天然氣發動機燃氣供給系統綜述

黨永浩

（中國石油集團 濟柴動力總廠，山東濟南250306）

隨著人們對氣候變暖化、環境污染等問題的日益重視，隨著全球石油天然氣工業的發展，天然氣發動機的應用越來越廣泛，各發動機專業化制造企業紛紛設計推出自己的天然氣發動機。天然氣發動機燃氣供給系統的設計直接影響到發動機的性能，是重要的系統之一。

綜述了當前天然氣發動機燃氣供給系統的作用和組成，分別闡述了該系統內各個主要器件的作用、原理和典型結構，對于不同特點的混合系統、混合器等做出對比，并對空燃比控制策略作了一些敘述。

1 天然氣發動機燃氣供給系統的組成、主要器件以及作用

天然氣發動機的燃氣供給系統是在精確的時間里供給發動機適量燃料氣的一套專用部件。一套設計良好的燃氣系統可使發動機效率最大、排放最佳。

典型的燃氣系統包括幾個主要的部件，它們根據發動機的性能要求提供可靠的空燃比混合物。

發動機制造商一般推薦燃氣供給系統的主管線上至少包括3個主要的部件，即燃氣濾清器、調壓閥和安全切斷閥，圖1。

圖1 燃氣輸送系統配置

1.1 輸送管線

燃氣輸送管線的設計必須考慮到以最小的阻力傳遞發動機必需的燃氣流量。若燃氣輸送管線管徑過小和（或）管路彎道過多，發動機在高負荷工況下，由于需求燃料氣的流量很大，則會造成燃氣氣流阻力。

即便是輸送管線在設計時已經考慮了能夠在發動機滿載時滿足燃料氣流量需求，仍然要進一步考慮避免產生管道的瞬時阻力。當發動機突加負載時，需要相應的突增燃料氣流量。設計不合理的燃氣輸送管線將阻止燃氣流量的增加，導致發動機很難適應突加負載。

燃氣輸送系統設計和布置有以下的經驗，可供參考。

適當位置設置若干個截止閥，當燃氣系統部件需要維修或更換時，可以切斷該部件的氣流，從而減輕維修的困難。

在允許的情況下，壓力安全閥應該沿著調壓閥的管路下游布置，需要在燃氣路徑上安裝卸壓裝置和管道。

輸送管線的設計，與發動機燃氣進口的連接尺寸相比，至少同規格或更大。

在靠近發動機的燃氣管路上，特別是調壓閥后的管線上，盡量減少彎頭和變徑。

1.2 柔性連接

在燃氣輸送管路和發動機燃氣進口之間的柔性連接是必須的。因為發動機在運行中將會產生振動，燃氣進口連接頭將相對于安裝的固定管道產生相對移動。如果在此連接處使用剛性連接，將迫使輸送管路自身承受振動，有可能造成金屬疲勞損壞導致可燃氣體的泄漏。如果在發動機和輸送管路之間采用柔性連接就很容易解決這個問題。

柔性連接要有便于維修，可靠性不受燃料氣中的碳氫類化合物和其他腐蝕性成分（如H2S、SO2等）的影響。不僅要有一定的耐溫能力，還要有防火特性。天然氣發動機采用的大多數柔性連接都是不銹鋼材料的單壁波紋管。

1.3 切斷閥

安全切斷閥在燃氣系統里面是最重要的一套安全裝置。它可以是一套簡單的像手動球閥一樣的裝置。然而，大多數帶自動化安全系統的當代發動機需要直接控制它，所以基于這個目的，大量采用了電控閥。啟動這些閥的電力可以來自于發動機自身（如自供電閥），也可以來自于外部電源，如蓄電池。

一般的，電控式安全切斷閥的默認狀態為關閉，需要通電后開啟。

1.4 過濾器

燃氣發動機和很多發動機一樣，要求燃料氣不含污物和雜質（包括水）。雜質通過氣井進入燃料氣是很普遍和容易理解的，但是即便是管道天然氣仍然會混入污物、金屬屑或管路鋪設時的焊接熔渣以及管道在使用時產生的水垢和鐵銹。這些留在燃氣流里面的顆粒物和液體將影響發動機的性能或加速發動機內部零件的磨損，導致壽命降低。通過使用過濾器來清除這些雜質。

1.5 調壓閥

調壓閥控制發動機上燃氣系統燃料氣的供給壓力。為了完成其在燃氣系統中的作用，調壓閥必須具備兩個條件：一是逐步降低燃氣壓力到燃氣混合裝置要求的范圍；一是緩沖燃氣供給的壓力波動，起到穩定壓力的作用。

如果外部供給壓力太高，不能單步一次完成需要的降壓，或者外部供給的壓力波動太大，則需要兩級或多級調壓。

1.6 混合器

這里所講的混合器是指燃氣和空氣的混合器，它是燃氣發動機燃料系統的心臟。混合器正確的計量燃氣流量，使之適合發動機實時工況，在考慮環境溫度、壓力、燃氣品質的影響下，同時滿足發動機動力性、經濟性和排放要求。

目前使用最廣泛的混合器原理是用空氣進氣流量來計量當前工作狀態需要的燃氣量，比如IMPCO公司的膜片式混合器、海因茲曼公司的文丘里管混合器。

混合器是燃氣發動機混合系統的核心器件。關于混合系統將在后面的章節中做詳細介紹。

1.7 節氣閥

節氣閥是通過控制進入氣缸的混合氣流量來調整發動機工況的一種裝置，一般是安裝在靠近氣缸（或進氣管）處的一個蝶形閥。因為節氣閥調節混合氣流量，所以它是燃氣系統最重要的控制環節之一。

2 混合系統

2.1 系統組成和作用

混合系統的核心是混合器。混合器設計用來機械的檢測空氣流量，并按照一定比例控制燃氣的流量隨之變化，從而，來獲得發動機工作狀態需要的空燃比。這需要通過使用文氏管或負壓膜片來完成。系統內還包括一個負載調節閥（功率調整螺釘），允許對系統的混合特性進行微調。如圖2。

圖2 標準的天然氣系統（渦輪增壓中冷式或者自然吸氣式）

2.2 各主要器件原理和結構

（1）燃氣壓差閥

在燃氣混合系統中，一般調壓閥設計為壓差閥。壓差閥不是維持一個恒定不變的燃氣壓力，而是相對于混合器進口的空氣流量保持一個恒定不變的壓差。隨著進入混合器的空氣流量在增加，燃氣壓力值一直保持在空氣壓力值加燃氣壓差值。通過調整作用在壓差閥內部膜片上彈簧，燃氣壓差值一般設定為1～3kPa。恒定不變的壓差可使混合器根據空氣需求量調整空燃比，適應大多數的發動機工況。

典型的壓差閥如圖3。

圖3 典型的燃氣壓差閥

（2）負載調節閥（功率調整螺釘）

負載調節閥是在壓差閥和混合器之間燃氣管線中的流量調節裝置，如圖4。它的目的是根據現場環境、氣質狀況，提供微調燃氣系統的空燃比設置的一種手段。通過調節壓差閥送出的燃氣流量，在混合器中降低燃料氣對空氣的相對壓力，使混合物更稀薄，反之亦然。此閥只能在一定的調整范圍內起作用。然而，特定的燃氣系統結構所調節的特定范圍變化，可以通過更換混合器內部零件來改變空燃混合特性。通過更換Impco混合器中的燃氣閥和噴嘴結合體，或者更換Deltec混合器的文氏管，來實現空燃比的更大變化。

圖4 典型的Deltec混合器的橫截面

（3）混合器

如前所述，混合器的主要功能是在進入燃燒室之前對燃料氣和空氣進行計量和混合。能否正確混合，取決于混合器是否按照燃料氣進行適當選型，以及進入混合器和燃料氣是否滿足壓力要求。目前普遍的應用有兩種：Deltec和Impco混合器。

①Deltec混合器

圖4表示了典型的文氏管型（Deltec）混合器。文氏管型混合器為Deltec公司生產，用在某些低壓燃氣發動機上。文氏管型混合器的工作原理是文丘里效應，簡單來說是通過文氏管的空氣流，其在文氏管里的空氣壓力（圖4中P2）比其上游壓力（圖4中P1）。空氣流量越大，壓力差將越大。在此同時，如果到混合器的燃氣壓力（圖4中P3），保持與P1一致的變化，壓力差P3－P2將隨著空氣流量增加而增加。這個壓差值的增加或者減少將造成燃氣流量相對應的變化。調壓閥用來保持P3與P1之間的壓差。

②Impco混合器

圖5是典型的Impco混合器的一個橫截面。這個系統用在所有的高壓燃氣混合和部分低壓燃氣混合應用中。當空氣流經過混合器膜片真空口時，建立了一個真空。空氣閥膜片感應到真空，隨著空氣流相應的增大或者減小，依次升降燃氣閥。這使得混合器調整可以根據空氣流量調整按比例調整燃氣流量。燃氣閥和噴嘴是根據特定的燃料氣和工況范圍來選型的。比如，燃氣閥和噴嘴按天然氣選型的混合器在垃圾填埋氣中就不能正常工作。

圖5 典型的Impco混合器結構圖

3 高壓燃氣系統和低壓燃氣系統的區別和各自特點

無論燃氣混合系統如何適應于特定的發動機設計，其組成部件大部分是相同的。然而，設計的類型確定了燃氣系統的工作特性。其中一種特性是燃氣工作壓力范圍。根據混合器相對于空氣進氣系統渦輪增壓器的布置，燃氣混合系統簡單地劃分為高壓和低壓系統。

在高壓燃氣系統，空氣增壓后，空氣和燃氣在渦輪增壓器下游混合。見圖6。因為部件的排序（渦輪增壓器在混合器之后），燃氣系統必須要能為混合器提供比增壓空氣壓力更高的燃料氣。高壓燃氣系統，根據機型的不同，工作的燃氣供給壓力范圍在140～280kPa。

圖6 高壓燃氣系統

在低壓系統，部件的排序是相反的，混合器布置在渦輪增壓器上游。見圖7。在這種布置下（混合器在渦輪增壓器之前），混合器面對的不是增壓空氣，所以燃氣供給壓力要求非常低。低壓燃氣系統根據機型的不同，工作燃氣供給壓力范圍為7～70kPa。低壓系統經常用于由于供氣工藝或氣源本身的原因燃料氣壓力受到限制的特定地點或用途。

圖7 低壓燃氣系統

4 空燃比控制系統

相比于簡單的燃氣混合系統，空燃比控制的（AFRC）發動機對于燃氣和空氣的混合上更進一步。雖然混合器能夠調整燃料氣混合率，來適應不同的空氣流量，但是也只識別空氣和燃料氣的體積流量比，不能計算溫度對于空氣和燃料氣密度的影響，也不能計算其他因素，比如濕度或燃料氣熱值的變化。

空燃比控制系統（AFRC）不是監測燃料氣和空氣的各種參數，而是監測關鍵的輸出參數，這些輸出參數能夠直接反映燃燒能否達到期望工況的精確程度。這種方法叫做閉環反饋控制。在空燃比控制系統里，最常見的反饋參數是排氣里氧的含量，因為它直接反映出燃料氣燃燒之后留下了多少氧氣。因為燃燒室內大部分的氧氣，或者說所有的氧氣，來自于空氣，所以排氣氧含量是空燃比的直接反映。

圖8反映了基于燃氣混合系統基礎上的空燃比控制系統。排氣管中的氧傳感器測量排氣口的氧含量。它作為空燃比控制系統的反饋信號，將實測的氧含量與為了達到預期排放設置的正確空燃比的氧含量相比較。空燃比控制系統通過調整燃氣供給管線上電驅動的蝶閥來修正混合器中的燃料氣流量。

圖8 空燃比控制的簡單實例

5 結束語

隨著天然氣發動機應用范圍不斷擴大，燃氣系統的技術將與時俱進、不斷深化。近期的研究重點應是多種氣源的適應性、空燃比控制策略。

密切關注天然氣發動機燃氣供給系統的技術發展，不斷開發新的產品，是內燃機工程師應盡的責任。

［1］ 李光舉.煤層氣發動機的空燃比控制策略研究［J］.農業裝備與車輛工程，2008，（7）：15－17，31.