純沼氣發電技術試驗初探

尤濱乾，楊 麗，陸志杰

(海寧市新能源技術服務站，浙江 海寧 314400)

純沼氣發電技術試驗初探

尤濱乾，楊 麗，陸志杰*

(海寧市新能源技術服務站，浙江 海寧 314400)

試驗以100GF-ZC沼氣發電機組為對象，研究了點火提前角對機組排溫和功率的影響，以及過量空氣系數與機組排溫、功率、熱效率之間的關系；并在此基礎上，對點火提前角和過量空氣系數進行了優化設置，為進一步研發更高性能的純沼氣發電機組提供科學依據。

沼氣發電； 過量空氣系數； 點火提前角； 功率

浙江省海寧市同仁養殖園區常年存欄生豬約6 000頭，2005年建成沼氣工程1座，厭氧池容1 000 m3，年產沼氣約16萬m3。鑒于園區日常炊事用氣有限，為解決富余沼氣空排問題，當時引進了2臺沼氣發電機，功率分別為50和150 kW[1]。由于2臺發電機均采用“沼氣-柴油”雙燃料混合動力，隨著油價高漲，運行成本不斷提高，園區于2010年引進50 kW純沼氣發電機組1套。為保障機組穩定運行，海寧市新能源技術服務站協調生產廠家溫州中盛畜牧設備有限公司在園區內設立服務網點，同時建立組裝調試車間共同開展更高性能的純沼氣發電機組的研發工作[2]。本文以100GF-ZC沼氣發電機組的試驗研發為實例，對影響沼氣發電機組運行性能的主要參數及其互為相關性進行了探討，以期進一步推動沼氣發電技術發展。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在浙江省海寧市斜橋鎮同仁養殖園區進行。供試沼氣發電機組由溫州中盛畜牧設備有限公司生產，型號為100GF-ZC，額定功率100 kW，額定轉速1 000 r·min-1，額定電壓400 V，額定電流180 A，額定頻率50 Hz，額定功率因數0.8滯后。供試沼氣取自同仁沼氣工程，甲烷濃度約59%。其他主要試驗儀器設備有氣體分析儀、氣體流量計、氣體溫度計、水溫計、手持轉速表、萬用表等。

1.2 方法

試驗分為2部分。第一部分，研究點火提前角對排氣溫度和功率的影響，并確定合理的點火提前角；第二個部分，研究過量空氣系數λ對功率和排氣溫度、發動機失火、沼氣耗氣率的影響，并確定合理的λ值[3-5]。

點火提前角和負荷對排氣溫度的影響。使用電子調速器，觀察記錄轉速固定為1 000 r·min-1，點火提前角分別設定為23°、24°、25°、26°、27°，負荷分別為0、25、50、75、100 kW時的排氣溫度。

點火提前角對功率的影響：取消電子調速器。觀察記錄轉速為1 000 r·min-1，節氣門固定，點火提前角分別為23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°時的功率值。

過量空氣系數λ對功率和排氣溫度的影響。節氣門全開，觀察記錄轉速為1 000 r·min-1，過量空氣系數λ值分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4時的排氣溫度和功率值。

過量空氣系數λ對發動機失火的影響。使用電子調速器，觀察記錄發電機組分別在轉速600 r·min-1、負荷0 kW，和轉速1 000 r·min-1、負荷70 kW時，過量空氣系數λ值分別調整為1.0、1.1、1.2……，直至出現發動機失火時的碳氫化合物濃度。

過量空氣系數λ對耗氣率的影響。轉速為1 000 r·min-1，負荷為80 kW，觀察記錄過量空氣系數λ值分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5時的沼氣耗氣量。

2 結果與分析

2.1 點火提前角和負荷對排氣溫度的影響

由表1可知，機組排氣溫度隨點火提前角的增大而減小，隨負荷的增大而增大。相對于負荷來說，點火提前角對排氣溫度的影響更為明顯，因此，點火提前角是決定排氣溫度的重要因素。

表1 不同點火提前角和負荷下的排氣溫度

2.2 點火提前角對功率的影響

在進氣量一定的情況下，增大點火提前角，發電機功率先升高再回落。點火提前角分別為23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、31°和32°時，發電機功率分別達到105、108、110、112、114、116、117、117、117、114 kW。功率值出現反轉的原因可能是：點火提前角過大時，活塞未到達上止點就開始點燃沼氣做功，從而抵消了一部分有用功，致使總功率減小。根據經驗，建議采用的點火提前角為99%最大負荷功率值對應的點火提前角減小4°，即為24°。

2.3 過量空氣系數λ對功率和排氣溫度的影響

由表2可知，降低排氣溫度可以通過增大過量空氣系數λ值實現，增大功率可以通過減小λ值實現，兩者互為矛盾。因此，既要保證機組在較大功率下運行，又要降低排氣溫度使機組運行穩定，必須在降低λ值的同時采取其他輔助手段進一步降低排氣溫度，以保證機組運行的可靠性。

表2 不同過量空氣系數下的排溫和功率

2.4 過量空氣系數λ對發動機失火的影響

由表3可知，隨著過量空氣系數λ值的增大，碳氫化合物濃度([HC])先減小再急劇增大。尾氣排放濃度出現反轉的原因是空氣過量導致發動機出現失火現象。當轉速為600 r·min-1時，λ≤1.3基本不出現失火現象；當轉速達到1 000 r·min-1時，λ≤1.5基本不出現失火現象。

表3 不同過量空氣系數下的碳氫化合物濃度

2.5 過量空氣系數λ對耗氣量的影響

由表3可知，隨著過量空氣系數λ值的增大，單位發電量的沼氣消耗率減少，即沼氣熱效率提高，λ值為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5，耗氣率分別為0.78、0.74、0.71、0.69、0.67、0.65、0.64、0.64 m3·(kW·h)-1。結合前面的過量空氣系數試驗，為使發電機組在較高功率、較低排氣溫度和較高沼氣利用效率的情況下正常運轉，同時確保不發生失火現象，建議采用過量空氣系數λ值為1.3。

3 小結

本試驗以溫州中盛畜牧設備有限公司100GF-ZC沼氣發電機組為研究對象，分析了點火提前角和過量空氣系數對沼氣發電過程的影響規律。試驗結果表明，隨著點火提前角的增大，機組排氣溫度降低，功率先增大再減小；隨著過量空氣系數λ的增加，功率和排氣溫度減小，沼氣熱效率提高，當λ值過大時發動機會出現失火現象。通過對以上主要參數之間的互為關系進行綜合分析，提出將該機組的點火提前角設為24°，過量空氣系數設為1.3比較合適。試運行情況顯示：在該參數設置下，機組啟動順暢，運轉穩定，排氣溫度在合理范圍內。結合于華等[6]的研究，采用增壓中冷稀燃技術可以有效緩減各方面因素對過量空氣系數λ取值的影響和制約作用，下一步可以此為主要技術方向，進一步提高沼氣發電機組的功率，增強系統可靠性，并提升沼氣利用效率。

[1] 董飛青. 利用太陽能提高豬糞生物質能轉化的綜合生態工程[D]. 杭州: 浙江大學, 2012.

[2] 張國聽, 尤濱乾. 淺議沼氣綜合利用工程的維修與改造：以浙江海寧同仁養殖園區沼氣工程為例[J]. 安徽農學通報, 2017 (6): 131-132.

[3] 徐廣印.農村戶用沼氣發電裝置性能研究[C]//中國科學技術協會, 河南省人民政府. 第十屆中國科協年會論文集(三). 2008: 6.

[4] 黃昌鴻. 散居農戶小型發電機組改燃沼氣燃燒特性試驗研究[D]. 貴陽: 貴州大學, 2015.

[5] 張斌, 王麗娜. 沼氣發電系統綜述[J]. 科技視界, 2014 (6): 272-273.

[6] 于華, 馬相明, 許自順, 等. 增壓中冷稀燃天然氣發動機燃燒特性試驗研究[J]. 內燃機, 2014 (6): 33-36.

2017-09-30

尤濱乾(1981—)，男，浙江海寧人，工程師，學士，從事農村能源技術推廣工作，E-mail: 420061753@qq.com。

陸志杰，E-mail: 383302214@qq.com。

文獻著錄格式：尤濱乾，楊麗，陸志杰. 純沼氣發電技術試驗初探[J].浙江農業科學，2017，58(12)：2103-2104，2107.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171206

S216.4

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0528-9017(2017)12-2103-02

侯春曉)