基于燃?xì)廨啓C(jī)超低濃度瓦斯燃燒實驗臺設(shè)計

常劉勇等

摘 要：結(jié)合煤礦低濃度瓦斯利用的不足，及現(xiàn)在分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展，微型燃機(jī)技術(shù)受到高度重視，課題根據(jù)燃燒室設(shè)計原理，自行設(shè)計了一款微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。在數(shù)值建模模擬的基礎(chǔ)上搭建了微型燃機(jī)系統(tǒng)實驗平臺，通過燃燒實驗對自行設(shè)計的燃燒室及整個燃機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。通過數(shù)值模擬和實驗驗證了超低濃度瓦斯（模擬風(fēng)排瓦斯?jié)舛?.8%）在燃機(jī)系統(tǒng)中的燃燒利用狀況，分析出超低濃度瓦斯的燃燒利用結(jié)果，實測燃燒產(chǎn)物中CO只含5.2ppm，NO含量為8.2ppm，煙氣溫度小于格林曼Ⅰ級，符合國家安全環(huán)保規(guī)定，證明風(fēng)排瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中作為摻混燃燒氣體的可行性。

關(guān)鍵詞：超低濃度瓦斯；微型燃?xì)鈾C(jī)；摻混燃燒；可行性

1 試驗臺總體構(gòu)造

本課題最初搭建的實驗臺系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-高壓天然氣罐；2-空氣壓縮機(jī)；3-脈沖點火控制系統(tǒng)；4-燃燒室；5-渦輪增壓器；6-煙氣分析儀；7-減壓閥；8-體積流量計；9-壓機(jī)調(diào)節(jié)閥

本試驗臺設(shè)計的燃機(jī)系統(tǒng)包括燃燒室構(gòu)成系統(tǒng)，空氣及燃料供給系統(tǒng)，點火控制系統(tǒng)，測量調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及煙氣冷卻測試分析系統(tǒng)。

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)及透平系統(tǒng)

本試驗臺中將渦輪增壓器替代該燃機(jī)系統(tǒng)的壓氣機(jī)和透平部分，該實驗臺采用南京依維柯索菲姆8140系列，蓋瑞特件號為708162-5001，型號GT17，功率84KW，轉(zhuǎn)速為3600rpm。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)空氣及燃料供給系統(tǒng)

空氣供給系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥、流量調(diào)節(jié)閥及高壓通氣管構(gòu)成，空氣供給系統(tǒng)的主要作用是保證連續(xù)地向燃燒室供給高壓足夠流量及可調(diào)溫度的空氣。實驗采用天然氣作為燃機(jī)燃料，氣瓶出口安裝安全防爆閥門，管路上再安裝逆止閥防止氣體倒流，引起爆炸事故。燃料流量由手動控制閥門及玻璃轉(zhuǎn)子流量計完成。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器系統(tǒng)

燃?xì)馊紵饕话阌梢韵轮饕糠纸M成：燃?xì)鈬娮?、燃?xì)忾y系、風(fēng)機(jī)、燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)裝置、點火裝置、燃?xì)鈮毫z測開關(guān)、空氣壓力檢測開關(guān)及火焰監(jiān)測裝置等。

2 燃機(jī)實驗臺測試系統(tǒng)

燃機(jī)運行實驗測量系統(tǒng)包括流量測量、溫度測量、速度測量、壓力測量和燃燒煙氣測量分析系統(tǒng)。

2.1 流量測量系統(tǒng)

流量測試主要是燃料流量控制空氣流量控制以及超級濃度瓦斯流量控制測量系統(tǒng)，該實驗采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計來對流量進(jìn)行控制。經(jīng)實驗，測量當(dāng)主空氣體積流量為219.6m3/h，燃料體積流量為50.4m3/h，通入濃度為0.8%的VAM瓦斯流量為183.6m3/h時，燃燒比較穩(wěn)定，得到的溫度壓力實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果比較接近。

2.2 壓力測量系統(tǒng)

壓力測量系統(tǒng)主要包括壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力、渦輪增壓器上壓縮機(jī)出口壓力及燃燒室出口壓力測試。壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力由進(jìn)氣管道上安裝壓力表進(jìn)行控制，渦輪增壓器壓機(jī)出口及燃燒室出口壓力由壓力傳感器測得。測得壓氣機(jī)入口壓力為大氣壓1.013×105Pa，壓氣機(jī)出口壓力為2.7×105Pa，渦輪入口壓力為2.63×105Pa，渦輪出口壓力為大氣壓1.013×105Pa。與模擬所得結(jié)果有一定的偏差。

2.3 速度測量系統(tǒng)

實驗臺上增壓器上的壓氣機(jī)和燃燒室采用圓管連接，管徑為30mm，中間留有測量小孔，采用數(shù)字微壓差計，連接皮托管，對流速進(jìn)行測量，量程為1～55m/s，精度為0.07m/s，通過閥門改變流量來調(diào)節(jié)流速，記錄10次測量取平均值確定進(jìn)氣流速。

2.4 溫度測量系統(tǒng)

燃機(jī)燃燒室溫度測量內(nèi)容包括環(huán)境溫度，壓氣機(jī)出口溫度，燃燒室空氣進(jìn)口溫度、燃燒室火焰筒壁面溫度、燃燒室出口溫度及燃燒室外殼壁面溫度分布測量。除火焰筒壁面溫度測量難度較大外，溫度分布相對均勻，可采取單點布置。本實驗采用鉑銠10-鉑S分度號的熱電偶進(jìn)行測量，該熱電偶最高使用溫度達(dá)到1300°，短期測量可使用溫度為1600°，基本滿足實驗需要。

2.4.1 燃燒室火焰筒壁面溫度

燃燒室火焰筒壁溫的測量通過在火焰筒徑向布置4排，軸向布置10個間距分別為20mm的測量點，得到測量數(shù)據(jù)如下表所示。

由測量及模擬數(shù)據(jù)分析得出，燃燒室火焰筒壁面溫度分布相對較均勻，最大溫差小于100攝氏度，基本滿足火焰筒熱應(yīng)力要求。

2.4.2 出口溫度的測量

對燃燒室出口的溫度測量方法采取常用的熱電偶測量，分布了9個溫度測量點，沿著徑向均勻分布3組，每組之間成120度夾角，測量得到出口溫度分布數(shù)據(jù)如下表所示。

由上表通過計算可得，燃燒室出口溫度場均勻性處于正常范圍，所設(shè)計燃燒室火焰筒出口溫度最大不均勻度在20%左右，最大不均勻系數(shù)在5%左右。

2.4.3 燃燒室外殼溫度

參照火焰筒壁溫的測量方法，徑向布置4排，軸向布置10個間距分別為20mm的測量點，得到測量數(shù)據(jù)曲線圖如下表所示：

2.4.4 煙氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)合該課題必須通過試驗驗證超低濃度瓦斯的利用情況，德國的TESTO公司生產(chǎn)的Testo335煙氣分析儀能夠準(zhǔn)確測量很多成分的含量，采用對出口煙氣碳氧化物、氮氧化物以及甲烷體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實時測量。

實驗測量結(jié)果如下表所示。

根據(jù)規(guī)定燃燒器在正常工況下穩(wěn)定運行時，煙氣中的CO含量應(yīng)該不大于125mg/m3，NOX含量應(yīng)該不大于300mg/m3，CmHn含量應(yīng)該不大于20mg/m3，含塵量應(yīng)該不大于50mg/m3，煙氣黑度應(yīng)該不大于林格曼Ⅰ級。因此該燃?xì)馕廴疚锱欧帕糠蠂野踩h(huán)保規(guī)定。

3 結(jié)論

3.1 燃燒室燃?xì)獬隹跍囟确植驾^均勻，滿足出口溫度分布均勻性能指數(shù)低于20%的要求。

3.2 通過實驗驗證了超低濃度瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中的燃燒利用狀況，分析出超低濃度瓦斯的燃燒利用結(jié)果，實測燃燒產(chǎn)物中CO只含5.2ppm，NO含量為8.2ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家環(huán)保規(guī)定的燃?xì)馕廴疚锱欧帕浚瑹煔鉁囟纫策h(yuǎn)小于格林曼Ⅰ級，符合國家安全環(huán)保規(guī)定，證明風(fēng)排瓦斯在燃機(jī)系統(tǒng)中作為摻混燃燒氣體的可行性。