天然气负荷的分布特点是冬季大、夏季小，电力 负荷分布恰好与之相反，因此二者能形成很好的互 补。小型天然气发电机组的投入使用，既平抑了用 气的季节性峰谷差，又缓解了夏季用电高峰，可满足 用户在电力紧张期对空调、照明等生活用电的需求， 有利于电 与 气 的 均 衡 发 展［2］。 本 文 将 小 型 汽 油 发

  天然气发电机组的供气系统是改装的关键部 分，考虑成本、技术可靠性以及机组特性，供气采用 机外预混合方式。这种混合方式是在供气系统的混 合器中，将天然气按特殊的比例与空气混合，由内燃机 吸入气缸，利用火花塞点火。考虑到发电机组额定

  稳定运行，甚至损坏设备。因此，内燃机必须在一定 负载下具有稳定的转速［4］。

  δn ———怠速工况下转速波动率 nmax ———怠速工况下最大转速，min － 1 nmin———怠速工况下最小转速，min － 1 n———怠速工况下平均转速，min － 1

  由图 4 可知，随着发电功率的增大，天然气、汽 油发电机组的发电效率呈上涨的趋势，天然气发电机 组的发电效率高于汽油发电机组。当发电功率小于 1 000 W 时，两种发电机组的发电效率增速明显。

  改装对象为 168F － Ⅱ四冲程风冷汽油发电机 组，主 要 性 能 参 数： 排 气 量 为 196 mL，压 缩 比 为 8． 5∶ 1，额定发电功率为 2 000 W，标定转速为 3 000 min － 1 ，频率为 50 Hz，外观尺寸为 585 mm × 470 mm × 460 mm，安装自动电压调节器（ AVＲ） 。改装后的 天然气发电机组工作流程及试验装置见图 1。天然 气经过燃气滤清器过滤和燃气表计量后，由功率阀 根据发电机组发电功率调节进入内燃机的天然气 量，发电功率通过改变外接负载的电阻值来控制。 天然气进气压力由 U 形测压计测量，烟气温度和组 成分别由热电偶和烟气分析仪测量，内燃机转速由 转速表测量，发电功率由电功率表测量。汽油发电 机组的试验装置配备与天然气发电机组类似。

  φO2 、φCO2 ———烟气中 O2 、CO2 的体积分数 采用式（ 2） 计算得到的过剩空气系数与分别计

  量燃料及空气进气量计算得到的过剩空气系数相 比，相对误差在 ± 2% 以内［6］，因此认为式（ 2） 的计

  关键词： 汽油发电机组; 天然气发电机组; 转速稳定性; 发电特性; 发电效率; 污染 物排放; 噪声; 经济性

  作者简介： 张胜杰（ 1985 － ） ，男，山东菏泽人，硕士生， 研究方向为燃气工程理论及应用。

  天然气为气体燃料，密度小，与汽油相比，具有 充气系数低的特性，但是天然气理论空燃比较小，在 正常工作状态下的过剩空气系数并不比燃烧汽油时 小。由图 5 可知，当发电功率大于 1 kW 时，天然气 发电机组的过剩空气系数在 1． 2 左右，此时天然气 内燃机转速较低，可燃混合物在气缸内停滞时间较 长，且缸内温度比较高，燃料燃烧比较充分，发电效率 也较高。 3． 2 污染物排放量

  用潜力及燃料成本两个方面。余热利用主要涉及缸 套冷却水、烟气余热，我们主要测量了烟气温度。对 于两种发电机组，烟气温度随发电功率的变化见图 10。由图 10 可知，当发电功率大于 0． 5 kW 后，天然 气发电机组的烟气温度高于汽油发电机组，可利用 价值更高。

  小型天然气发电机组的专门标准，考虑到天然气与 沼气 在 物 化 性 质 方 面 的 关 系，借 鉴 NY / T 1223— 2006《沼气发电机组》中有关法律法规，对该天然气发电 机组的发电特性来测试与评价。

  目前市场上的燃气内燃机价格普遍较高，与此 同时汽油 内 燃 机 的 改 装 技 术 已 经 相 当 成 熟［3］。 从 技术经济性出发，将汽油发电机组改装成天然气发 电机组，可降低燃气发电系统的整体造价。

  发电效率与设备、燃料种类及空燃比等因素有 关［5］，空燃比为可燃混合气中空气质量与燃料质量

  污染物排放量是评价内燃机性能的一项重要指 标。汽油发电机组、天然气发电机组分别采取了化油 器、功率阀调节汽油、天然气耗量，来保证发电机组 的正常运行。发电机组正常运行工况下，汽油、天然 气内燃机烟气中主要污染物（ NOx、CO） 的体积分数 （ 均折算成过剩空气系数为 1 时的体积分数） 随发 电功率的变化分别见图 6、7。

  天然气价格具有区域性，全国气价还未统一，取 天然气价格为 3 元 /m3。考虑到我国汽油价格具有 波动性，取汽油价格为 8 元 / L。不同发电功率下两 种发电机组的燃料成本差额见表 2。由于发电功率 小于 1 kW 时两种发电机组的发电效率过低，经济 性较差，因此比较发电功率不小于 1 kW 时的燃 料成本差额。由表 2 可知，天然气发电机组的燃料 成本具有很大的优势。

  稳定。经测试，分别燃用汽油、天然气怠速运行时， 内燃机的转速波动均在 ± 50 min － 1 以内，具有很好

  性，在不同 发 电 功 率 下 对 内 燃 机 的 转 速 进 行 测 试。

  由图 6、7 可知，相同发电功率下天然气发电机 组烟气中 NOx、CO 的体积分数均低于汽油发电机 组，特别是 CO 的体积分数。根本原因为： 天然气发 电机组利用功率阀，较好地控制了可燃混合物浓度，

  正常工况下过剩空气系数较高，烟气中 NOx、CO 的 体积分数较低。由于甲烷分子只含有一个碳原子， 加 之 气 体 燃 料 容 易 与 空 气 混 合，有 利 于 完 全 燃 烧［7］，使得烟气中 CO 的体积分数远低于汽油发电 机组。

  发电机组噪声的组成很复杂，可分为排气噪 声、机械噪声、燃烧噪声、风扇噪声、进风噪声、发电 机噪声等。以噪声计作为噪声计量装置，采用 GB / T 2820． 10—2002《往复式内燃机驱动的交流发电机 组第 10 部分： 噪声的测量（ 包面法） 》中的测量方法 测量噪声。噪声测点布置见图 8。图中蓝色六面体 代表发电机组，黑色六面体除底面外其他表面代表 测量平面，蓝色六面体与黑色六面体两两对应面的 距离均为 1 m。噪声测点 1 ～ 4、9 分别位于所在测 量平面的中心位置。对于汽油、天然气发电机组，各 测点的噪声平均值随发电功率的变化见图 9。由图 9 可知，发电机组噪声随着发电功率的增大而增加。 相同发电功率下，天然气发电机组声噪声比汽油发 电机组大 2 dB 左右。由实测结果可知，测点 1 处的 噪声最大，根本原因为测点 1 靠近排气管，且排气噪 声是一种高温、高速的脉动性气流噪声，在发电机组 噪声中能量最大。

  试验中，空载频率为额定频率，空载电压为额定 电压。负载由空载至 25% 、50% 、75% 、100% 逐渐 加载，再将负载按此等级逐级减至空载。电压稳态 调整率 ΔU、频率稳态调整率 δf 、电压波动率 ΔUVB、 频率波动率 δfB 的计算方式参照 NY / T 1223—2006 的相关规定。根据试验数据得到的 ΔU、δf 、ΔUVB、 δfB 计 算 结 果 见 表 1。由 表 1 可 知，计 算 结 果 符 合 NY / T 1223—2006 第 5． 7． 1 条（ 电压稳态调整率不 大于 ± 5% ） 、第 5． 7． 2． 2 款（ 汽油机改装的沼气发 电机组频率稳态调整率不大于 ± 6% ） 、第 5． 8． 1 条 （ 电压波动率不大于 2% ） 、第 5． 8． 2． 2 款（ 汽油机改 装的沼气发电机组频率波动率不大于 2． 5% ） 的规 定。

  摘 要： 将 1 台额定发电功率为 2 kW 的汽油发电机组改装成天然气发电机组。采用试验 方法，对两种发电机组的转速稳定性、发电特性来测试，比较两者的发电效率、污染物排放量、噪 声、经济性。两种发电机组的转速稳定性、发电特性均满足规定的要求。天然气发电机组的发电效率高于 汽油发电机组，在污染物排放量、经济性方面优于汽油发电机组，但噪声略高。

  呈下降趋势。发电功率一定时，内燃机转速波动均 较小（ 在 80 min － 1 以内） 。相同发电功率下，燃用天 然气时内燃机的转速比燃用汽油时低 50 min － 1 左

  得出不同 发 电 功 率 下 的 发 电 效 率、过 剩 空 气 系 数

  当发电功率为 1 000 ～ 1 750 W 时，两种发电机组的 发电效率增速变缓，在 1 750 W 左右达到最大值。 当发电功率大于 1 750 W 时，两种发电机组的发电 效率均略有下降。