低浓瓦斯发电效能提升研究与实践

低浓瓦斯发电效能提升研究与实践

王晓光

安徽省淮北矿业集团股份有限公司电力分公司 235000

摘要：瓦斯发电机组受机组本体机械部件、控制系统、气源等因素影响，制约机组发电能力，机组功率输出不足，700kW机组发电输出在400kW左右，平均不到60%的能力，发电效能低。结合芦岭瓦斯电站15号机组，通过对机组点火系统研究分析、气缸密封性研究与分析、增压器匹配计算与分析、空气燃气比控制数据分析、气体输送及气处理分析，分析了机组功率低问题，提出提效改进方法和技术，实现高效发电。

关键词：发电效能；点火系统；气缸密封性；增压器匹配；空燃比

0引言

瓦斯是煤炭共生的优质洁净能源，其主要成分是CH4，但它又是一种温室气体，其温室效应是CO2的21倍，国际清洁能源组织要求各国尽可能地减少瓦斯向大气中的排放，瓦斯发电技术作为新能源发电技术【1.2】，将煤矿未能利用的瓦斯燃烧转化成电能。但目前低浓瓦斯发电效率和效能上仍不足，需要再研究再提升。

本文在芦岭瓦斯电站15号机组及现场气源，通过机理分析和计算、瓦斯输送系统分析等，提出改进方法和技术，提高机组的单机效能。

1 芦岭瓦斯电站气源情况及机组运行情况

芦岭瓦斯电站气源压力：2.3kPa～20kPa，气源温度：34℃～42℃，甲烷浓度8.06%～12.96%，管道气中存在游离水。测试过程中，气源压力和浓度存在周期性波动，实测瓦斯成分如下：

表2.1-1   芦岭瓦斯电站管道气气体成分记录表

芦岭瓦斯电站装机12台700kW机组，平均功率在400kW左右，机组发挥效能不足，且机组单机功率波动较大。

2点火系统研究及分析

火花塞的点火过程受到多种因素的影响，主要有点火能量，混合气浓度，火花塞附近的流动状态等。

2.1模型选择及计算

湍流模型：k-e模型是在湍流的工程计算中应用最为广泛的湍流模型，计算中在离开壁面一定距离处使用该模型。

燃烧模型：计算中发动机燃烧方式为预混型点火式燃烧，燃烧模型应用了相干火焰模型(Coherent Flame Model)。

求解算法：内燃机缸内流场的求解多采用Euler法或Lgarnage-Euler法相结合的方法。计算中数值模拟采用的是PlSO算法。

图2.2-1  曲轴转角688°CA时缸内气体流动情况

图2.2-2  曲轴转角702°CA时缸内气体流动、湍动能以及火焰表面密度分布情况

图2.2-3  曲轴转角705°、707°、710°CA时火焰表面密度分布情况

火焰表面密度分布以及数值的大小，可以反应出火焰传播能力的大小和传播速度的快慢。计算表明，尽管缸内气体平均流速较大，但其火焰传播速度较慢。

混合气浓度和火花塞附近的流动状态由机组结构和转速等因素决定，增大点火能量或增加点火次数是解决启动困难和提高燃烧效率的有效方法。

2.2研究分析

（1）现场使用的CD200D点火控制器，有效放电能量在80-130mJ，从近几年瓦斯气电站应用情况看,在气源含水量较大的场合，放电能量偏低且易损坏；

（3）现场点火线圈及火花塞老旧，介电和放电性能低，电磁干扰严重；

（3）机组在标定转速（1000r/min）运行时测得的点火提前角为41℃A，典型瓦斯气点火提前角在36℃A左右，点火提前角较大，易引起爆震和缸温蹿升。

2.3改进建议

（1）优化点火控制器，增大点火能量，增加过电流保护功能，避免个别通道过流烧损；

（2）选配耗损小、绝缘可靠、干扰性低的点火线圈；

（3）选配可靠性好，使用寿命长、兼容大能量点火部件的火花塞；

（4）优化调整点火提前角。

2.4相关技术解释

（1）点火系统优化包括点火部件优化和点火提前角优化。点火部件优化主要是提高点火能量，提高部件可靠性，增加保护功能，提高点火成功率和点火部件使用寿命；点火提前角优化是通过合理设置点火提前角，使燃料在缸内成功点火且持续燃烧，保证燃烧最大压力点出现在发动机做功冲程的最佳时刻（一般是上止点后曲轴转角的14度左右）。

（2）点火提前角跟管道气瓦斯浓度没有直接关系，因为不管管道瓦斯气浓度高低，控制系统和混合器都力求将进入缸内的混合气调整到最佳空燃比。

（3）由于浓度测量响应时间长，判断过程滞后，控制效果差，所以机组控制策略一般不采用浓度变化值来实现。

（4）点火提前角的设置跟机组转速、环境温度和管道气成分有关，比如夏天温度高，燃料着火预燃期短，点火提前角就要小些，冬天温度低，燃料着火预燃期长，点火提前角就要大些；再比如氢气着火速度快，点火提前角也要小些，一氧化碳着火速度慢，点火提前角也要大些。

（5）在转速固定的情况下，燃气发动机点火提前角一般是通过缸内爆发压力和缸内燃烧温度来控制调整的。特别是缸温控制简单可靠，反应速度快，在国内机组应用较为普遍。

3气缸密封性研究及分析

芦岭瓦斯电站15号机组气缸密封性测试时发现：电动马达带动机组空车转动时，气缸压缩压力为1.26MPa（正常值约1.5MPa）。空车压缩压力较小，气缸密封性较差。12V190机组在一个中修期内，活塞环与缸套间的磨损一般比较正常；影响机组性能的主要是气门与气门座圈间的漏气现象。

图3-1  漏气的进、排气门和气门座圈

为了研究气门和气门座圈的磨损规律，对现场机组运行环境进行了实验室模拟。模拟测试发现：气门和气门座圈磨损后，进排气管出现不同程度的回火和放炮现象，机组运行状况和带载能力明显变差。

图3-2  进、排气门漏气时机组出现的回火迹象

图3-3  进、排气门漏气时机组出现的放炮迹象

图3-4  进、排气门漏气时机组出现的放炮与回火同时发生的迹象

图3-5  进、排气门漏气导致机组缸温窜升时进、排气压力变化情况

4增压器匹配计算分析

瓦斯气机组的缸径、行程确定后，为了得到较高的功率，就需要更多的燃料和空气进入气缸参与燃烧，从而获得更高的平均有效压力（BMEP）推动活塞做功，内燃机增压技术是提高机组功率的有效途径。

4.1现场测试数据

表4-1  芦岭瓦斯电站瓦斯气机组增压器匹配参数测量记录表

测试机组：15号机组

芦岭瓦斯电站15号机增压器流量/压比MAP图和匹配曲线如下：

图4-2芦岭瓦斯电站15号机增压器匹配曲线

4.2模拟状态下对比实验数据

实验室状态下增压器验证比对曲线如下：

图4-3实验室状态下增压器模拟匹配曲线

图4-4 实验室状态下增压器模拟匹配测试参数

4.3数据分析

该型号增压器在实验室状态下，机组功率能够加到750kW。在标定工况附近，增压器运行在高效区。在现场测试工况下，机组最大运行功率450kW，过量空气系数小，混合气偏浓，机组运行功率低。增压器工作曲线处在小流量范围，运行点偏离正常范围较大。从测试曲线看，可能存在缸盖、排气管等密封部位漏气现象，应对机组加强维护保养，适时中、大修，恢复机组良好工作性能。

5空燃比控制数据分析

5.1测试数据

表5-1  芦岭瓦斯电站瓦斯气机组空燃比控制数据记录表

测试机组：15号机组                            

图5-2  芦岭瓦斯电站瓦斯气机组空燃比控制数据曲线

5.2测试数据分析

机组功率从300kW 提升到400kW,燃气阀开度从42%变到67%，调速阀开度从29.9%变到92.4%，燃气阀开度出现大幅度跃升，过量空气系数从1.47降低到1.38。表明增压器提供的压力不够，只能通过增加浓度来提高功率。

从测试的过量空气系数变化来看，随着机组功率的提高，过量空气系数逐渐减小，200～300kW时，过量空气系数在1.5左右，但是400～450kW时，过量空气系数减小到1.38、1.25。

正常机组的过量空气系数变化规律，应该是随着机组功率的提高，过量空气系数逐渐增大，一般在1.5～1.6之间，高功率稀燃时可能更大。要准确的调控空燃比，使其一直运行在理想范围，需要机组本身和控制系统两方面条件都要具备，才能实现最佳空燃比控制功能。

机组本身条件，包括增压器提供足够的进气压力，点火系统性能良好，缸、排温热电偶测量准确等，使控制系统有调整的空间和调整的基准。从测试数据来看，增压器出口压力低，使控制系统没有调整空间；缸排温测量不准确，使控制系统没有控制的基准。当然还可能有排气漏气、点火不良、气缸密封性下降等问题。

控制系统的条件，包括根据缸温测量值准确调整空燃比，燃气浓度和压力变化时，能迅速调控，使实时空燃比与最佳值偏离不能太大。

综上所述，机组在低负荷状态时加载过程正常，超过300kW后，燃气调节阀开度加大，过量空气系数λ变小，机组需要加浓混合气才能提升功率，功率加到450 kW时，λ值为1.25，混合气已经过浓，继续增加功率容易引起缸温蹿升，机组不能维持正常运行。

6气体输送及气处理分析

6.1瓦斯管道气源压力存在波动

实际现场勘查芦岭矿抽排泵站抽出瓦斯压力波动很大，测试期间，15号机组进机前管道气压力为2.3～20kPa，波动范围较大，不利于机组稳定功率输出，发挥效能，且不利于机组设备及部件安全运行。

6.2气体含水问题

现场测试过程中发现，瓦斯抽采泵出口气体含水较大，且瓦斯输送管路的水雾是长期运行的，造成机组进气管道内存在大量游离水，进入机组后不利于缸内点火做功，且容易对增压器叶轮造成损伤，机组做功效果差。

7改进方法、技术及实施效果

通过对机组点火系统研究分析、气缸密封性研究与分析、增压器匹配计算与分析、空气燃气比控制数据分析、气体输送及气处理分析，对15号机组实施以下改进方法

（1）选配可靠性好，使用寿命长、兼容大能量点火部件的火花塞；现场采用进口型火花塞。

（2）选配耗损小、绝缘可靠、干扰性低的点火线圈。

（3）15号的气缸盖的进、排气门以及进、排气座圈进行密封性检测，漏气的进行重新装配。

（4）根据增压器匹配计算，主要采取解决机组排气管漏气，对机组排气管路漏气点进行处理，漏气引起增压器无法达到高效率运行。

（5）正常机组的过量空气系数一般在1.5～1.6之间，高功率稀燃时可能更大，合理调整空燃比，更换缸、排温线，提高机组缸温排温检测的精准度。

（6）增装机组单机的稳压器，着重解决机组进气的稳定性；现有机组进气管路增设降温脱水器，瓦斯输送管路系统及机组进气管路采用正压放水器，着重解决机组气体游离水问题。

表7-1  15号机组改进实施效果

8结语

通过机理分析、计算与软件模拟，并结合现场实施效果，可以看出，采取对火花塞和点火线圈优选，减少气缸盖及机组进、排气管漏气，提高测温精准度，优化输气管路系统，减少游离水成分等多种方法，大幅度提高机组输出功率，提高机组效能；效果显著，具有较强的实用性和推广价值。

参考文献

[1]  惠晶，新能源转换与控制技术. [M].北京：机械工业出版社，2008；190-219

[2]翟秀静，刘奎仁，新能源技术[M].北京：化学工业出版社，2005；251-263

作者简介：王晓光 1983年3月10日 男 山东栖霞 汉族 本科 中级工程师 安徽省淮北矿业集团股份有限公司电力分公司 研究方向: 瓦斯发电及利用