90 kW水空中冷式燃气发电机性能测试分析

范峻铭，蒋 鹏，乔 亮，杨 光，孟 伟，李璐伶

（1.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东 深圳 518049；2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东 深圳 518049）

燃气发电机是使混合后的燃气和空气进入气缸点火燃烧做功，推动活塞运动发电的装置，其发电效率高（30%～40%）、设备集成度高、安装快捷、每千瓦造价低且调节能力强［1-2］，通常用于燃气分布式冷热电联产系统或作为备用电源［3-4］。

一般匹配大型燃气冷热电三联产系统的燃气发电机组发电功率均在兆瓦级以上，且一般采用空空中冷的散热形式［5-7］。然而大型燃气冷热电分布式能源系统初次投资大，使用场景受限，因此开发使用灵活、小型的燃气冷热电分布式能源系统具有重要意义。目前，国内外文献对小型燃气发电机组的性能及其性能提升潜力的研究鲜有报道。本文旨在探究适配于小型分布式能源系统的燃气发电机组的发电性能，并通过将机组的中冷冷却方式改造为水空中冷来揭示其性能提升规律。此外，燃气发电机组外排烟气中的氮氧化物（NOx）含量较高，为满足日益严格的环境排放要求［8-9］，对燃气发电机烟气脱硝情况进行了测试。

1 水空中冷式燃气发电机简介

1.1 主要技术参数

燃气发电机组由机体、2大机构（曲柄连杆机构、配气机构）和6大系统（供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统、电子调速系统）组成，主要包括机体、曲轴、减震器、活塞、连杆、气缸套、气缸盖、点火系统、润滑系统、冷却系统以及排气系统等［10］。本文测试中所采用的某国产90 kW燃气发电机外形见图1。

图1 国产90 kW燃气发电机外形三维示图

该燃气发电机类型为三相四线，由6个气缸组成，每个气缸的工作循环都由四冲程形式组成，即进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。燃气发电机进气方式为增压中冷，冷却方式为水冷强制循环。

燃气发电机采用水空中冷方式，即燃气和空气通过混合器混合增压之后，经中冷水冷却器（图1）换热冷却后进入气缸压缩。通过缸套水循环冷却系统实现对气缸内温度的控制。该燃气发电机的燃气选用天然气，其主要技术参数为，排量6.75 L、额定输出功率 90 kW、额定电压 400 V、转速1 500 r/min、电流频率50 Hz、最低燃料消耗率不大于 210 g/（kW·h）、功率系数 0.8、噪声不大于102 dB。

1.2 进排气数据

燃气发电机的燃气进口表压2～4 kPa，烟气出口背压 7.5 kPa，最大进气负压 6.7 kPa，空气进气质量流量530.70 kg/h，燃气进气质量流量19.57 kg/h，燃气试验热值 38.50 MJ/m3（标准状态下），排气质量流量 550.27 kg/h，排气温度543℃。空气和燃气的混合体积比为13，主要由混合器进行控制。燃气空燃比对尾气排放、发电机的动力和经济性都有显著影响。为使废气排放质量达到最佳，在发电机排烟管中安装氧浓度传感器，并实现燃料的闭环控制，将发电机的燃气空燃比控制在稀薄燃烧区域，从而使燃气燃烧充分，达到燃料消耗率更低、排放标准更高的目的。

燃气发电机烟气中NOx的排放量最高为6 g/（kW·h），折合为 1 300 mg/m3（标准状态）。 根据北京市地方标准DB 11/1056—2013《固定式内燃机大气污染物排放标准》中规定［11］，以天然气、人工煤气为燃料的内燃机，氮氧化物最高允许排放质量浓度为75 mg/m3。因此，该燃气发电机烟气中的氮氧化物排放量不满足排放要求，需要进行进一步处理。基于燃气发电机排气温度，采用选择性催化还原技术（SCR）脱硝是合适的［12-13］。

1.3 热平衡试验数据

设计的该燃气发电机进水/出水压力13/37.5 kPa，冷却缸套水体积流量 10.8 m3/h，缸套水进/出燃气发电机温度80/85℃，中冷器前/后温度45/40℃。燃气发电机输入的总功率为280.44 kW，其中中冷水带走热流量10.2 kW，烟气和缸套水合计带走热流量140.8 kW。因此有必要通过高效余热回收技术将烟气和缸套水的能量利用起来，余热吸收式制冷或产生活热水是分布式小型燃气机废热利用的有效途径。除发电外，其余部分热流量通过表面辐射耗散，约14.02 kW。

2 90 kW燃气发电机性能测试平台

为测试该燃气发电机在变化负荷下的性能表现，搭建了燃气发电机性能测试平台，见图2。

图2 燃气发电机性能测试平台

天然气经电磁阀V1和燃气流量计F21进入燃气发电机燃烧发电后排出。发电机的出口缸套水经过缸套水热交换器、流量计F1、水泵P3冷却后，返回燃气发电机。中冷水先后经过流量计F2、中冷水热交换器、水泵P4冷却后返回燃气发电机。中冷水和缸套水的冷却通过冷塔的冷却水换热实现。在发电机输出端，接入可调节负载功率的负载箱。采用电压电流频率综合试验测试台测量电流、电压、频率和电功率，记录燃气发电机在不同负载下的燃气流量。性能测试的基础条件为，燃气发电机转速1 500 r/min，环境温度约25℃，大气压力101.3 kPa，天然气进口压力1.5 kPa，天然气进气温度18℃，缸套水循环体积流量10.8 m3/h，中冷水循环体积流量3 m3/h。基于表1所示天然气组成数据，可知标准状态下天然气低位发热量为33.41 MJ/m3。

表1 天然气组成 %

天然气总输入热流量 ϕ为［14］：

式中，ϕ为总输入热流量，kW；qV为标准状态下天然气体积流量，m3/h；Q为标准状态下天然气低位热值，MJ/m3。

发电效率ηe为输出功率Pe与天然气总输入热流量的比值：

3 烟气脱硝测试流程

烟气SCR脱硝选用尿素作为脱硝还原剂，其测试流程示意见图3。

图3 烟气SCR脱硝流程示图

SCR反应器内催化剂为比表面积较大的蜂窝式高温铁基分子筛催化剂，反应器运行温度为450～550℃。尿素溶液和压缩空气混合后经喷射器喷入高温烟道中，首先分解产生NH3，在催化剂作用下，NH3选择性地与烟气中的NOx反应生成N2和H2O后排至大气中。烟气脱硝主要反应式如下［15］：

4 90 kW燃气发电机性能测试结果与分析

4.1 性能测试结果

4.1.1 输出功率和发电效率

在负荷率 x 分别为 34%、54%、61%、68%、90%和98%工况下，燃气发电机的输出功率Pe和发电效率ηe变化曲线见图4。

图4 不同负荷下燃气发电机输出功率和发电效率变化曲线

由图4看出，在5种不同负荷下，燃气发电机的输出功率随负荷率变化趋势一致。随着负荷率从34%提高到98%，燃气发电机的发电效率从26.32%逐步升高到36.12%，较常规同规模燃气发电机发电效率增加约3个百分点（常规100 kW燃气发电机发电效率约为33%）。该研究结果表明，采用中冷水冷式换热可减少常规空气换热鼓风机的耗电量，提高换热效率，提升发动机充气效率。在接近100%负荷率下，燃气发电机输出功率为88.8 kW。此外，燃气发电机的发电效率和负荷率呈现出较好的二次多项式关系 （拟合优度R2=0.996），拟合方程为：

4.1.2 电压和电流频率

为考察燃气发电机输出的交流稳态电压与频率特性，分别记录测试过程中电压和电流频率，采样时间间隔为1 min，统计得到的电压和电流频率波动情况分别见图5和图6。由图5和图6可知，燃气发电机的电压值在397～397.5 V变化，电流频率值在50.03～50.07 Hz变化。与设计工况下额定电压400 V和电流频率50 Hz相比较，测试电压变化最高幅度为0.75%，电流频率变化最高幅度为0.14%，均符合供电质量标准。

图5 燃气发电机性能测试过程中电压变化情况

图6 燃气发电机性能测试过程中电流频率变化情况

4.2 NOx排放量

经过测定，当未启动脱硝系统时，燃气发电机输出功率为90 kW，监测到的排烟温度为550℃，NOx质量浓度为791.6 mg/m3（标准状态），含氧量为6.21%。经换算，在5%含氧量下NOx排放值为856.3 mg/m3（标准状态）。当启动脱硝装置后，SCR反应器出口烟气中NOx质量浓度随时间变化曲线见图7。

图7 5%含氧量时SCR反应器出口烟气中NOx质量浓度随时间变化曲线

由图7可以知道，NOx排放质量浓度稳定在41 mg/m3（标准状态），脱硝效率超过95%，满足相关排放标准。

5 结语

研究了国产某适合于小型燃气冷热电分布式能源系统的90 kW燃气发电机的发电性能。研究结果表明，采用水空中冷冷却方式，发电机发电效率可达到36.12%，较常规同规模发电机发电效率增加约3个百分点，得到了发电效率与负荷率的拟合方程，发电机输出的额定电压和电流频率满足供电质量标准。经过SCR脱硝之后，烟气中NOx排放质量浓度稳定在41 mg/m3（标准状态），脱硝效率超过95%。