200KW 天然气发电机组的开发与研究
（中国重汽集团济南地球村电子商务有限公司 250220 ）
摘 要：主要介绍了天然气发电的现状、天然气发电机组的组成、技术指标、发电机组的试验项目和成果以及天然气发电机组用发动机的研制。
关键词：天然气发电机组 混合后增压器 机组开发 CAN一、概述天然气是一种高热值清洁燃料，以天然气为燃料的燃气循环发电是当今世界的先进发电方式，也是本世纪最有前途的发电能源之一，具有良好的长远经济效益和发展前景。它是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。天然气其主要成分为甲烷，热值为 8500 大卡/米 3 是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。
从世界范围来看，根据 IEA 预测值计算，OECD 国家发电、民商和工业用气比例约为 37%、31%、22%。从世界范围来看，虽然受气价影响，发电气量略有下降，但仍无法撼动其最主要天然气消费的地位。
从美国 2012 年<100MW 热电联产统计数据看来，小于 1MW 的热电联产项目，内燃机占据了整个市场的 74%。
截至 2013 年底，我国天然气发电装机，4309 万千瓦，占全国总装机的 3.45%，天然气发电量 1143 亿千瓦时，占全国总发电量的 2.13%。
结合“十三五”期间我国电力发展供需分析以及未来我国天然气发电在我国电力供应中的地位，预测我国天然气发电装机规模发展：“十三五”末气电在我国发电装机中的比例增加到 4.71%，考虑到需求、利用形式将逐步由大容量机组集中布置为主过渡为分布式多联供方式利用为主。这就意味天然气分布式发电未来有望迎来发展黄金期。
二、天然气发电机组的开发要求
200KW 天然气发电机组由天然气发动机、交流发电机、内循环散热器以及公用底盘组成。
三、天然气发电机组的开发方案
（一）对发电机组控制模块进行选型匹配
根据开发要求，发电机组的控制模块必须具备自启动停机、温度压力保护、远程控制、发动机故障自动停机等功能，通过对国内外诸多品牌进行比较选型，最终选定了 GU620A 控制模块。该模块不仅具备了上述各项功能，还具备与发动机 ECU 进行 CAN 通讯功能，可接受发动机 ECU 发出的水温、油压、转速、发动机故障信号，减少了发动机线路与硬件的布局，使机组控制更加方便、布局起来更加简洁。
（二）、对发动机进行改型设计
1 主要技术参数及开发方案
（1） 主要技术参数
T12D-3 型增压中冷电控稀薄燃烧天然气发动机是在中国重汽D12.38 型柴油机基础上开发研制的。D12.38 型柴油机为四冲程、压燃、直喷、压缩比为 17：1，标定功率为 279kW，额定转速 2000r/min 的车用发动机。
（2）整体方案设计
T12D-3 型天然气发动机在保持 D12.38 型柴油机大部分零部件通用的基础上，重点对进排气系统、点火系统、燃烧系统进行了重新设计和改进，在对技术手段的定位上，采用先先混合后增压进气、稀薄燃烧方式，控制策略采用 phi 值反馈闭环控制。
2、主要零部件的设计及改进
（1）进排气系统
T12D-3 型天然气发动机采用电控预混、混合后增压的进气方式，如下图一所示。天然气进气采用逐级减压方式，使天然气的压力范围符合发动机的控制策略压力需求量。空气进气采用与天然气混合后增压中冷进气方式。天然气与空气的混合采用机械文丘里式混合器，其原理为空气流经混合器喉管膜片时，由于喉管膜片处的流速加快，根据伯努利原理推论，等高流动时，流速越大，压力越小。所以此处形成负压区，喉管膜片处与天然气进气管路相连，空气与天然气在此混合，形成符合天然气燃烧的燃料混合气，空燃比 PHI 值的控制由发动机管理单元和氧传感器闭环修正完成。进入燃烧室内进行燃烧的混合气量的多少由节气门根据发动机管理系统的指令进行闭环控制。
图一 发电用发动机进气模式
（2）点火系统
D12.38 型柴油机燃烧依靠压缩自燃，改为天然气发动机需要加装专门的点火装置。天然气发动机的动力性能、经济性能与点火质量有密切的关系，选配合适的点火线圈和火花塞至关重要。考虑到稀薄燃烧的需要，点火线圈必须适应更高的点火能量，火花塞采用国外某厂家铂金触点火花塞，选择适当的火花塞间隙以利于与点火线圈的匹配，提高了其点火质量[3] 。火花塞在燃烧室中的位置对燃烧过程的进展有重要影响，进而影响发动机的动力性能和经济性能。本机采用气缸盖中置布置，利于燃烧火焰的均匀传播，提高其能量的转化效率。在点火提前角的标定试验过程中，首先要使点火提前角处于发动机失火和爆振界限的范围内，然后综合考虑点火提前角对动力性及各气体排放的影响，不断调整点火提前角值，使发动机满足动力性能要求。
（3）燃烧系统
T12D-3 型天然气发动机混合气形成采用预混方式，发动机的工作循环由混合加热循环变为奥托循环。虽然天然气的辛烷值很高，但原柴油机的压缩比仍显太大，必须将原柴油机的压缩比适当降低，以避免发生爆震和机械负荷过高。柴油机的燃烧室结构形状是为配合柴油喷雾、组织缸内气流运动和燃烧过程而设计的。改用天然气后，为了组织预混混合气的燃烧，还应修改原柴油机燃烧室的结构形状，如图四所示。天然气发动机的压缩比一般为 10～12。结合公司 10L 天然气发动机的设计经验，将 12L 天然气发动机的压缩比设计为 11。
3、对发电机及散热器的匹配
（1）发电机的匹配
根据天然气发电机组的开发目标和对发电机市场的调研，交流发电机选用国内知名品牌生产的 FD3H1-4 型发电机。
（2）散热器的匹配
利用发动机热平衡试验结果可对发电用发动机冷却系统冷却风量进行分析估算。假设散热器进出水管截面上水温均匀，忽略冷却系统表面散热，只考虑风扇影响下的散热器散热，通过测量散热器进出水温差可计算冷却系统的散热量，从而确认散热器的散热面积。
四、发电机组的试验和结论
（一）发电机组试验数据
对 200KW 天然气发电机组我们完成了在 1500rpm，功率因素 0.8的运行状况下的稳态工况测试和瞬态工况测试，稳态工况、瞬态工况的测试数据和结果。
（二）发电机组试验结论
通过对发动机进气系统的改进，对点火提前角、PHI 等发动机参数的优化标定，使 200KW 天然气发电机组的气耗率处于一个较低的水平，各项指标均满足国家 CB/T 22343-2008 标准中性能等级 G2 指标。
五 参考文献
[1]李友峰.3000KW 核电站 AAC 级应急柴油发电机组的研制.内燃机车，2009，(7)：33-35.
[2]成辉，张福民等.柴油发电机综合控制系统设计.自动化工程，2008.
[3]王盛宏，CU373C 电子调速器性能、原理、使用及调整[J].移动电源与车辆，1995，(3)：19-23.
[4]中国电力企业联合规划与统计信息部，十三五_天然气发电需求与政策研究，中国电力企业管理 2014[5]施崇槐，吕贵军 80kW 沼气发电机组开发 中国农业信息 2012作者简介：
杜福洋，男，山东，1978，研究生，工程师，中国重汽集团济南地球村电子商务有限公司，发动机控制
