孟紅霞 沈艷 郭華 査麗平 黃敏勤 瞿俊鳴

(1. 上汽集團商用車技術中心，上海 200438； 2.上海內(nèi)燃機研究所，上海 200438；3. 常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213167；4. 無錫科博增壓器有限公司，江蘇 無錫 214177；5. 江蘇四達動力機械集團有限公司，江蘇 無錫 214187)

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原 創(chuàng)

新型生物質(zhì)氣發(fā)電機組的研發(fā)及應用

孟紅霞1,2沈艷4郭華1,2査麗平3黃敏勤5瞿俊鳴1,2

(1. 上汽集團商用車技術中心，上海 200438； 2.上海內(nèi)燃機研究所，上海 200438；3. 常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術研究有限公司，江蘇 常州 213167；4. 無錫科博增壓器有限公司，江蘇 無錫 214177；5. 江蘇四達動力機械集團有限公司，江蘇 無錫 214187)

針對生物質(zhì)氣發(fā)電機組易燃易爆的安全隱患，開展產(chǎn)品安全要求和防護措施的研究，為先進環(huán)保型產(chǎn)品的推廣應用提供試驗驗證。

生物質(zhì)氣 沼氣 發(fā)電機組 安全要求 防護措施

0 前言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國已成為世界內(nèi)燃機制造大國，但同時也存在能源短缺和污染嚴重的問題，內(nèi)燃機耗能和排污嚴重的問題已成為制約國民經(jīng)濟增長的瓶頸。

為實現(xiàn)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標，開發(fā)和生產(chǎn)生物質(zhì)氣發(fā)電機組，以廢棄的秸稈等為原料，在高溫缺氧條件下，使其不完全燃燒和熱解，生成秸稈氣；或以動物排泄物等為原料，在厭氧條件下，依靠厭氧菌將其轉(zhuǎn)化為發(fā)電機組可用的沼氣，對解決能源短缺和環(huán)境污染問題將具有重大的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義。

但生物質(zhì)氣發(fā)電機組存在易燃易爆的隱患，如何安全使用將關系到這一新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。為此，本文針對該機組的安全風險，開展產(chǎn)品安全設計和防護措施方面的研究，為建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型發(fā)動機工業(yè)體系提供技術支撐。

1 試驗裝置

試驗用沼氣發(fā)動機技術規(guī)格列于表1。圖1為沼氣發(fā)電機組及燃料供給系統(tǒng)示意圖。

表1 沼氣發(fā)動機技術規(guī)格

圖1 沼氣發(fā)電機組及其燃料供給系統(tǒng)示意圖

為保證生物質(zhì)氣發(fā)電機組的運行安全可靠，生物質(zhì)氣在使用前經(jīng)脫水、脫硫、除塵和除焦油處理，要求焦油含量小于20mg/m3，總硫量小于200mg/m3，硫化氫含量小于20mg/m3，水分小于20mg/m3，雜質(zhì)粒徑小于5μm，雜質(zhì)含量小于10mg/m3。并且，與生物質(zhì)氣接觸的零部件材質(zhì)應能與生物質(zhì)氣兼容。采用的黑色金屬零部件均經(jīng)過電鍍、化學處理或涂漆等防腐處理。

2 安全要求和防護措施

針對沼氣發(fā)電機組存在易燃易爆的安全隱患，參照國際安全標準的要求[1，2]，從分析安全風險入手，對采用往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的沼氣發(fā)電機組進行安全設計和防護措施研究。

2.1 起動系統(tǒng)

發(fā)動機所裝備的電起動裝置可確保操作者按使用說明書起動時安全運行，并根據(jù)實際需要設置相應的警示標記。

發(fā)動機起動后，起動裝置按規(guī)定程序自動脫開。發(fā)動機裝備的盤車機構與起動裝置之間設有安全聯(lián)鎖裝置，當盤車齒輪處于嚙合狀態(tài)時，發(fā)動機不會自行起動。

2.2 正常停機

發(fā)動機具有手動和自動控制的正常停機裝置。停機通過切斷點火來實現(xiàn)，并同時切斷供氣，以保證停機安全可靠。只有當停機裝置手動復位后，才能重新起動發(fā)動機。

2.3 緊急停機

發(fā)動機裝有緊急停機系統(tǒng)。該機組采用手動控制的緊急停機裝置，其動作比正常停機裝置更加快速有效，可以及時斷開危險元器件與驅(qū)動機構，必要時可進行制動，使發(fā)動機停機。

自動控制的緊急停機裝置可根據(jù)發(fā)動機超速、潤滑油油壓過低或冷卻液溫度過高，以及發(fā)電機電壓過高或地線接錯等危險狀況，發(fā)出報警并自動停機。

2.4 報警裝置

報警裝置發(fā)出的視覺信號(如閃光燈)和聽覺信號(如報警器)可用于警示發(fā)動機起動或超速等即將發(fā)生的危險情況，并可作為自動保護措施，在激發(fā)前對操作者進行警示。

報警裝置的設計和配置查看方便，可在發(fā)動機運轉(zhuǎn)或停機時檢驗其功能是否正常。

2.5防爆裝置

發(fā)動機氣缸蓋進氣口和燃空混合器之間裝有阻火器，用以防止燃空混合器和進氣系統(tǒng)的回火。進排氣管和曲軸箱蓋上裝有防爆安全閥，可預防未燃混合氣的爆炸。

當發(fā)生發(fā)動機點火開關不能打開、發(fā)動機故障停機和熄火或沼氣管路破裂等情況，燃氣供給系統(tǒng)能自動切斷沼氣的供給。

2.6 機械危險防護

發(fā)動機及其附屬裝置的旋轉(zhuǎn)件(風扇、皮帶等)均裝有防護罩殼，以防止異物卷入其中。

除電器元件外，發(fā)動機旋轉(zhuǎn)零部件與其他固定件之間的間隙至少為運動件最大直徑的1/100，并且最小不小于1mm。

2.7 熱表面防護

燃料供給裝置與排氣管之間的距離按規(guī)定大于100mm，距離在100～200mm之間，并設有固定可靠的隔熱防護板。儲氣罐安裝位置遠離熱源，以保證其工作環(huán)境溫度不高于60℃。

發(fā)動機的潤滑油濾清器安裝在旋轉(zhuǎn)零件下方，并遠離高溫表面，同時，將濾清器泄漏的潤滑油引離高溫表面、旋轉(zhuǎn)零件、電器元件和進氣系統(tǒng)。

2.8 電器防護

發(fā)動機的控制和輔助電路均裝有熔斷器，以防止短路或過電流。電控系統(tǒng)的設計可使電壓低于蓄電池名義總電壓的15%，以避免危及控制功能和安全性。

發(fā)動機所用電子電器組件在電磁輻射環(huán)境中能保持正常工作，發(fā)動機及配套裝置的無線電干擾特性均符合相關行業(yè)標準的規(guī)定。

2.9 靜電防護

為了使發(fā)動機達到電勢平衡，所有與外部接觸的零部件均用導體連接到發(fā)動機氣缸體上。為防止靜電累積，發(fā)動機及配套裝置上的所有金屬零部件都有良好的對地導電性，其對地電阻不大于 106Ω。

傳動皮帶的抗靜電性能符合GB/T 10715—2002《傳動帶多楔帶、聯(lián)組V帶及包括寬V帶、六角帶在內(nèi)的單根V帶抗靜電帶的導電性：要求和試驗方法》規(guī)定的最大電阻限值。

2.10 排放

發(fā)動機的污染物排放水平應符合GB 14762—2002《車用點燃式發(fā)動機及裝用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》規(guī)定的排放限值。

2.11 噪聲

按GB/T 1859—2000《往復式內(nèi)燃機輻射的空氣噪聲測量 工程法及簡易法》規(guī)定測量的發(fā)動機噪聲水平應符合相關行業(yè)標準的要求。測試時的噪聲源包括沼氣發(fā)電機組、冷卻系統(tǒng)風扇和進排氣系統(tǒng)。

2.12 耐久性

對沼氣發(fā)電機組，應按GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機 第2部分：試驗方法》中第9章的規(guī)范(表2)進行1000h耐久試驗。

表2 耐久試驗規(guī)范

3 試驗驗證

按照GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機 第2部分：試驗方法》的規(guī)定，進行沼氣發(fā)電機組起動性能試驗。在環(huán)境溫度不低于5℃時，不采用任何機外措施，發(fā)動機應能順利起動。當溫度在-5～-10℃范圍時，機油和冷卻水經(jīng)預熱后，機組亦能順利起動。

采用火花點燃的沼氣發(fā)動機，起動后可以平穩(wěn)地從怠速進入全負荷工況，在基準環(huán)境條件下，其最大功率可達60kW。圖2示出分別采用空燃比調(diào)節(jié)和節(jié)流閥調(diào)節(jié)(空燃比1.15)控制方法對發(fā)動機性能的影響。其調(diào)速特性符合GB/T 2820.5—1997《往復式內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組 第5部分：發(fā)電機組》的要求，達到1級水平(表3)。

圖2 不同功率控制方法對發(fā)動機性能的影響

項目參數(shù)穩(wěn)態(tài)特性標定調(diào)速率/%15穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動率/%1.5動態(tài)特性瞬時轉(zhuǎn)速差率/%10轉(zhuǎn)速恢復時間/s5

按GB 14762—2002《車用點燃式發(fā)動機及裝用點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》的規(guī)定，進行發(fā)動機排放測試(表4)。結果表明，在低負荷區(qū)，較低的燃燒溫度使CO和碳氫化合物(HC)排放增多。隨著負荷的增加，較高的燃燒溫度抑制了CO和HC排放的增加，但在高負荷區(qū)，沼氣含量的增加使著火延遲期增加，致使燃燒溫度逐步提高。當負荷升高到70%～80%時，氮氧化物(NOx)排放達到最高值。

表4 沼氣發(fā)電機組排放試驗結果 g/(kW·h)

雖然本試驗未對噪聲進行測量，但明顯察覺到沼氣發(fā)動機的噪聲要比同功率汽油機的高，比柴油機的低。

此外，還對沼氣發(fā)電機組進行1000h耐久試驗。結果表明，燃氣供給系統(tǒng)的所有零部件均能經(jīng)受高速、高負荷的考驗，未出現(xiàn)任何需要停機檢修的一般故障或嚴重故障。對發(fā)動機進行點火開關無法打開、發(fā)動機熄火和沼氣管路破裂等突發(fā)事件的模擬故障試驗，證實其安全控制裝置能自動切斷燃氣供給，保證機組的安全運行。

4 結語

隨著我國石油資源對外依存度的不斷升高，代用燃料正受到廣泛關注。試驗研究表明，開發(fā)生物質(zhì)氣發(fā)電機組對實現(xiàn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標將具有重大的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義。

生物質(zhì)氣發(fā)電機組在中高負荷時有恒定的高熱效率，尤其適用于發(fā)電用固定式發(fā)動機。但是，在稀混合氣的低負荷區(qū)，由于發(fā)動機容易失火，導致熱效率較低。

就目前的初步試驗結果來看，為生物質(zhì)氣發(fā)電機組設計的安全防護措施可以保證發(fā)動機的安全可靠運行。但是，該發(fā)電機組的污染物排放水平還不能滿足點燃式發(fā)動機國Ⅱ排放限值的要求。因此，在繼續(xù)改進缸內(nèi)燃燒過程的同時，采用機外排氣后處理系統(tǒng)將是必不可少的措施。

[1] Reciprocating internal combustion engine driven generating sets-safety. EN 12601, 2001.

[2] Road vehicles—Compressed natural gas (CNG) fuel systems，Part 1：Safety requirements. ISO 15501-1, 2001.

2015-02-03)