卡特彼勒G3520C型發動機缸爆震的研究

羅繼晶

（中煤昔陽能源有限公司瓦斯發電廠，山西 晉中 045300）

瓦斯作為煤礦開采過程中的必然產物，將其有效利用，不僅可以節約能源，減少污染，還可以帶來明顯的經濟效益。就目前實際情況看，瓦斯發電是最為理想的利用途徑，已然成為煤礦瓦斯利用的主要方式。而在瓦斯發電的機組選型中，往復式內燃發電機組是最佳選擇。它具有投資少、見效快、燃料成本低、安裝靈活、對瓦斯濃度適應范圍廣等優點。因此，一些能有效提高往復式內燃發電機組運行可靠性的方法，在瓦斯發電行業內具有很大的推廣應用價值，對提高煤層氣利用效率具有實際意義。某瓦斯發電廠安裝美國卡特彼勒G3520C型燃氣內燃發電機組一共13臺，各臺機組的累計運行時間均已達50 000 h。在其運行期間，總體運行比較平穩，但發動機缸爆震跳機故障出現多，在所有故障跳機中缸爆震跳機占的比例最高，尤其是投產初期，頻繁的缸爆震跳機給生產運行帶來不小的不利影響，也直接影響著全廠的經濟效益。隨著運行管理經驗的積累，通過對大量缸爆震跳機實例的分析和研究，總結了缸爆震最常見的原因，并制定了預防處理措施，為機組的安全、穩定運行提供了方案。

1 G3520C型發動機爆震的原因

G3520C型發動機的點火控制和爆震檢測由電子控制模塊（ECM）來完成。運行過程中，ECM根據發動機的正時信號發出點火信號，發動機爆震多發生于這個時刻前。當發動機的某個缸在其壓縮沖程中活塞還未運行至設定的點火位置（火花塞還未點火），燃氣即發生壓燃現象，這就是所謂的爆燃。爆燃發生時，由于其產生的作用力與活塞的運動方向相反，就會造成該缸不正常的震動，這就是所謂的爆震。

2 缸爆震對發動機的危害

我們從爆震產生的原理中就可以知道，發生爆震肯定會對發動機的零部件產生危害。機組在正常運行中不可避免地會產生輕微的爆震，輕微的爆震通常可以通過延后該氣缸點火角度而消除，這樣的輕微爆震會加重缸筒、活塞的磨損。氣缸內突發的嚴重爆震可能會破壞活塞、造成拉扛，強烈的爆震所產生的沖擊力還可能會造成曲軸、連桿機構損壞，對發動機造成致命損傷。如果爆震監測失效，連續的強烈爆震，最壞的情況能直接把發動機缸體炸開。需要強調的是，發動機曲軸上的連桿瓦或主軸瓦出現抱瓦故障時也會缸爆震跳機，所以，發動機缸爆震跳機后必須進行詳細檢查。

3 G3520C型發動機爆震的監測

為防止過大的缸爆震直接造成發動機損壞，盡量減少其對發動機的不利影響，G3520C型發動機在兩個相鄰缸中間安裝有缸爆震傳感器。缸爆震傳感器監測機械振動，這種傳感器產生電壓信號，電壓與發動機爆震的程度成正比。這些信息由ECM處理，以便確定爆震等級。主ECM監測左側爆震傳感器的數據，副ECM監測右側爆震傳感器的數據，并將數據傳輸給主ECM。如果發生爆震，ECM將延遲該氣缸的點火角度，最大可達6°，如果氣缸推遲點火角度持續5 s，這個氣缸繼續爆震，ECM將命令停機，就會發生上述所說的缸爆震跳機。缸爆震跳機后運行人員可以使用卡特彼勒電子技師（ET）連接該機組，ET會顯示出具體缸號和氣缸爆震等級，以便檢修人員有針對性地進行檢查和處理。

4 引起發動機出現爆震的原因

4.1 發動機過負荷或負荷波動

發動機過負荷時，會使發動機各缸的缸爆震水平加劇，嚴重時可導致跳機，正常運行過程中應當將機組負荷控制在額定功率以內，且統計分析機組在額定值以下一定負荷區間內爆震跳機的概率。在具備條件的情況下，選擇在兼顧機組發電量和穩定性的最佳區間內運行，使機組整體效益達到最優。機組負荷波動時，在發動機功率控制系統和空燃比控制系統的作用下，發動機的計量閥、節氣閥、旁通閥都在做快速開關調整。另外，渦輪增壓器存在機械慣性，壓力、流量監測存在一定的滯后性，這會造成機組在負荷波動過程中進入氣缸的混合氣量和濃度控制都不理想，引發發動機缸爆震。

機組負荷波動時，發動機曲軸的旋轉力矩在不斷變化，造成在不同沖程的各氣缸活塞、缸筒、連桿也承受不穩定的力，因此，產生一定的機械振動。此振動也有可能被爆震傳感器采集至ECM，被判定為缸爆震。機組負荷波動的原因一般有電氣擾動、旁通閥波動、計量閥波動、節氣閥波動、壓縮機出口壓力波動、進氣支管壓力波動、功率模塊異常、氣缸點火不正常、轉速傳感器異常、油壓開關異常。

4.2 積碳嚴重

發動機燃燒室內積碳嚴重是造成缸爆震最常見的原因，積碳不僅會使燃燒室容積變小，壓縮比增大（產生高壓），而且積碳的蓄熱作用會使其表面產生高溫熱點，進而造成發動機爆震。瓦斯發動機的積碳是瓦斯氣、空氣中的雜質和發動機潤滑油在氣缸內燃燒形成的焦狀物質，在高溫作用下轉而形成積碳。積碳容易吸附機油，導致積碳一層一層越積越厚。積碳還會加重缸筒、活塞環的磨損，造成缸內刮油不凈，機油參與燃燒形成積碳，造成惡性循環，使缸爆震加劇，嚴重時還會造成氣門燒口或者敲缸。

預防積碳的形成，要做好以下幾方面工作：①選擇性能好的燃機潤滑機油，并做好定期化驗工作，加強油質管理，這是預防積碳最主要的方法。②做好機組油耗計算，油耗的高低是機組缸內積碳情況的晴雨表，只計算全廠總油耗而不計算單臺機組油耗的方法是不可取的。各臺機組因大修后運行時間不同，以及受到很多其他因素的影響，油耗會存在很大差異，對于油耗過高的機組，清理缸蓋積碳可以緩解爆震。③更換新缸筒、活塞的機組要規定磨合期間的負荷曲線。啟動后加載必須緩慢，低負荷運行一定時間，使新部件充分磨合。④保持油位合適，油位過高也易形成積碳。⑤某氣缸爆震頻繁，用內窺鏡檢查發現缸內積碳嚴重時，要清理缸蓋積碳，防止后期產生嚴重的惡性循環。⑥及時更換空濾、燃濾及預處理濾芯，保證燃氣、空氣清潔。

4.3 火花塞或高壓包存在問題

火花塞或高壓包工作不正常也會造成氣缸爆震。運行中要統計各氣缸的火花塞運行時間，監視火花塞次級電壓。以此為依據有計劃地更換火花塞，防止運行中火花塞故障。缸爆震跳機時如果報出該缸點火變壓器電壓異常，可確定為高壓包故障引起。

4.4 機械原因造成的爆震

缸蓋的氣門間隙調整不當、挺桿、挺柱等機械部件存在問題也會造成氣缸爆震。如果氣缸內無嚴重積碳、火花塞正常，就要檢查缸蓋的氣門間隙、挺桿、挺柱、凸輪軸、活塞銷、連桿、連桿瓦等機械部件。運行中用聽針監聽各部位的聲音，也是判斷機械部件異常的有效方法。

4.5 進氣溫度過高

夏季高溫天氣時，燃機車間內環境溫度高，預處理系統的制冷效果差，空冷散熱器的散熱能力不足，中冷器冷卻不良。種種原因將會造成機組進氣溫度高，引起缸爆震。每年入夏前應詳細排查以上問題，全面消除缺陷，保證系統在夏季運行期間可靠出力，保證機組進氣溫度在合適范圍內。

4.6 空燃比不良

空燃比不良多出現在煤礦瓦斯濃度變化時，以及瓦斯氣體組分發生變化時。運行過程中應保證瓦斯來氣系統的濃度能迅速、準確地采集至主控室。運行人員平常要加強濃度數據監視，加強與供氣單位的聯系溝通，打好濃度變化的提前量。濃度變化時及時調整輸入機組的燃料熱值、排放增益及氣體比例等數值，跟蹤控制修正系數，必要時提前降低機組負荷，可有效預防空燃比不良造成的缸爆震。

4.7 進氣壓力波動

進氣壓力波動造成的缸爆震，多發生于瓦斯供氣系統有擾動時。預處理系統的PID調節能力是保證預處理系統壓力穩定的關鍵。預處理系統PID調試期間必須考慮瓦斯濃度高低、機組運行臺數、負荷高低、預處理出口壓力設定值高低、預處理系統的運行方式等影響因素，在各種工況下調試，并驗證出機組跳機等擾動時的調節能力，保證預處理PID調節在實際運行中達到最優。另外，預處理羅茨風機必須定期維修，保證良好的性能才能為PID調節創造條件，也能降低耗電。調整各臺機組進氣支管的穩壓閥彈簧，使其在合理區間內可靠工作，減少瓦斯供氣母管壓力波動對各機組支管進氣壓力的影響。

4.8 缸爆震傳感器及線束問題

缸爆震傳感器及線束問題會造成誤報缸爆震跳機。如果氣缸其他方面情況良好，而報出缸爆震，就要更換缸爆震傳感器及其線束。缸爆震傳感器的問題多為絲扣松動或本身損壞，線束的問題多為高溫老化或磨損造成絕緣不良或者接頭接觸不良。機組保養時應定期檢查線束，做好防護措施。

4.9 缸蓋漏冷卻液

如果缸蓋故障冷卻液泄漏進燃燒室，乙二醇在高溫環境下燃燒會導致該缸爆震。此種情況下要監控該缸的排氣溫度，通常情況下冷卻液泄漏的氣缸排氣溫度會有異常升高現象，然后就要停機檢査缸蓋是否有冷卻液泄漏的痕跡。

5 結束語

筆者根據實際運營管理經驗，對卡特彼勒G3520C型瓦斯發動機發生缸爆震的原因進行了總結，通過本文總結的各種防治措施，能有效預防或處理發動機缸爆震，保障發動機的安全、穩定運行。