沼气发电机.docx

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沼气发电机

一、普通发动机的结构概述

图一发动机结构示意图

发动机（见图一）是一台由许多机构和系统组成的复杂计起，现代汽车发动机的结构形式很多，即使是同一类型的发动机，其具体构造也是各种各样的，但就其总体功能而言，基本上都是由如下的机构和系统组成：

曲柄连杆机构、配气机构、供给系、润滑系、冷却系和启动系。

如果是汽油机还包括点火系，若为增压发动机则还应有增压系统。

若是电喷发动机还有其独特点火系、燃油供给系和电子控制系统等。

各部分功用如下：

1、曲柄连杆机构

曲柄连杆机构是发动机实际工作循环，完成能量转换的主要运动部件。

它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。

在做功过程中，活塞承受燃气压力在气缸内做直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力，而在进气、压缩和排气过程中，飞轮释放能量把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。

2、配气机构

配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启、关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。

配气机构大多数采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。

3、燃料供给系

汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中，柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

4、润滑系

润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，并对零件表面进行清洗和冷却，润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

5、冷却系

冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。

水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。

6、点火系

能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备成为点火系。

在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部深入燃烧室内。

点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。

7、启动系

发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向下运动使曲轴旋转，发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。

因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的启动。

完成启动过程所需的装置，称为发动机的启动系。

汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃烧供给系、润滑系、冷却系、点火系和启动系组成；柴油机由以上两大机构和四大系统组成，即由曲柄连杆机构、配气系统、燃料供给系、润滑系、冷却系和启动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。

二、沼气发动机的结构概述

1、沼气发动机的结构简介

沼气发动机的基本结构要适应沼气的燃烧特性,各部件的布置应适合沼气生产使用的现场条件。

设计中发动机的机体、曲轴、连杆、气缸盖、凸轮轴等主要部件和普通燃气发动机基本相同;对点火系统、增压器、中冷器和进气系统等要进行重新匹配。

机组结构及安装布置见图二:

1.计算机监控系统2.抽风机3.过滤器4.稳压罐5.阻火器6.水气分离器7.电磁阀8.调压阀9.发动机10.电控混合器11.涡轮增压器12.发电机

图二　沼气发电机组安装图

2、沼气发动机的进气过程

沼气由气源输出后,经净化处理,由稳压罐、阻火器、水气分离器、电磁阀、调压阀进入电控混合器;计算机监控系统根据燃烧室内压力、温度等参数的变化向电控混合器发出指令,自动调节沼气与空气的混合比,得到合适空燃比的混合气;再经增压器、中冷器、进气管进入燃烧室。

在燃烧室内燃烧后将沼气的化学能转化为机械能,燃烧后的废气经排气管排出。

3、沼气发动机的关键技术

沼气发动机要解决的核心问题是沼气的净化处理和混合。

3.1、沼气的净化处理

沼气的产生主要是通过厌氧消化,而厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用,使有机物经液化、气化而分解成沼气。

生成的沼气中含有微量的水分和H2S等腐蚀性介质,这些有害成分会对输气管道和发动机部件产生腐蚀,影响发动机的正常运行和使用寿命。

为了除去沼气中的水分和H2S,可在进气管道上安装干式脱硫塔,脱硫剂为铁屑;或者湿式脱硫塔,脱硫剂为浓度30%的NaOH碱液。

另外,还要在进气管道上安装过滤除尘、除湿、除油装置。

3.2、沼气发电机组的防腐处理

沼气中含有的H2S和水分形成弱酸液,对管道及发动机的金属部件产生腐蚀,特别是对铜质及铝质部件腐蚀更为严重。

因此,应对输气管道、中冷器、增压器、活塞等部件进行涂漆、渗瓷、渗氮等防护处理。

另外,由于H2S燃烧后的产物SO2具有更强的腐蚀性,燃烧室周围相关部件及排气管均应考虑采取防腐措施。

3.3、电控混合器技术

普通燃气发动机使用等真空度混合器,不能根据气源CH4浓度的变化自动调节空燃比,使用时容易导致发动机转速和输出功率波动较大,甚至因点火不连续而停机,难以推广使用。

沼气发电机组采用电控混合器。

计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧状况,并将燃烧信号反馈到ECU控制单元,ECU发出指令,使电控混合器的执行器带动操纵机构,改变沼气与空气的进气流道面积,根据沼气中CH4理匹配空气和沼气流量,达到实时调节空燃比的目的,实现稳定的稀薄燃烧,有效地控制了发动机的热负荷。

三、沼气发电机组的概述

1、沼气发电机组的结构简介

（1）、沼气发电机组主要由沼气发动机、发电机、控制屏、公共钢制底盘和冷却系统等组成。

（2）、以胜动沼气发电机组为例，燃气发动机的主要部件构成：

燃气机的机械基础件（机体、曲轴、连杆等主要部件），与我国目前铁路机车动力和石油钻井柴油机通用，均是经过了几十年长期考验的成熟机型，针对沼气的特点，通过降低转速并对部分基础件进行特殊处理来更好的适合沼气。

电子调速器：

采用美国WOODWARD公司生产的电调系统。

进气压力调节阀：

采用膜片式压力调节阀双向气道精确调整技术，配合电控混合器对空燃比自动调整，可以达到良好的均匀层燃效果。

缸温、排温的控制:

对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，对燃气机的缸温和排温进行监测并控制，可以及时调整发动机的相关参数以消除爆震倾向。

新型活塞环：

采用既扭又锥的气环和组合式油环，对机组的油耗控制有保证。

气门座圈采用新型耐热合金材料，提高了燃气机的可靠性和使用寿命。

主重要控制部分零件如点火系统（火花塞、高压线、点火线圈、磁电机）等，采用美国公司的产品。

配气系统：

采用专为燃气机设计的凸轮轴及其他配气机构，具有独特的配气相位、配气夹角、点火提前角等，可使燃气机达到理想的充气效率及燃烧效果。

（3）、IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构及主要技术性能参数

机组配置按西门子进口许可证生产的无刷励磁稳极式电机，电机电压为0.4kV.

IFC6/TF系列无刷恒压同步发电机结构组成：

发电机：

由主机、励磁机和励磁系统组成。

主机为旋转磁场式，转子成圆柱形并带有阻尼绕阻，励磁机为旋转电枢式，主机励磁功率通过旋转整流器输入主发电机转子。

励磁系统：

带可控硅电压调节器的THYRIPART励磁系统，采用相复励无刷自动电压调压方式，发电机的励磁电流随负载情况而自动调节，保持发电机的电压恒定。

在负载变化和短路情况下具有良好的动态特性。

绝缘系统：

标准绕阻采用西门子DURIGNIT2000绝缘系统，满足VDE0530标准对F级绝缘的要求。

所采用的绝缘材料具有不吸潮、介电强度高等特性，且能承受剧烈的温度变化。

定子绕阻采用具有高耐水解特性的特种漆包线或包有云母箔的扁铜母线制成。

标准绝缘采用特殊的树脂浸渍工艺，能获得高机械强度、高抗震性和极好绝缘强度的满意效果，从而使发电机能在DIN50019标准规定的各种气候条件下长期运行。

短路电流和短路参数：

当发生突加大型鼠笼式异步电动机负载情况时，由于励磁系统以相复励方式运行，发电机满足最小电压降和最快电压恢复的要求，此时这种励磁方式可提供其值约为3-5倍额定电流的持续短路电流，以便选择保护装置，但在持续短路电流的持续时间达5S时，发电机卸载负荷。

过载：

按VED0530标准的规定，在额定电压下，发电机能承受1.5倍额定电流，历时2min的过载。

四、投资分析

以潍柴沼气发电机组为例，发动机的机体、气缸盖、曲轴、凸轮轴、飞轮、齿轮室等主要部件和普通燃气发动机相同，为潍柴独立生产，其余均采购配件进行装配，例如：

活塞：

马勒

增压器：

honeyweell、霍尔赛特

火花塞：

博世、香火炬。

电控：

WOODWARD

发电机：

蓝电、马拉松、西门子、斯坦福、强辉、兴诺。

厂区面积：

1500X500平米

员工15000人，年产5-6万台。

沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。

目前用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。

国外用于沼气发电的内燃机主要使用Otto发动机和Diesel发动机，其单位重量的功率约为27kW／T。

汽轮机中燃气发动机和蒸汽发动机均有使用，燃气发动机的优点是单位重量的功率大，一般为70～140kW／T；蒸汽发动机一般为10kW／T。

国外沼气发电机组主要用于垃圾填埋场的沼气处理工艺中。

目前，美国在沼气发电领域有许多成熟的技术和工程，处于世界领先水平。

现有61个填埋场使用内燃机发电，加上使用汽轮机发电的装机，总容量已达340兆瓦；欧洲用于沼气发电的内燃机，较大的单机容量在0.4～2兆瓦，填埋沼气的发电效率约为1.68～2kWh／m3。

德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电，同时多数将发电过程中产生的废热用于供热，即热电联产工艺。

沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电。

所采用的内燃机以双燃料内燃机为主，占72%，其余28%为单燃料内燃机。

我国开展沼气发电领域的研究始于八十年代初，1998年全国沼气发电量为1,055，160kWh。

在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。

我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。

目前，对“沼气一柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。

如：

中国农机研究院与四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195—1型双燃料发动机：

上海新中动力机厂研制的20／27G双燃料机等。

成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行过研究。

潍坊柴油机厂研制出功率为120kW的6160A一3型全烧式沼气发动机，贵州柴油机厂和四川农业机械研究所共同开发出60kW的6135AD（Q）型全烧沼气发动机发电机组；此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行过这方面的研究、研制工作。

可以说，目前我国在沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机系列上。

沼气――柴油双燃料发动机方案采用少量的引燃柴油经压燃后点燃沼气。

因为哪怕只有5％左右的柴油，其着火能量就会大大高于火花点火的能量，可以解决因沼气燃烧速度慢而带来的严重后燃、高排温及大负荷等问题。

其另一个优点是在可燃气不足的情况下可以用柴油补充；没有可燃气时，可以全部燃用柴油工作，使用起来比较灵活。

  上面介绍了双燃料发动机的许多优点，但其缺点是离不开柴油，经济效益也较低。

所以在沼气资源丰富的场合下，全烧沼气发动机更具有应用价值。

起初，国产的全烧式沼气发电机排温太高，可靠性不过关，经济性也不好。

现经过国内多年研究，通过采用快速燃烧系统等措施，明显地改善了全烧沼气发动机的性能，取得了排气温度接近500℃的国际先进水平，可望使国产沼气排温高达650～700℃，致使可靠性与寿命不过