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章愷，劉振峰，翁一武
（上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海200240）
摘要：文章以30kW生物質氣內燃機發電機組為研究對象，通過改變CO，H2，CH4，CO2等組分的比例配制氣體，來模擬不同生物質氣，并分析生物質氣組分和熱值對內燃機發電機組啟動特性和發電特性的影響。分析結果表明：CO2的阻燃效果顯著，CO2的比例升高會阻礙內燃機的點火啟動，導致內燃機組無法正常工作；H2的助燃效果顯著，提高H2的比例可以改善內燃機組的啟動特性和發電特性；內燃機組的最大輸出功率隨著生物質氣熱值的增加而上升，當生物質氣的熱值大于6.75MJ/m3時，內燃機組可以達到額定輸出功率（30kW）；當生物質氣熱值相同時，降低CO2比例或提高H2比例，內燃機組的做功能力將會增強；內燃機組的發電效率隨著輸出功率的增加而升高，燃氣消耗率隨著輸出功率的增加而降低。
0前言
為了應對當今社會面臨的能源短缺和環境污染問題，越來越多的國家開始調整能源結構，減少對化石燃料的使用，并大力開發可再生能源。可再生能源包括生物質能、太陽能、風能、海洋能、地熱能等，其中，生物質能具有儲量大、分布廣、低污染的特點，是傳統能源良好的替代能源，因此，生物質能成為了世界各國研究開發的重點[1]。
隨著生物質能轉換技術的發展，通過生物質能來發電的方式逐漸多樣化。我國具有良好的生物質氣發電技術基礎。早在20世紀60年代，我國就研制出了谷殼氣發電裝置，功率可達60kW[2]。“十五”期間，國家“863”計劃研制開發了4~6MW的生物質氣化燃氣-蒸汽聯合循環發電系統[3]。
現階段，國內的專家學者們圍繞生物質氣內燃機發電的相關技術開展了大量研究。在模擬計算方面，王令金設計、改裝了12V190型生物質氣發電機組，設計并標定了適用于低熱值燃料的生物質氣/空氣混合器[4]。馮向云建立了生物質氣體內燃機燃燒室模型，利用數值模擬的方法對生物質氣體內燃機的燃燒過程進行了模擬分析，研究結果表明，生物質氣體內燃機的燃燒速度較慢，后燃現象嚴重，動力性能低于天然氣內燃機，但是排放性能優于天然氣內燃機[5]。周洋毅利用GT-Power軟件對生物質氣內燃機進行了性能模擬和動力性優化[6]。劉長宏針對生物質氣體燃料成分的差異對發動機輸出功率造成不穩定影響的問題，提出了一種系統控制方案，并完成了控制系統的仿真研究。研究結果表明，該控制系統能夠有效改善生物質氣體燃料發動機的輸出功率，并具有較好的動態性能和抗干擾性能[7]。賴凱提出了一種基于下吸式固定床氣化爐的新型生物質冷、熱、電聯供（CCHP）系統，通過系統模型的建立與計算，研究了氣化子系統的氣化特性以及系統在全工況條件下的能量輸出特性、運行經濟特性和二氧化碳排放特性[8]。在實驗研究方面，樊俊杰以6126型發動機為基礎研制了60kW生物質氣內燃發動機，針對生物質氣的特性，對控制模塊進行優化設計，設計了特殊電控混合器，并通過連續實驗進行了驗證[9]。李楊通過實驗數據對生物質氣內燃機和生物質氣固體氧化物燃料電池這兩種生物質氣發電系統的特點進行了研究，分析了兩種生物質氣發電方式在不同領域的應用前景[10]。張強開展了對190型生物質氣內燃機動力性、經濟性和排放特性的研究[11]。
綜上所述，國內有關生物質氣內燃機發電技術的研究主要集中在模擬計算方面，而在實驗方面的研究較少，針對生物質氣組分變化對發電機組性能影響的研究更為缺少。因此，本文通過配制不同種類的生物質氣進行實驗，研究生物質氣組分和熱值的變化對內燃機組啟動特性和發電特性的影響。
1實驗材料與方法
1.1實驗材料特性分析
生物質氣的熱值一般為4~8MJ/m3。不同的生產方式和原料，所獲得的生物質氣的組分和熱值差異很大[12]。實驗過程中參考棉稈通過空氣氣化所得的成分配制了一種生物質氣，其組分如表1所示[13]。由于棉稈是以空氣為氣化劑進行氣化的，因此，產出的氣體中氮氣的比例較高。
1.2實驗步驟
（1）實驗開始前，對管道進行氣密性檢查，確保管道不漏氣，并對各測量部件進行校準，確保測量精度。檢查負載柜內各負載開關是否出現短路，確保負載系統不出現漏電現象；檢查冷卻液和機油是否充足，確保冷卻系統能夠正常工作。
（2）實驗開始時，先將CO，H2，CH4，CO2和N25種氣體通入儲氣罐，在儲氣罐內配制出成分比例不同的生物質氣。
（3）生物質氣配制完成后，打開進氣管路的電磁閥，同時使空氣調節閥開度較小，保證混合氣中具有較大濃度的燃氣，以便點火啟動。在機組控制面板上按下啟動按鈕，6s后機組點火啟動，如果點火失敗，機組停機報警。點火成功后，機組進入怠速運行工況，怠速運行12s后，控制系統會增大節氣門開度，提高發動機轉速，直至機組達到額定工況。額定工況時，轉速為1500r/min。
（4）待發動機轉速達到1500r/min后，通過負載柜加載，同時調整控制柜上的電控旋鈕來改變空氣調節閥的開度，從而保證合理的空燃比。當機組輸出功率增加時，適當提高調節閥開度，使燃氣能夠充分燃燒，以提高機組的輸出功率。
（5）生物質氣中各氣體成分的比例可在氣體分析儀上讀出，輸出功率、發電電壓和電流可在內燃機控制屏上讀出，進氣流量可在渦街流量計上實時顯示。
（6）記錄實驗數據后，將機組先調整為怠速工況運行一段時間，然后再停機。停機之后，調整生物質氣組分的比例，配制出新的生物質氣，再重復進行上述步驟。
（7）實驗結束后，確保各閥門和電源開關處于關閉狀態。
2實驗設備
實驗使用的內燃機發電機組是由6105型柴油發動機改造而來，取消了原機的燃油系統，代之以燃氣系統（包括點火器、電控混合器、調壓閥、進氣管、電磁閥等）。發動機的機體、曲柄連桿機構、冷卻系統和潤滑系統基本保持不變。生物質氣內燃機發電機組系統的示意圖、實驗現場圖和內燃機實物圖分別如圖2，3所示。
2.1生物質氣內燃發電機
額定功率為30kW的生物質氣內燃發電機為六缸四沖程直列立式，該發電機通過火花塞進行點火，并用水進行循環散熱，額定轉速為1500r/min。發電機組的燃氣供給系統安裝有壓力調節閥和混合器，以保證燃氣的進氣壓力穩定，同時可以合理控制空燃比。生物質氣內燃發電機的主要技術參數如表3所示。
2.2主要配件
系統的主要配件包括Gasboard-3100型氣體分析儀、CKLUGB-DC-D50-W型渦街流量計、AMCO1803型調壓閥和SYF02-08型電控空氣調節閥等。
3結果與分析
3.1組分變化對內燃機發電系統啟動特性和發電特性的影響
通過改變CO2和H2兩種氣體的比例，來研究生物質氣組分變化對內燃機發電系統啟動特性和發電特性的影響。
3.1.1 CO2組分變化的影響
選取CO2組分在20%~65%內變化，來研究CO2組分變化對發電機組啟動特性和發電特性的影響。為了排除H2和CO的影響，控制H2的比例不超過1%，CO的比例不超過5%，將CH4作為生物質氣中主要的可燃性氣體。實驗結果如表4所示。從表4可以看出，當CO2的比例超過40%時，機組均無法正常點火啟動。氣體1中CH4的比例為19.54%，氣體1的熱值為7.63MJ/m3，高于其他3種氣體。發電機組在采用高熱值生物質氣的情況下，都難以實現點火啟動，可見CO2的阻燃效果顯著。當生物質氣中的可燃性組分主要為CH4時，要實現機組的正常點火啟動，CO2的比例必須降低到20%以下，如氣體4中CO2的比例19.4%，CH4的比例為19.10%，氣體4的熱值為7.02MJ/m3，此時，機組能夠點火啟動，實現1500r/min的空載運行，而無法輸出功率。這反映了CO2對氣體燃燒具有顯著的抑制作用。
3.1.2 H2組分變化的影響
為了研究H2組分的變化對發電機組啟動特
性和發電特性的影響，固定CO2的比例為40%左右，并控制其他可燃性氣體的比例，其中，CO的比例為7%~10%，CH4的比例為9%~13%。在此基礎上，將H2組分的比例調整為0~15%進行實驗。實驗結果如表5所示。
從表5可以看出，3種氣體的熱值相近，3種氣體的CO，CH4和CO2組分的比例也相近，可以認為在這種情況下，發電機組的啟動和發電特性主要與H2組分的比例有關。當H2組分的比例為0.47%時，氣體的熱值為5.84MJ/m3，機組無法正常點火啟動；當H2組分的比例提高到9%時，機組能夠順利點火啟動，輸出功率為6kW；當H2組分的比例達到14.86%時，機組的輸出功率為18kW，做功能力顯著增強。由此可見，當氣體的熱值相近時，提高H2組分的比例，發電機組的啟動特性將會顯著改善，做功能力也會有很大的提高。這是因為H2的著火范圍寬、火焰傳播速度快、點火能量低，相比于其他燃料具有更高的燃燒效率。
3.2熱值對最大輸出功率的影響
當生物質氣的熱值改變時，機組做功的能力會隨之改變。實驗過程中控制生物質氣中各組分的比例，其中，CO2的比例為10%~22%，H2的比例為10%~20%，CH4的比例為3%~14%，CO的比例為10%~21%，其余均為氮氣。在上述范圍內配制不同熱值的生物質氣進行實驗，實驗結果如表6所示。根據實驗結果繪制出的最大輸出功率與進氣熱值的關系圖如圖4所示。
由圖4可知，最大輸出功率隨著生物質氣熱值的增加而增加，當熱值大于6.75MJ/m3時，最大輸出功率可以達到額定的30kW。橫向觀察可以發現，當生物質氣熱值處于某個范圍內時，最大輸出功率保持不變，如當生物質氣熱值為4.35~5.40MJ/m3時，最大輸出功率保持在15kW。縱向觀察可發現，當生物質氣熱值處于某個數值附近時，會出現不同的最大輸出功率，如當生物質氣熱值約為6.0MJ/m3時，最大輸出功率會出現大幅度變化，最小為18kW，最大可達24kW。這是因為，一方面，輸出功率是每隔3kW逐步增加，由于機組效率的影響，導致發電機組每個輸出功率都有對應的最低熱值和最高熱值，當生物質氣熱值處于兩者之間時，最大輸出功率保持不變；另一方面，在熱值相同的情況下，氣體組分的影響較大，這就導致生物質氣熱值相同時會出現不同的最大輸出功率。由于H2的助燃效果顯著，燃燒效率較高，而CO2的阻燃效果明顯。因此，在生物質氣熱值相同的情況下，H2組分的比例越高，CO2組分的比例越低，機組的最大輸出功率將會越大。
3.3效率特性分析
為了研究機組發電效率隨輸出功率的變化關
系，選取一種生物質氣進行實驗（該生物質氣的熱值為7.17MJ/m3，CO的比例為19.98%，CO2的比例為15.89%，H2的比例為18.44%，CH4的比例為7.47%，其余均為氮氣）。實驗過程中，依次增加電阻絲負載，使機組的輸出功率在6~30kW內變化，通過實驗結果可繪制出效率特性曲線和燃氣消耗率曲線，分別如圖5，6所示。
從圖5可以看出，隨著輸出功率的增加，機組的發電效率呈逐漸上升的趨勢。當輸出功率小于21kW時，發電效率上升緩慢；當輸出功率大于21kW時，發電效率上升迅速。從圖6可以看出，隨著輸出功率的增加，燃氣消耗率呈逐漸下降的變化趨勢。這是因為：①本實驗的機組是在1500r/min的定轉速條件下運行，機械損失幾乎不變，因此，隨著輸出功率的上升，發電效率升高，燃氣消耗率降低；②發電機組擁有一套電控系統來調整節氣門開度，當輸出功率較低時，節氣門開度較小，換氣損失較大，發電效率較低，燃氣消耗率較高；③生物質氣的熱值較低，當輸出功率較低時，進氣量較少，缸內壓縮溫度較低，造成點火滯燃期較長，燃燒速率緩慢，不利于燃氣充分燃燒和膨脹做功，因此，燃氣消耗率較高。
4總結
①CO2會抑制發電機組的點火啟動，阻燃效果非常明顯，當CO2的比例超過40%時，機組無法點火啟動；當可燃性組分主要為CH4時，為保證機組能夠正常點火啟動，CO2組分的比例需要低于20%。與CO2相反，H2的助燃效果相當顯著，即使在CO2的比例較高的條件下，適當提高H2的比例，機組便能點火啟動；隨著H2組分比例的增加，機組的做功能力迅速增強。
②隨著生物質氣熱值的增加，發電機組的最大輸出功率將會隨之上升。當生物質氣熱值大于6.75MJ/m3時，發電機組的最大輸出功率可以達到額定功率（30kW）。由于輸出功率是每隔3kW逐步增加，因此，機組每個輸出功率都有對應的最低熱值和最高熱值，當生物質氣熱值處于兩者之間時，輸出功率保持不變。當生物質氣熱值相同時，提高H2組分或者降低CO2組分的比例，機組的最大輸出功率均會提高。
③機組的發電效率隨輸出功率的增加而增加，當輸出功率小于21kW時，發電效率上升緩慢；當輸出功率大于21kW時，發電效率上升迅速。燃氣消耗率隨輸出功率的增加而降低。
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