡化、氣耗增加，最直接的影響就是敲缸、損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部件。因此，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至可以與點(diǎn)火系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行連鎖反應(yīng)，可以有效地消除發(fā)動(dòng)機(jī)爆震現(xiàn)象。

5 并網(wǎng)運(yùn)行

當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為孤島電站運(yùn)行時(shí)，為了適應(yīng)負(fù)載的頻繁、大幅度波動(dòng)，需要調(diào)低過量空氣系數(shù)以提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，但這樣會使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，排溫高、易爆震。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加穩(wěn)定，盡可能提高過量空氣系數(shù)λ，選用自動(dòng)化機(jī)組管理模塊實(shí)現(xiàn)無隙并網(wǎng)控制方式。

并網(wǎng)發(fā)電有幾種方式：

（1）電網(wǎng)提供穩(wěn)定負(fù)荷，發(fā)電機(jī)組提供此外多出的負(fù)載值，對機(jī)組控制要求較高，包括起動(dòng)性能、響應(yīng)速度。

（2）發(fā)電機(jī)組提供穩(wěn)定的負(fù)荷，不夠的由電網(wǎng)提供，多余的輸出到電網(wǎng)上，對機(jī)組要求低。常用的是所有電力輸出都送到電網(wǎng)上。

（3）發(fā)電機(jī)組仍并到電網(wǎng)上，但負(fù)荷全部由發(fā)電機(jī)組提供，對機(jī)組控制及響應(yīng)性要求低，但可靠性要求高，以免對電網(wǎng)造成沖擊。

我們采用的是第二種方式，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電全部輸送到電網(wǎng)上，運(yùn)行負(fù)荷可自主控制、穩(wěn)定不變，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效、低排放工況。