沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的改造與應用案例

摘 要 沼氣工程技術是治理有機廢棄物污染的重要技術，沼氣發(fā)電是促進沼氣工程推廣應用的最直接手段。因地制宜地利用生物質能資源生產(chǎn)的沼氣進行發(fā)電，開發(fā)適合家庭使用的可移動沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組是解決廣大偏遠地區(qū)農(nóng)村用電難，以及經(jīng)濟落后地區(qū)個體工商戶避免用電荒的重要舉措。為此，以輕便及小功率定位的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組隨之誕生。

關鍵詞 內(nèi)燃機改造 沼氣發(fā)電

一、前期信息匯總

在廣東江門市新會農(nóng)機定點試驗農(nóng)戶集中的羅坑鎮(zhèn)，找到種豬養(yǎng)殖戶；該養(yǎng)殖戶農(nóng)場占地26畝，主要用于林木栽種，水產(chǎn)養(yǎng)殖，種豬及乳豬養(yǎng)殖（總量約250頭）；場內(nèi)建有三個沼氣池進行發(fā)酵存儲沼氣，沼氣池總體積約46m3。沼氣的發(fā)酵原料為人畜糞便以及農(nóng)作物秸稈等，而沼氣池發(fā)酵后排出的料液和沉渣，可作為種植肥料或養(yǎng)魚飼料使用。該農(nóng)場日常用電主要用于魚塘增氧、照明、豬棚供暖以及一般的生活用電，用電量約3～4kw/天。

二、設計改造思路

沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的內(nèi)燃機設計建立在單缸柴油機上進行；單缸柴油機所選型號為德力牌DLH1110；通過對柴油機進行汽化燃料的改進，包括進氣系統(tǒng)、調速系統(tǒng)改進，和新增點火系統(tǒng)，并結合沼氣燃燒的特性制定出一套閉環(huán)控制策略，以單片機為中心開發(fā)出沼氣燃料發(fā)動機電子控制單元，最后通過對控制單元進行試驗驗證，使柴油機能夠改造成為沼氣內(nèi)燃機。發(fā)電機采用三相Y型發(fā)電機，發(fā)電機額定功率5KVA，與沼氣內(nèi)燃機通過聯(lián)軸器連接，實現(xiàn)同軸傳動。

（1）改造項目：

以額定轉速1500r/min；最低空載轉速700r/min的要求對氣缸蓋和燃燒室進行改造。根據(jù)典型沼氣組成與熱值（JB/T10629-2006表C.6）可推算出沼氣平均分子量約為26.4，設混合器中沼氣、空氣的壓力相等，設空燃比為5.5，由伯努利方程推算可得沼氣、空氣進氣管直徑比約為2.4。氣缸蓋取消噴油器，在原有噴油器安裝孔的位置改造成火花塞安裝孔。活塞方面，改變?nèi)紵业男褪剑伞?”型改為“浴盆”型，并將原來柴油機的壓縮比18比1改為10.5比1。

氣缸體改動部分，取消噴油泵安裝孔，取消調速杠桿等各機械式調速零件。同時在曲軸的末端增加轉速采集裝置，對曲軸轉速和上止點信號進行采集以供ECU調節(jié)沼氣進氣量和空燃比用。

（2）新增項目：

增加12v電瓶、電磁閥、零壓閥、閉環(huán)執(zhí)行器、點火系統(tǒng)、壓力傳感器、氧傳感器、水溫傳感器和轉速傳感器等，通過ECU控制電子節(jié)氣門位置以及沼氣內(nèi)燃機的點火時間。

沼氣管路系統(tǒng)當中增加專用的阻止閥，消除回火造成的爆炸隱患；同時在沼氣池通往沼氣內(nèi)燃機混合器的管道上，增加脫硫器和增壓泵，保證了沼氣發(fā)動機有高純度、高壓力的沼氣供給，避免因沼氣的含硫物質損壞發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)。

（3）控制策略

包括控制單元控制策略與算法分析、控制單元的程序開發(fā)；沼氣發(fā)電機組控制單元的工作流程可分為三個部分：第一個是初始化部分，這時控制單元根據(jù)流程對發(fā)電機組的各部分進行初始化操作，檢查系統(tǒng)性能狀態(tài)。第二部分為主程序，包括沼氣發(fā)動機的起動與運行，控制系統(tǒng)需要不斷地采集相關信息，并對數(shù)據(jù)進行處理和變換，使沼氣發(fā)動機能夠在最佳狀態(tài)上運行。第三個部分為中斷服務程序，系統(tǒng)將定時檢測運行的壓力和溫度的數(shù)據(jù)，若壓力或溫度異常，系統(tǒng)將會調節(jié)處理。

通過設計改造的沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機組技術指標如表1：

表1

三、用戶使用報告

沼氣發(fā)電機組每天工作時間約為3小時，穩(wěn)定性方面，夏季與冬季產(chǎn)生一定的差距：夏季沼氣生成時間快，氣源相對充足，發(fā)電機組穩(wěn)定；在冬季，特別是溫度低于10℃時，氣源生成緩慢，隨著沼氣濃度下降，沼氣發(fā)電機組受到一定影響，有時一天要起動和停機數(shù)次，使用不太方便。

水耗方面，沼氣發(fā)電機組表現(xiàn)較好，在夏天炎熱的天氣下曝曬，連續(xù)工作時沼氣發(fā)動機水箱的水沒有出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象，每月散熱器的補水量約0.5升，當氣溫較低時可兩個月加一次水，水消耗較少、比較節(jié)水。

噪音及排放方面，與柴油機相比明顯小很多，而且排出的廢氣顏色都非常淡，沼氣發(fā)電機組周邊聞不到其他異味。

冷起動方面，每次起動需要5秒左右，但冬季特別是溫度低于10℃或濕度較大時起到時間會略長，約十多秒才能完成起動。

穩(wěn)定性方面，當沼氣量不足或濃度下降時，沼氣機組發(fā)電效率迅速下降，沼氣內(nèi)燃機甚至自動停機。

四、使用結論

可移動的小型沼氣發(fā)電機組受到廣大農(nóng)戶的稱贊，小型沼氣發(fā)電機組能夠讓農(nóng)戶使用沼氣自主發(fā)電，資源充分利用。然而在推廣使用上仍需解決部分問題：

（1）需考慮增加發(fā)電控制模塊，讓農(nóng)戶在用電需求少的情況下減小用氣和發(fā)電量。

（2）初期投資費用較大，需要配套建設沼氣池及相關管道等，普通用戶不一定接受，建議政府部門能提供相關農(nóng)機補貼，以便于推廣普及。這是支持新農(nóng)村建設實現(xiàn)農(nóng)村生產(chǎn)水平提高和節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的一條有效路徑。

（3）鑒于沼氣內(nèi)燃機跟柴油發(fā)動機在燃燒系統(tǒng)上有本質上的區(qū)別，在案例應用當中，沼氣的純度、壓力等處于變化狀態(tài)，如何保證沼氣發(fā)電機組能夠平穩(wěn)地運行是本案例研究的最大難點。后續(xù)改進需增加功率反饋控制策略，以及建立氣站或儲氣罐來保持沼氣的存儲量和壓力，確保沼氣內(nèi)燃機發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]袁兆成.內(nèi)燃機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

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[3]劉德江.沼氣工程與利用技術[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2008.

（作者單位：廣東德力柴油機有限公司）

（作者單位：廣東德力柴油機有限公司）