沼气发电机功率异常原因分析及处理

沼气发电机功率异常原因分析及处理

陆立明

江门云天电力设计咨询有限公司

概述：本文分析了沼气发电在能源和环境保护方面的作用，列举了功率异常的情况，并分析了造成这些异常的原因以及处理方法，为确保沼气发电机的可靠运行提供了参考。

关键词：沼气发电机、功率异常、逆功率

能源和环境问题已成为国际性热点问题，引起人们的广泛关注。开发新能源，降低原油、天然气和煤炭这三种常规能源的消耗量，已经成为人类发展中的紧迫课题。沼气，是各种有机物质，在隔绝空气并必适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。沼气发电始于20世纪70年代初期，为了合理、高效地利用在治理有机废弃污染物中产生的沼气，普遍使用往复式沼气发电机组进行沼气发电。使用的沼气发电机大都是属于火花点火式气体燃料发电机组，并对发电机组产生的排气余热和冷却水余热加以充分利用，可使发电工程的综合热效率高达80%以上。我国利用沼气，特别是沼气发电有十分重要的意义:一、是一种相对清洁的能源，用沼气代替矿物燃料是减少CO2排放的理想方式;二、是沼气资源分布广泛，到处可以获得，是能源分散供给体系的一种极佳能源。

某生物能源有限公司在有机废水污水处理厂投资建设了2台800KW的沼气发电机组，运行2年后出现功率调节异常、功率达不到设定值、逆功率、功率波动大等功率异常情况，影响了机组的正常运行。该项目的沼气发电机采用内燃机，通过气缸内气体燃烧产生的热量驱动曲轴运动，并通过同轴器带动发电机发电。沼气内燃属于稀薄气体燃烧，是一个精密的机电配合的机器，包括供气回路、机械控制回路、电气测量回路和电气控制回路等，任何一个环节工作不正常，都会引起功率的波动，为找出引起功率异常的原因，确保设备的正常运行，将从供气、机械和电气方面进行分析和检查，具体如下：

1. 供气回路

沼气是沼气发电机的燃料来源正常运行时必须连续稳定供应，如果供应的气体不稳定必然会造成发电功率的波动，如果波动值达到极限值甚至会出现逆功率的发生。供气回路包括进发电机集装箱前的外部供气回路和集装箱内机组的进气回路。外部回路包括沼气袋、稳压罐、输气管道、生物脱硫装置、预处理装置等，具体如下；

内部回路包括进气滤清器、空气混合器、涡轮增压器、中冷器和管道，其中涡轮增压器和管道出现故障的几率很低，应重点检查其余的三部分，虽然沼气经过预处理的过滤和生物脱硫已经去除了大量的杂质和硫化氢，但并不能完全处理干净，需要进气滤清器将杂质再次隔离，因此需要定期检查和更换滤清器避免杂质积聚太多影响气体输送。气体中的硫化氢会成为一种粉末形状存在，在空气混合器的间隙形成积聚导致混合器不能正常动作，同时也会和中冷器的铜片发生反应腐蚀散热片阻碍气体通过，出现这些异常时可观察到的现象是发动机节气阀开度到达最大值，然后控制屏报气体不足跳闸停机，此时只能停机清理空气混合器和更换中冷器。

2. 测控回路：

沼气发电机是一台测控精密的设备，通过检测气体浓度、流量和压力等参数，根据功率设定值控制混合器阀门和节流阀的开度，从而达到最佳的运行状态，同时检测发电机输出的电压、电流是否满足设定要求，通过发电机控制屏调压板的输出来调整发电机的输出功率，达到最佳匹配。

该项目是在污水处理厂内，环境空气含有一些腐蚀性的气体成分，容易对电路板和导线造成腐蚀。其中甲烷浓度是影响机组运行的最重要的参数，决定了空气混合器的开度从而正确调整进入燃烧室气体的配比，因此必须选取精度高运行稳定的甲烷浓度在线测试仪器，并要正确安装在管道的关键位置。本项目选用了进口探头，但整个传感器密闭没有做好，导致环境空气进入电路板，由于腐蚀原因造成测量回路短路使得输出为零，后来用绝缘蜡将电路板进行密闭解决了测量不准问题。

同时该产品的供应商在二次回路的施工中工艺不良，二次接线采用压接线耳进行连接，但压接工艺粗糙很多部分接触不良，发动机又是一个运转的设备震动较大，因此在运行过程中经常出现安全链告警跳闸，现场检查时基本都是由于接线松动造成，后来将所有线耳重新压接一次，才解决了跳闸问题，今后工程必须在出厂前做好接线检查，确保现场运行不受震动影响。

节流阀调节控制器控制混合后的气体进入燃烧室，其开度根据功率设定进行开合，由中央控制器发出调整命令通过电机的旋转带动阀门的开度，确保进入燃烧室的气量满足功率要求。该机型发生异常时在现场检查发现中央控制器的输出电流一直在上升，但节流阀并没有动作，看说明书该控制回路有自校准功能，尝试自校准后动作正常，但是过一段时间后故障重复出现，后来只能更换该节流阀。

3. 其它

火花塞是沼气发电机的重要元件和易耗件，性能的好坏会极大影响气体在缸内的燃烧，影响活塞的做功情况。该型号的沼气发电机火花塞有一体式和分体式两种形式，一体式价格是分体式价格的4倍，为节约成本该项目采用了分体式火花塞。在实际运行中发现，采用分体式火花塞运行500小时后功率的波动就变化很大，根据资料说明一体式可以运行4000小时以上，分体式可以运行2000小时左右。为找出该项目运行小时达不到标准时间的原因，采购了一体式火花塞进行对比，发现一体式火花塞采用环形6个叉指包围住放电间隙，采用环形设计使得点火能量均匀分布，同时某个叉指碳化后不影响点火。但是整个形状是由于是一体化不能拆开进行叉指的调整，当运行达到一定小时数后，叉指与放电间隙距离过长点火能量不足时只能更换整个火花塞。分体式火花塞的形状采用简单开放式结构，就是一个金属片和放电间隙，由于点火放电的原因会造成它们之间的距离会变长，该距离达到点火能量的临界状态时，就会出现有时能点火有时不能点火造成功率波动，此时调整该距离又能运行一段时间，因此出现功率波动时可以通过运行时间和火花塞的距离来判断和解决。

以上是笔者在沼气发电项目中碰到的功率异常时，进行的故障分析和故障处理方法，希望能给沼气发电运维的同行一些参考和启发，为新能源事业做点力所能及的贡献。