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通过稀薄燃烧技术看:卡特彼勒燃气发电机组

考虑到全球气候状况,市场上一直对各种设备和设施的碳排放保持着高度的关注,各国政府也颁布了严格的排放法规。这些都敦促着发动机行业一直用心钻研如何通过技术来使设备的排放表现更优,其中相关技术之一就是稀薄燃烧技术。用于发电的稀薄燃烧发动机可以被视为适应新时代更严格的环境法规的及时解决方案,同时可降低燃气能源消耗,以及减少二氧化碳和氮氧化物的排放。

其实稀薄燃烧技术并不是一个新的概念,再次提起,主要是希望可以帮助大家从原理上了解动力设备为节省能源和降低排放所作的一些工作。多年来,稀薄燃烧燃气发动机的应用已被充分证明可以满足应用于发电领域的往复式发动机日益严格的标准的需求,例如燃气效率、排放性能、大气法规、可靠性、耐用性和功率密度。

燃烧方式对比:稀薄燃烧 与 富氧燃烧

富氧燃烧发动机的特点是燃烧过程中燃烧室内的燃料较多(排气中的氧气通常在 0.5%-0.6% 范围内),而稀薄燃燃发动机的特点是燃烧室中的空气较多(排气中的氧气通常 > 6%)。与以平衡化学当量比(以空燃比或 Lambda 为单位)运行的富氧燃烧发动机相比,稀薄燃烧燃气发动机可以在更大的负载下运行,提供更低的排放、更清洁、更稳定的电力,更高的电效率以及更高的综合效率。

稀薄燃烧和富氧燃烧的特点

稀薄燃烧

更低排气温度、更低氮氧化物和一氧化碳排放、更高的功率密度、更好的燃气效率、

富氧燃烧

较高的排气温度、较高的氮氧化物排放(由于较高的排气温度)、较高的燃料消耗、较低的功率密度

图:上图显示了空燃比变化对排气温度,NOx 排放等的影响

图:上图显示了空燃比变化对排气温度,NOx 排放等的影响

稀薄燃烧发动机在一定量的空气中使用更少的燃料——通常所需空气是完全燃料燃烧所需量的两倍——这使得它们在燃气消耗和释放更少的温室气体方面更具成本效益。较多的空气有效地稀释并降低了气缸内的峰值燃烧温度,减少了 NOx 的产生并降低了发动机的排放,并且在许多应用中无需后处理系统。这种稀薄燃烧的过程具有降低爆震概率产生的优势,允许更高的平均制动有效压力(BMEP)水平(负载)和优化燃烧。从而产生更高的功率密度并且通常产生更好的燃气效率。

图:富氧燃烧燃烧空气 / 空燃比与稀薄燃烧燃烧空气 / 空燃比

图:富氧燃烧燃烧空气 / 空燃比与稀薄燃烧燃烧空气 / 空燃比

除了先进的发动机技术外,使用高效的空气燃气管理系统有助于稀薄燃气发动机满足政府制定的排放法规。这种空气燃气管理系统不仅有助于控制排放水平,还有助于控制典型的富氧燃烧系统所需要的昂贵的后处理配置和成本,该系统使用三元氧化催化剂来减少由于较高的气缸温度而产生的 NOx,并且可以满足持续、经济和可靠的电力需求。

使用基于微处理器的现代技术控制发动机,例如管理基于微处理器的节气门和空燃比控制的电子控制模块 (ECM),将预混合的空气和燃气导入发动机气缸和点火,通过 NOx、温度和压力传感器为 ECM 提供持续的反馈,使稀薄燃烧发动机气体管理系统比以往任何时候都更加可靠。借助空气燃气混合器系统,基于备用和快速响应应用的稀薄燃烧发动机可以实现 100% 加载,同时满足 NFPA 要求。

图:稀薄燃烧技术用于Cat®(卡特) 350-500 ekW CG18 天然气发电机组

图:稀薄燃烧技术用于Cat®(卡特) 350-500 ekW CG18 天然气发电机组

区域方案和可持续性

严格的排放法规和不断增长的市电成本,对燃气发动机发电的需求以稳定的速度增长(需考虑不同地区燃气价格因素带来的影响)。易受飓风影响的地区、水和废水处理应用以及海岸线项目导致的柴油污染风险,使得燃气发动机 / 发电机组的应用比以往更加重要,并成为一些用户、承包商和工程师的理想选择。

来源:CAT卡特电力服务中心

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