天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造關(guān)鍵技術(shù)研究

黃 宇

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100028

0 前言

國(guó)內(nèi)天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究始于21世紀(jì)初,即在柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加一套壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)供氣系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行[1]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究最早出現(xiàn)在船舶發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域[2],通過(guò)電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)硬件與軟件的開(kāi)發(fā)、柴油機(jī)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定試驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)改造,改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)可在純柴油模式和LNG-柴油混燃模式自由切換,保持原發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率,有效降低燃料成本[3]。

隨著國(guó)家環(huán)保壓力的不斷提高,各地方政府加大秸稈禁燒工作監(jiān)管力度,研究科學(xué)有效的秸稈處理方式,發(fā)展生物質(zhì)氣(沼氣)項(xiàng)目是解決秸稈焚燒的有利途徑,能夠提高秸稈綜合利用率[4]，通過(guò)厭氧發(fā)酵技術(shù)獲得沼氣,再提純獲得生物質(zhì)天然氣,根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)一步加工成CNG或LNG,沼渣做成有機(jī)肥料,該模式的能源利用方式已在國(guó)內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用,成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[5]。

目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備水平處于世界前列,大型農(nóng)場(chǎng)的田間作業(yè)機(jī)械化率達(dá)98%以上,大功率拖拉機(jī)以現(xiàn)代化大型進(jìn)口農(nóng)機(jī)為主,機(jī)型主要包括135-535 HP的美國(guó)迪爾、美國(guó)凱斯、美國(guó)福格森、英國(guó)紐荷蘭、德國(guó)克拉斯等大型輪式拖拉機(jī),本文以典型美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)為目標(biāo)機(jī)型進(jìn)行雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造的可行性研究。

1 供氣方式

生物質(zhì)氣是以農(nóng)作物秸稈、林木廢棄物、酒糟藥渣、禽畜糞便等含有生物質(zhì)體的物質(zhì)為原料,在高溫環(huán)境或細(xì)菌發(fā)酵的作用下,熱解或者氣化分解產(chǎn)生的一種可燃性氣體。生物質(zhì)氣的主要成分包括CO、H2、N2、CH4以及一些高分子的碳?xì)浠衔锖蜕倭拷褂?。根?jù)生物質(zhì)氣項(xiàng)目所在地和用途的不同,生物質(zhì)氣的利用方式也不盡相同。農(nóng)村地區(qū)未經(jīng)處理的生物質(zhì)氣一般直接燃燒用于做飯和取暖；而用于工業(yè)用途的生物質(zhì)氣因含雜質(zhì)較多需要進(jìn)行脫硫、脫酸等凈化處理,剩余主要成分為CH4,可用于燃?xì)獍l(fā)電、壓縮制CNG、液化制LNG。

國(guó)家能源局《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出:到2020年,生物質(zhì)能基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和規(guī)?；?初步形成一定規(guī)模的綠色低碳生物天然氣產(chǎn)業(yè),年產(chǎn)量達(dá)到80×108m3,建設(shè)160個(gè)生物天然氣示范縣和循環(huán)農(nóng)業(yè)示范縣,替代化石能源總量約5 800×104t,年減排CO2約1.5×108t,減少粉塵排放約5 200×104t,減少SO2排放約140×104t,減少氮氧化物排放約44×104t。

通過(guò)提前規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局,在原材料豐富的地區(qū)就近選址,可將生物質(zhì)氣合理利用成為優(yōu)質(zhì)天然氣資源。本文以黑龍江某農(nóng)墾地區(qū)的生物質(zhì)資源和農(nóng)機(jī)現(xiàn)狀為研究對(duì)象,進(jìn)行天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)型研究,項(xiàng)目成果可在生物質(zhì)氣項(xiàng)目地區(qū)實(shí)現(xiàn)推廣。

1.1 氣源比較

CNG是常壓天然氣加壓以氣態(tài)形式存儲(chǔ)在氣瓶中的天然氣,儲(chǔ)存壓力通常為20 MPa,體積通常為常壓的1/220。LNG是常壓天然氣液化后以液態(tài)存儲(chǔ)在氣瓶中的天然氣,儲(chǔ)存壓力通常為1.6 MPa,體積通常為常壓的1/625。兩種氣源的主要成分均為CH4[6]。CNG與LNG供氣系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 CNG/LNG供氣系統(tǒng)圖

從圖1可看出,CNG與LNG供氣系統(tǒng)的主要區(qū)別在于氣源儲(chǔ)存方式不同,LNG需要經(jīng)過(guò)氣化器變?yōu)镃NG,因氣化后的壓力約0.45 MPa,調(diào)壓閥設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單,LNG供氣系統(tǒng)雖比CNG復(fù)雜,但能有效降低高壓所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 技術(shù)比較

LNG利用中壓低溫氣瓶?jī)?chǔ)存,CNG利用高壓常溫鋼瓶?jī)?chǔ)存,單個(gè)450 L的LNG氣瓶重量為300 kg,是相同容積CNG氣瓶重量的60%,裝載的天然氣是CNG氣瓶的3倍,使用LNG作為燃料更能滿足長(zhǎng)途駕駛的需要[7]。兩種燃料的加注時(shí)間也不同,加注相同體積的LNG時(shí)間比CNG節(jié)省1/2以上。當(dāng)LNG處于長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存、運(yùn)輸狀態(tài)時(shí),會(huì)因組分密度不同導(dǎo)致LNG分層或漏熱產(chǎn)生蒸發(fā)氣BOG,車(chē)用LNG供氣系統(tǒng)尚不具備回收和再液化工藝,采取直接放空到大氣的措施,造成天然氣浪費(fèi),車(chē)輛氣耗增大。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)比較

國(guó)家針對(duì)CNG汽車(chē)及配件設(shè)計(jì)提出嚴(yán)格要求,如:GB 18047-2017《車(chē)用壓縮天然氣》、GB 17258-2011《汽車(chē)用壓縮天然氣鋼瓶》、Q/SY 1260-2010《壓縮天然氣加氣站建設(shè)規(guī)范》等涵蓋了儲(chǔ)氣瓶設(shè)計(jì)、改車(chē)部件制造到安裝調(diào)試、加氣站設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié),標(biāo)準(zhǔn)體系健全[8]。相比之下,LNG相關(guān)技術(shù)正逐步實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化,GB/T 26980-2011《液化天然氣(LNG)車(chē)輛燃料加注系統(tǒng)規(guī)范》、NB/T 1001-2011《液化天然氣LNG汽車(chē)加氣站技術(shù)規(guī)范》的頒布也對(duì)LNG汽車(chē)、加氣站提出要求,但標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)相對(duì)滯后已制約行業(yè)的發(fā)展[9]。

綜上分析,農(nóng)機(jī)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造的兩種供氣方式各有優(yōu)勢(shì),見(jiàn)表1。

表1 供氣方式對(duì)比表

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造方案研究

農(nóng)機(jī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造成為可燃燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種方式:天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[10]。

2.1 天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

原車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)榧兲烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī),主要改裝內(nèi)容是發(fā)動(dòng)機(jī)再制造和發(fā)動(dòng)機(jī)總成互換,包括設(shè)置火花塞點(diǎn)火系統(tǒng),重新確定壓縮比,并對(duì)燃燒室、汽缸、活塞蓋、排氣管、進(jìn)氣門(mén)、座圈、凸輪軸等進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[11]。柴油汽車(chē)改裝為單一燃料天然氣汽車(chē),改裝難度大、成本高,技術(shù)要求也高,通常情況下不是柴油機(jī)改造的首選方案。美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)采用進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī),設(shè)備價(jià)格昂貴,一旦改裝后無(wú)法繼續(xù)燒柴油。使用該機(jī)型的區(qū)域一般屬于大型農(nóng)墾地區(qū),作業(yè)期間農(nóng)機(jī)工作強(qiáng)度大,任務(wù)重,采取24 h連續(xù)工作、人停車(chē)不停的作業(yè)策略[12]。改造為單燃料后的農(nóng)機(jī)如供氣不足時(shí)無(wú)法作業(yè)會(huì)對(duì)農(nóng)墾作業(yè)造成嚴(yán)重影響;當(dāng)需要農(nóng)機(jī)進(jìn)行跨區(qū)作業(yè),如無(wú)法進(jìn)行天然氣補(bǔ)給,也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)影響,不推薦改為單燃料系統(tǒng)。

2.2 天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的基本原理基于原柴油機(jī)基礎(chǔ)上,不改變發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu),增加1套LNG供氣系統(tǒng)(包括LNG氣瓶、氣化器、減壓閥及天然氣噴射閥等或CNG供氣系統(tǒng)包括CNG氣瓶、減壓閥組等)、電控系統(tǒng)ECU及傳感器等,將原有柴油機(jī)改裝成既能單燒柴油又能天然氣-柴油摻燒的兩用發(fā)動(dòng)機(jī)[13]。系統(tǒng)正常工作時(shí),柴油由原柴油供給系統(tǒng)提供固定量的柴油,柴油被壓縮引燃天然氣混合氣,當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),通過(guò)增加天然氣的噴氣量實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率扭矩的增加[14]。該系統(tǒng)無(wú)需在柴油機(jī)基礎(chǔ)上增加點(diǎn)火系統(tǒng)。通常在典型工況下?lián)綗?0%左右的天然氣;在高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行保護(hù),切換到純柴油模式(防止缸內(nèi)溫度和壓力過(guò)高)。經(jīng)天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高,SOx等廢氣排放降低,但摻燒天然氣時(shí)不能達(dá)到最佳燃燒狀態(tài),導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率比原機(jī)低,不完全燃燒的CH4在掃氣時(shí)會(huì)被排出,與成品雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)存在差距[15]。

綜合考慮上述研究方案,美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)擬采用天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的改造方案。

3 氣瓶放置方案

3.1 氣瓶選型

CNG/LNG氣瓶選用市場(chǎng)常見(jiàn)的規(guī)格型號(hào),對(duì)改造費(fèi)用進(jìn)行初步估算,分析見(jiàn)表2。

表2 氣瓶規(guī)格方案對(duì)比表

3.2 氣瓶方位

氣瓶放置位置直接影響農(nóng)機(jī)平衡、載重能力和司機(jī)視野[16],現(xiàn)對(duì)氣瓶放置的三個(gè)方案進(jìn)行分析。

方案一:氣瓶置于農(nóng)機(jī)下部。由于農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)地勢(shì)不平坦,可能造成氣瓶與地面發(fā)生碰撞,導(dǎo)致天然氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn),故不推薦安裝在下部位置。

方案二:氣瓶置于發(fā)動(dòng)機(jī)室前部。農(nóng)機(jī)自帶900 kg的配重鐵,在配重鐵位置放置氣瓶組,承重能力滿足要求。該設(shè)置方案需要更換前燈位置,充放氣和氣瓶置換方便,但由于氣瓶組的框架略高會(huì)影響駕駛員視線,視線影響距離在原視線距離情況下增加了0.5倍。

方案三:氣瓶置于駕駛室上部。當(dāng)氣瓶閥接頭處可燃?xì)怏w泄漏時(shí),氣體上浮升空,遠(yuǎn)離乘客,更安全;撞車(chē)時(shí)不會(huì)沖擊到氣瓶;灰塵、水氣對(duì)氣瓶污染腐蝕更小;低底板重心低,氣瓶上置不會(huì)對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性帶來(lái)危害;安裝、維護(hù)方便;駕駛室需增加承重構(gòu)件。建立以原車(chē)頂和駕駛室內(nèi)框架的結(jié)構(gòu)模型,車(chē)頂厚度2.5 mm,駕駛室頂四周焊接4 mm厚的扁鋼,縱橫方向等距布置兩道骨材;駕駛室四角用支柱支撐,為盡量不影響駕駛室視線,支柱采用等邊角鋼固定在駕駛室角,頂端焊在車(chē)頂扁鋼下,底部在駕駛室底部焊牢,駕駛室底部相應(yīng)位置做加強(qiáng)。經(jīng)過(guò)建模計(jì)算,最終確定框架扁鋼及角鋼應(yīng)力最大值31.6 MPa,車(chē)頂骨架應(yīng)力最大值8.17 MPa,普通碳素鋼許用應(yīng)力為235 MPa,所建框架模型計(jì)算結(jié)果應(yīng)力均遠(yuǎn)小于此值,滿足框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.3 用氣情況分析

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)為美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。額定功率173 kW,柴油模式下一般柴油機(jī)燃油消耗率205 g/kW·h。若按天然氣對(duì)柴油的平均替代率70%計(jì)算[17],0#柴油的熱值按42.7 MJ/kg,天然氣熱值按36 MJ/m3,柴油模式發(fā)動(dòng)機(jī)效率0.45,天然氣燃料模式發(fā)動(dòng)機(jī)效率0.42。計(jì)算可知，柴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)消耗熱值1 514 MJ/h,天然氣燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)天然氣消耗量=1 514×0.45÷0.42÷36×0.7=31.55 m3。

CNG的氣化比為220,以230 L雙CNG氣瓶組為例,滿負(fù)荷工作時(shí)間為230×2×220÷31.55÷1 000=3.2 h。

LNG的氣化比為625,以450 L雙LNG氣瓶組為例,滿負(fù)荷工作時(shí)間為450×2×625÷31.55÷1 000=17.8 h。

3.4 氣瓶加注

由于美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)功率較大,且農(nóng)機(jī)本身空間限制,選用CNG作燃料時(shí),雙230 L容積氣瓶已是相對(duì)最大容積,僅能滿負(fù)荷工作3.2 h;選用LNG作燃料時(shí),以雙450 L容積氣瓶為例,能滿負(fù)荷工作17.8 h,即使LNG利用率按照90%計(jì)算,工作時(shí)間超過(guò)16 h,若有休息時(shí)間,建議使用槽車(chē)加注;若連續(xù)工作,建議以更換氣瓶的方式進(jìn)行加注,見(jiàn)表3。

表3 加注方案對(duì)比表

4 改造經(jīng)濟(jì)性研究

美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率173 kW,每小時(shí)耗油量約42.2 L,按現(xiàn)燃料價(jià)格,每小時(shí)消耗柴油費(fèi)用為247元;按70%天然氣替代率計(jì)算,每小時(shí)消耗天然氣費(fèi)用為200元,每小時(shí)節(jié)省約19%的燃料費(fèi)用即47元,按24 h作業(yè),每年作業(yè)30 d計(jì)算,年節(jié)省費(fèi)用33 840元?？紤]不能滿負(fù)荷工作和加注時(shí)間等原因,估計(jì)年節(jié)省費(fèi)用約30 000元。

天然氣-柴油雙燃料改造技術(shù)在重卡、公交車(chē)等車(chē)型上已成功推廣應(yīng)用[18],美國(guó)迪爾7830型號(hào)拖拉機(jī)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造費(fèi)用經(jīng)分析,CNG-柴油改造成本約 30 000 元,LNG-柴油改造成本約80 000元,隨著中國(guó)天然氣行業(yè)的發(fā)展[19],項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯[20]。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改造、天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造方案的論證,推薦把原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造成天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī),可在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加一套CNG/LNG供氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng),可根據(jù)改造成本、續(xù)航能力、加注條件和當(dāng)?shù)剞r(nóng)墾區(qū)條件情況確定最終氣源選擇方案;另一方面,需進(jìn)一步加大農(nóng)墾地區(qū)天然氣項(xiàng)目的投資力度,完善天然氣加工設(shè)施的配套建設(shè),為天然氣項(xiàng)目的推廣提供氣源條件。

現(xiàn)有船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能效低，易對(duì)內(nèi)河區(qū)域的大氣和江水造成污染，通過(guò)對(duì)陸上車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)改造的研究和應(yīng)用，為下一步進(jìn)行船用發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣-柴油雙燃料改造和LNG船舶加注打下堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造不僅降低生產(chǎn)成本,還響應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。