LY1200鐵合金煤氣發電機組的關鍵技術

雷愛國

湖南省力宇燃氣動力有限公司，湖南 長沙 410205

0 引言

鐵合金行業耗能大，污染物排放高。鐵合金產品多采用礦熱電爐生產，生產過程中產生大量含CO、H2等成分的有害混合氣體，行業內稱之為鐵合金礦熱爐煤氣[1-2]，其主要成分的體積分數如表1所示。鐵合金礦熱爐煤氣銷毀或利用的方式主要為直接燃燒掉或用于內燃機發電等[3]。鐵合金礦熱爐煤氣直接燃燒造成大氣污染，用于內燃機發電易回火，燃燒難以控制，負載低，運行不穩定[4-6]。為了提高鐵合金礦熱爐煤氣的回收與利用效率，防止內燃機進氣管回火，滿足不斷提高節能環保和“雙碳”目標的要求，根據鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規燃氣成分差異性及其燃燒特點，開發專用鐵合金煤氣發電機組有現實意義。

表1 鐵合金礦熱爐煤氣主要成分的體積分數 %

1 主要技術參數

在常規燃氣內燃機及其發電系統技術的基礎上，研究與分析鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規燃氣成分差異性及其燃燒特點，研發LY1200鐵合金煤氣發電機組。LY1200鐵合金煤氣發電機組發動機為16缸、V形布置、四沖程、水冷、渦輪增壓中冷、火花塞點火,主要技術參數如表2所示。

表2 LY1200鐵合金煤氣發電機組技術參數

2 關鍵技術

2.1 進氣系統

采用預混合技術的鐵合金煤氣發電機組，其整個進氣管道內充滿易燃混合氣，易導致缸內異常燃燒，造成進氣管內回火和機組跳機。為避免發動機缸內回火，LY1200礦熱爐煤氣發電機組進氣系統采用空氣、燃氣分路增壓的進氣結構，如圖1所示。空氣先后經過空氣過濾器、空氣增壓器、空氣節氣門、空氣中冷器和空氣進氣總管；鐵合金煤氣經過煤氣節流閥、煤氣增壓器、煤氣中冷器、煤氣節氣門、單缸煤氣控制閥，再進入進氣歧管及缸蓋進氣道內與空氣混合。該進氣系統的優點是空氣與煤氣在進氣歧管內混合后再進入缸內，且各缸燃氣進氣量可單獨控制，保證各缸進氣均勻性，使機組運行更加穩定。

圖1 LY1200礦熱爐煤氣發電機組進氣系統示意圖

2.2 活塞燃燒室

為減少缸內早燃的發生，針對礦熱爐煤氣的燃燒特性，改進活塞頂部結構，采用縮口燃燒室，活塞頂部改進前、后對比如圖2所示。縮口燃燒室有利于空氣與煤氣在缸內充分混合，有效增強燃燒室內湍流動能，促進燃燒室內的氣體流動[7]，加快燃燒室內的燃燒速度，加快壓縮沖程缸內壓力和溫度升高速率，減少后燃，降低排氣溫度，提高燃氣發動機可靠性與壽命，降低發動機燃氣消耗率，改善發動機的性能，實現缸內高效穩定燃燒，有效阻止異常燃燒，提高產品的運行穩定性、安全性與可靠性。

a)改進前 b)改進后

2.3 壓縮比

發動機的許用壓縮比隨氣體燃料成分不同而不同，根據氣體成分確定發動機的壓縮比是避免爆燃的有效方法。根據鐵合金煤氣的氣體成分、燃燒特性，以及以往匹配燃氣發動機的經驗，試制3種不同壓縮比(分別為11.5、12.0、12.5)的活塞。3種活塞裝配在同一臺燃氣發電機組上進行試驗，得到不同壓縮比的燃氣發電機組性能參數對比，如表3所示。

表3 不同壓縮比的燃氣發電機組性能參數對比

由表3可知，壓縮比為12.5的燃氣發電機組的發電效率較高，熱耗率較低，但NOx排放較高。

由于壓縮比為12.5的燃氣發電機組在調試過程中缸溫超過430 ℃且出現爆震現象，最終確定本機最佳壓縮比為12.0。

2.4 增壓器和進氣增壓旁通

增壓器與發動機的匹配直接影響燃氣發動機的燃燒特性和動力性。因鐵合金煤氣易引起閃爆，造成發動機進氣管回火，所以采用空氣增壓器與燃氣增壓器并聯安裝、空氣和鐵合金煤氣分路增壓的增壓方式。計算所需的發動機參數及邊界條件為：發動機轉速為1500 r/min，環境溫度為25 ℃，環境壓力為100 kPa。經過匹配計算，壓氣機外特性參數如表4所示。

表4 壓氣機外特性參數

空氣、煤氣增壓器與發動機的聯合運行曲線如圖3所示。由圖3可知，增壓器有足夠的喘振裕度，滿足匹配要求，但還需根據現場實際的環境溫度、大氣壓力、鐵合金煤氣進氣壓力、鐵合金煤氣的組分、過量空氣系數、點火時刻、幾何壓縮比、各空氣和燃氣節氣閥的調整，確定最終的增壓器。

a) 空氣增壓器與發動機 b) 煤氣增壓器與發動機

為防止增壓喘振問題，設計一種通過旁通控制的高壓比增壓系統，實現高效、高壓比進氣增壓，提高發動機的功率與工作性能[8-9]。

2.5 凸輪軸

與其它氣源不同，鐵合金煤氣中主要成分為CO、H2，著火溫度低、易燃，易引起進氣管回火，嚴重影響發電機組的安全穩定運行，因此選擇合適的進氣門、排氣門開閉時刻與氣門重疊角很關健。根據已有燃氣發電機組設計經驗，采用滾輪挺柱型負曲率半徑的凸輪型線和進氣門早關形式的米勒循環，相關配氣相位設置為：上止點前15°進氣門開啟，下止點前9°進氣門關閉，下止點前51.5°排氣門開啟，上止點后14.5°排氣門關閉，既可保證較高充氣效率，又可減少缸內高溫氣體回流進氣道內引起回火。

2.6 控制系統

控制系統采集、處理傳感器得到的各種發動機工況信號，通過運算判斷發動機的工作狀態及系統的控制效果，做出相應的控制決策，發出控制指令驅動執行機構工作，使各類閥體開度合適，從而實現對空燃比的控制。控制系統結構包括電控單元、各類傳感器、485通信、節流閥、旁通閥、節氣門、單缸閥等。針對鐵合金礦熱爐煤氣組分特殊與供給壓力波動性的特點，增加燃氣組分與供氣壓力前饋控制回路，設計前饋控制策略與算法，有效消除燃氣組分變化與壓力波動對燃燒的影響，提高煤氣內燃機轉換效率與工作穩定性。煤氣發電機組控制邏輯如圖4所示。電控單元控制燃氣節流閥和空氣節流閥實現發動機空燃比控制，控制燃氣旁通閥實現燃氣增壓壓力的控制；控制空氣旁通閥實現空氣增壓壓力的控制；控制燃氣節氣門和空氣節氣門實現發動機轉速及輸出功率的控制，控制單缸閥實現各缸工作的均衡性與穩定性[10]。

圖4 發電機組控制邏輯圖

3 試驗驗證

在內蒙古鐵合金煤氣項目現場對4臺套LY1200鐵合金煤氣發電機組進行調試、試運行、性能試驗和可靠性試驗。試驗氣體主要成分CO、CO2、H2的體積分數分別為67.92%、5.24%、3.88%，熱值為9.07 MJ/m3。4臺機組的各缸溫及排溫試驗結果如表5所示，功率、熱耗率及排放參數如表6所示。

表5 LY1200鐵合金煤氣發電機組各缸溫及排溫試驗結果

表6 LY1200鐵合金煤氣發電機組功率、熱耗率及排放試驗結果

由表5、6可知，通過獨特的燃氣控制算法，合理控制空燃比，各缸缸溫控制在320～380 ℃，平均缸溫控制在350 ℃左右，能夠很好地減少鐵合金煤氣缸內早燃現象，減少NOx排放。

半年持續運行結果表明，LY1200鐵合金煤氣發電機組各項性能指標均達到或優于設計目標，其升功率、熱耗率、發電效率、機油消耗率等指標在國內燃氣發動機中處于先進水平，性能穩定，工作可靠，經濟效益顯著。國內、外燃氣發電機組性能參數對比如表7所示。

表7 國內、外燃氣發電機組性能參數對比

4 結論

1)根據鐵合金礦熱爐煤氣燃料成分與常規燃氣成分差異性及其燃燒特點，開發專屬鐵合金煤氣發電機組。機組采用空氣與鐵合金煤氣分路增壓、兩者在進氣歧管與缸蓋入口混合的進氣方式，能夠很好地避免發動機回火的發生。

2)通過獨特的燃氣控制算法，合理的控制空燃比，各缸缸溫控制在320～380 ℃，平均缸溫控制在350 ℃左右，能夠很好地減少鐵合金煤氣缸內早燃現象，減少NOx的產生。

3)LY1200鐵合金煤氣發電機組各項性能指標均達到或優于設計目標，其升功率、熱耗率、電效率、機油消耗率等指標在國內燃氣發動機中處于先進水平，性能穩定，工作可靠，經濟效益顯著，具有推廣意義。

4)LY1200鐵合金煤氣發電機組高效利用鐵合金生產過程中產生的大量廢氣，幫助鐵合金行業更加高效、清潔地運營，達到節能環保和“雙碳”目標，實現可持續發展。