G3520 C瓦斯内燃发电机组的应用

G3520 C瓦斯内燃发电机组的应用程宏斌【摘要】介绍了G3520 C瓦斯内燃发电机组的工作原理、结构特点和各组成系统的特征,在晋城矿区的应用,取得了较好的经济和社会效益,但同时也要求应用电厂具有合适的配套设备和优化的系统集成,因此,对应用条件要求较严格.【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】4页(P40-43)【关键词】煤矿;瓦斯;内燃发电机;应用【作者】程宏斌【作者单位】山西金驹煤电化股份有限公司,山西,晋城,048006【正文语种】中文【中图分类】TD712.67煤层气俗称瓦斯，是储存在煤层中的气体，主要成分是甲烷，是一种清洁高效的能源。

瓦斯的存在对我国煤矿开采一直是重大的安全隐患，“先抽后采”是煤矿安全运行的保证。

此外，未经处理或回收的瓦斯直接排放到大气中会造成温室效应，破坏臭氧层。

因此，若将排放的瓦斯收集起来，利用瓦斯内燃机发电机组发电，替代燃煤锅炉，可节约大量燃煤，改善煤矿安全生产条件，提高煤矿形象。

1 瓦斯内燃发电机组工作原理瓦斯内燃发电机组的工作原理见图1，瓦斯发电的工艺流程见图2。

经过滤清器过滤的瓦斯调压后与清洁空气在混合器内混合，之后进入涡轮增压器，再流入节流阀。

由于增压后混合气温度上升，穿过节流阀的混合气先经后冷器冷却，再经进气岐管进入气缸。

瓦斯进入内燃机燃烧做功，驱动发电机发电，生产的电能通过电网供用户使用。

同时缸体、润滑油由内部循环冷却液冷却，被加热的内部冷却液与外部热力系统通过介质换热。

2 瓦斯内燃发电机组特点G3520 C瓦斯内燃发电机组是美国卡特彼勒公司推出的一种经过实践检验的设备，成套模块化的热电联产机组使系统效率优化、设计安装简单、运行管理自动化。

与其他原动机相比，G3520 C瓦斯内燃发电机组具有发电效率和综合效率高、启动时间短、瓦斯供气压力低、污染物排放低、机组过负荷性能好等优点，该机将先进的电子控制技术与发动机技术结合在一起，是高效率、低排放的动力产品之一。

图1 燃气内燃机热电机组的工作原理图2 瓦斯发电工艺流程G3520 C瓦斯内燃发电机组的主要结构部件，采用了柴油机的设计结构，由于燃气热值比柴油低，所以G3520 C燃气发动机拥有更好的结构强度和更长的使用寿命。

深层淬火的锻钢曲轴和连杆，铅—锡—铝外层的钢基轴承，深坑式油槽冷却铝活塞，全长水冷的铸铁缸套以及高能量的点火系统，为G3520 C燃气发动机性能的发挥提供了强有力的保证。

G3520 C燃气发电机组的发动机和发电机在出厂前就已装配到公用的一套钢轨结构上，便于现场安装。

钢轨与基础通过弹簧减震器连接，以减少机械的震动。

G3520 C瓦斯内燃发电机组将微处理技术与先进的发动机设计结合在一起，实现了从空载到满载的完全电控。

G3520 C燃气发动机控制系统能分析运行状况并得出结论，而且主动采取正确的行动并作出反应。

连续满负荷高速运行、空燃比控制、电子点火系统、对爆燃的敏感准时调整以及速度控制，均由电子控制模块来完成，G3520 C燃气发动机的全电子控制，使得G3520 C瓦斯内燃发电机组能在CH4浓度为25%的情况下启动，并满负荷长期运行。

G3520 C瓦斯内燃发电机组主要结构为四冲程、稀薄燃烧、开放式燃烧室、火花点火、湿式缸套、活塞、涡轮增压后冷却器。

使用低压燃气系统，燃气供气压力范围在8.5～34.5 kPa。

发动机微处理控制模块(ECM)对其实行全面控制。

G3520 C瓦斯内燃发电机组具有保养周期和大修周期长的显著特点，工作4.5～6万h进行中修，工作10～12万h进行一次大修。

3 发电机组结构及技术参数G3520 C瓦斯内燃发电机组结构见图3，技术参数见表1。

表1 卡特彼勒G3520C瓦斯内燃发电机组技术参数参数参数值备注气缸数/个20V型，60°排列缸径/mm170冲程/mm190排量/L86压缩比11 3：1进气方式SCAC增压后冷式旋向从飞轮端看逆时针燃料系统带空燃比控制的低压燃气系统点火系统电控点火外型尺寸/mm6400×1900×2500运输重量/kg250004 发电机组系统特征4.1 燃烧及燃气系统G3520 C瓦斯内燃发电机组的电子点火系统和爆燃探测调整装置采用基于微处理器的电子模块控制以及稀薄燃烧技术，减少了排放，降低了燃烧室温度，延长了气缸盖和气门组件的寿命。

发动机燃烧室采用直接喷射、开放式燃烧结构。

预燃室的检测阀和预燃室无需更换，保养费用低。

此外，发动机在每一缸进气岐管的燃气进口处都装有火焰灭除装置，防止发动机回火。

当气体燃料发动机点火系统故障和发动机停机时都可能回火，火焰灭除装置可以在火焰点燃进气主管内的燃气之前熄灭火焰。

1—机油加油口；2—发动机控制模块；3—吊环；4—水套出水口；5—后冷器；6—燃料进口；7—燃料计量阀；8—ProAct节气阀(油门)；9—后冷却器排放口；10—空气进气口；11—排气管；12—机油排放口；13—水套进水口；14—机油滤清器图3 卡特彼勒G3520 C瓦斯内燃发电机组结构4.2 冷却系统G3520 C燃气发动机使用两路封闭式冷却循环系统，一路是缸套水冷却系统；另一路是后冷却器系统。

缸套水主要冷却发动机的受热部件，后冷却系统主要冷却增压后的混合气。

在环境温度低时，为使发动机易于启动，机组配置了温度控制的缸套水加热器及电动循环泵。

加热器只是在低温条件下对启动前的发动机进行加热。

4.3 润滑系统G3520 C燃气发动机的机油泵主要由油泵、齿轮组和减压阀构成，由发动机前齿轮室齿轮传动，发动机驱动的机油泵通过吸油盘和弯管从油底壳吸取机油。

为提高机组的启动性能，机组配备了预润滑油泵及自动机油补给开关。

润滑油耗量0.26 g/(kW·h)。

4.4 启动系统G3520 C燃气发动机的起动系统使用24 V直流电源，供起动系统和发动机点火系统共用。

直流电源的起动方式方便，维护简单，噪声低。

4.5 电子点火系统电子点火系统对发动机的火花塞点火，并精确控制点火正时。

4.6 排气系统烟气通过排气歧管进入涡轮增压器的涡轮壳体，驱动叶轮旋转。

压缩机叶轮的高速旋转，吸入空气，并与燃气混合，经高速旋转的叶轮做功后，混合气压力和温度升高进入冷却器冷却。

G3520 C燃气发动机排烟温度504 ℃，排烟流量4.50m3/(kW·h)，NOx排放量500 mg/m3，排气背压不大于5 kPa。

4.7 电子控制系统(ECM)G3520 C燃气发动机有三个电子控制模块(ECM)，一个主ECM，一个副ECM和一个辅助ECM，主ECM控制发动机大多数的运行状态，并为发动机左侧点火提供正时和电压。

副ECM给发动机的右侧点火，并提供正时和电压。

辅助ECM主要是为了提高机组的动态响应性能，电子控制模块(ECM)的主要功能如下：(1)发动机转速控制；(2)点火控制；(3)空燃比控制；(4)起动/停机过程控制；(5)发动机监测和保护功能；(6)卡特彼勒Data Link数据格式接口；(7)集成化的温度检测模块(ITSM)监控发动机的排气温度。

5 G3520 C瓦斯内燃发电机组对瓦斯的要求发电机组对瓦斯的要求见表2。

表2 要求瓦斯中各组分含量技术参数推荐的使用限度H2S/mg·MJ-1≤57Cl/mg·MJ-1≤19NH3/mg·MJ-1≤2 81油分/mg·MJ-1≤1 19杂质/mg·MJ-1≤0 8Si/mg·MJ-1≤0 56温度/℃10～60压力范围/kPa8～12压力波动/kPa±1 7湿度(10℃)/%≤80低热值(CH4浓度25%)/MJ·m-3≥9 006 瓦斯内燃发电机组在晋城矿区的应用目前，晋城煤业集团已经在3个电厂安装了91台G3520 C燃气发动机组，总容量164 MW，为世界最大的瓦斯发电机组群。

在产生电力的同时，利用余热向矿区输送热能，用于采暖和洗澡热水。

电厂年消耗低浓度瓦斯折纯3亿m3，年运行时间达到7 500 h以上，供热面积70余万m2。

电厂使用的瓦斯由煤矿井下供给。

来自矿井井下抽放的瓦斯汇集到地面，进入电厂气体预处理系统，经过储存、脱水、除尘、增压、降温等处理措施后，输送到瓦斯发电机组。

发电机组采用单元布置，根据场地条件和电厂容量，每个单元布置有10～15台G3520 C型燃气内燃发电机组，每台机组功率为1 800 kW，简单循环发电效率约40%。

在内燃机拖动发电机发电的同时，将发动机排放的高温烟气收集，通过余热蒸汽锅炉实现了高温烟气热量的回收。

余热蒸汽锅炉产生的蒸汽可以带动汽轮发电机组发电，也可以进入换热站用于供热，实现了燃气与蒸汽联合循环发电。

机组的缸套冷却水经热交换器交换后，用于矿区集中供热，实现了联合循环生产和资源的综合利用。

电厂采用DCS和综合自动化技术实现了集中监测和控制，整个工艺流程中所有的图像和运行中的参数在集中控制中心进行汇总、储存和处理，实现了高度的自动化。

采用瓦斯发电，每年减少甲烷排放3亿m3(相当于CDM项目减排CO2额度约450万t)，与同规模的燃煤电厂相比，每年减少原煤的使用量约50万t，减少了大量二氧化硫、粉尘和废渣排放，对保障矿井安全生产、节能减排，实施低碳经济具有显著的示范作用，取得了巨大的社会效益和一定的经济效益。

7 应注意的问题G3520 C瓦斯内燃发电机组在技术上是成熟的，但在我国其他地方目前应用还较少。

要在国内推广应用，应解决好以下两个方面的问题。

7.1 系统集成G3520 C瓦斯内燃发电机组，要求具有合适的配套设备和优化的系统集成，特别是在瓦斯气体预处理方面，要给予足够重视，否则难以保证长时间稳定运行。

此外机组运行中的一个主要问题就是生产出的热能用不完，机组的全效率低，导致运行费用偏高，发挥不出热电机组的优势。

建议设计之初，要充分了解电能和热能用户的性质和使用特点，详细收集基础资料，精确计算电负荷和热负荷以及各负荷的日变化和年变化曲线，进行技术经济比较。

为解决好负荷峰谷问题，设备容量和数量要灵活，以适应负荷的变化。

7.2 设备G3520 C瓦斯内燃发电机组不能长期在低于30%的额定负载下运行。

因为在低负荷下长期运行，机油的消耗量将明显增加，并且在气缸中也容易形成积炭，从而导致爆燃的间隔变小、功率损失、性能变坏以及零部件磨损加速等不良情况的发生。

此外，当环境温度升高时(大于40 ℃，不超过60 ℃时)，为防止爆震，机组需要依现场情况和卡特彼勒工厂提供的修正参数，对发电机组的输出功率进行降低额定功率修正后运行。

8 结束语甲烷对环境的破坏作用是二氧化碳的21倍，因此甲烷的减排对减少温室效应发挥着重要作用。