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基于燃气内燃机的微型热电联产系统的性能研究

作　者: 张胜杰
导　师: 彭世尼
学　校: 重庆大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 备用电源热电联产发动机改装尾气排放热效率
分类号: TM611.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在农村及偏远边疆部分地区，供配电网络欠发达，停电概率较高，同时城市在电力负荷高峰期也会出现拉闸限电问题，小型汽油/柴油发电机组得到了广泛应用，但是此类机组发电效率低，污染物排放较高。在国家鼓励燃气事业发展的背景下，天然气作为常规能源其应用正向县镇域发展，农村沼气事业发展势头良好。为节约能源、保护环境，开展可作为备用电源的基于燃气内燃机的微型热电联产系统的研究，为其推广应用提供相关理论支撑和可以借鉴技术经验，具有重要的理论意义和实际价值。本文主要开展了以下研究工作并得出了结论：①进行汽油发动机改装为燃用天然气的基本理论分析：分析影响发动机动力性能的因素，并对恢复发动机动力性能提出具体的技术措施。②完成了对汽油发电机组的改装：结合现有的油改气的理论技术方法，在保持原有供油系统的基础上，增加供气系统，将机组改装为两用燃料热电联产系统；针对天然气的燃烧特点，采取调整点火提前角和使用天然气发动机专用润滑油等措施，恢复改装天然气发动机的动力性能。③完成换热水箱的设计和加工：按照容积式热水器设计的相关要求进行换热水箱的设计；对换热水箱的换热效果进行设计计算使其达到预期目标；使加工的余热回收系统具有储水、换热、消声和减振等多方面功能。④建立的实验台架，对系统的发电特性、尾气排放量、系统噪声及余热回收能力等进行测试，得出的主要结论为：1）实验系统发动机转速稳定，发电特性的各参数值均在规范要求范围内波动，系统发电性能稳定，但是相同转速下的发电功率比汽油发电机组略小。2）实验系统排放尾气中NOx浓度随着输出电功率的增大而增大，而CO的浓度却呈现波动的特征。燃烧过程中过剩空气系数较高，NOx和CO的排放量相对较低，尤其是CO的含量远远低于汽油发电机组的排放量。3）实验系统总热效率比单纯用于发电时的效率大大提高，由改装前的不足20%提高到接近50%，并且相同输出电功率情况下，余热回收热效率均大于发电效率。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-19
  1.1 课题背景  9-14
    1.1.1 能源结构不合理，环境问题愈发突出  9-11
    1.1.2 电网存在的现实性问题  11-12
    1.1.3 我国燃气的大发展  12-13
    1.1.4 燃气发电的前景  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-17
    1.2.1 国外研究现状  15-16
    1.2.2 国内研究现状  16-17
  1.3 研究的意义、内容及技术路线  17-19
    1.3.1 课题学术和实用意义  17
    1.3.2 课题研究内容及方法  17-19
2 发动机燃料及改装的基本理论分析  19-29
  2.1 发动机燃料  19-21
    2.1.1 汽油性质及其选择  19-20
    2.1.2 汽油的代用燃料—天然气、沼气  20-21
  2.2 发动机改装的理论分析  21-25
    2.2.1 发动机的动力性能指标  22
    2.2.2 影响天然气发动机动力性能的因素  22-25
  2.3 恢复发动机动力性能的技术措施  25-29
    2.3.1 提高压缩比  25-26
    2.3.2 提高点火能量并适当增大火花塞间隙  26
    2.3.3 供气系统进行优化匹配  26-27
    2.3.4 使用天然气专用润滑油  27-29
3 天然气发电机组的改装设计  29-41
  3.1 发电机组的选择及工作基本原理  29-30
    3.1.1 发电机组的选择  29-30
    3.1.2 发电机组工作基本原理  30
  3.2 供气系统  30-36
    3.2.1 改装为两用燃料发动机  31-32
    3.2.2 空燃比的控制  32-34
    3.2.3 混合器的选择  34-36
  3.3 点火提前角及点火装置  36-38
    3.3.1 点火提前角的调整  36
    3.3.2 点火装置的选择  36-38
  3.4 冷却及润滑部分  38-41
    3.4.1 强制风冷式冷却  38
    3.4.2 选用燃气发动机专用润滑油  38-41
4 余热回收系统的设计  41-57
  4.1 发动机热量平衡  41
  4.2 换热水箱设计要点  41-46
    4.2.1 换热器的设计原则  42
    4.2.2 换热器形式的选择  42-43
    4.2.3 消音减振考虑  43-45
    4.2.4 换热水箱材料的选择  45-46
  4.3 消声性能设计计算  46-48
    4.3.1 消声结构有效容确定  46-47
    4.3.2 消声腔数确定  47-48
  4.4 换热效果的计算  48-57
    4.4.1 排气烟道具体尺寸的确定  48-50
    4.4.2 换热性能设计计算  50-57
5 微型热电联产系统的实验结果及分析  57-75
  5.1 微型热电联产系统实验台架的建立  57-61
    5.1.1 发动机性能的测试  57-59
    5.1.2 发电性能测试  59-60
    5.1.3 余热回收系统的性能测试  60-61
    5.1.4 噪音量的测量  61
  5.2 转速稳定性研究  61-63
  5.3 发电特性的分析  63-65
    5.3.1 发电特性实验方法  63-64
    5.3.2 发电特性实验结果分析  64-65
  5.4 污染物排放量的分析  65-67
    5.4.1 污染物的生成机理  65-66
    5.4.2 CO 和 NOx排放量的分析  66-67
  5.5 噪音量的比较分析  67-68
  5.6 系统总的热平衡分析  68-75
    5.6.1 发电效率分析  68-70
    5.6.2 余热回收效果分析  70-72
    5.6.3 热平衡及系统经济性分析  72-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 展望  76-77
致谢  77-79
参考文献  79-83
附录  83-86
  A. 换热水箱设计图  83-85
  B. 燃气成分  85-86
  C. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  86

基于燃气内燃机的微型热电联产系统的性能研究

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