燃气机组空燃比优化研究

燃气机组空燃比优化研究

胡泽银

（杭州市环境集团有限公司310022）

摘要：与传统的汽油机相比，燃气机的最大优点就是低污染性，然而。作为我们公司现在使用的燃气发电机,由于天然气发动机在机械结构和空燃比控制策略等方面与汽油机或柴油机有较大差异，针对天然气发动机进行研究是非常有必要的。瞬态工况在发动机整个运行工况中占有很大比例，由于发动机工况变化快，很难对瞬态空燃比进行精确的控制，因此它是空燃比控制的核心与难点。而且填埋气体的特点就是浓度、温度、成分不稳定，这样就会导致进气不稳定，从而影响发电效率。

关键词：燃气机；热负荷预测；智能与优化控制

1引言

随着燃气发电产业的不断发展，用户对燃气发电机组的自动控制水平要求也越来越高，而国内的燃气发电机组自动控制系统都处在发展阶段，自动控制系统也不完善，基本都是根据单一条件的反馈来控制空燃比的，没有建立在机组运行时的综和参数之上，因此，今后燃气发电机组的智能化控制将是各燃气机企业竞争的重点。

2燃气机特点与供热对象分析

2.1燃气机特点与要求

通过燃烧天然气或人工煤气产生动力做功，可用于推动汽车及轮船行走和驱动发电机发电。其优点在于比柴油机或汽油机更加清洁、环保。可以取代柴油机和汽油机，现广泛应用于公共交通、油田发电等领域。

2.2发电原理

通过燃烧天然气或人工煤气产生动力做功，可用于推动汽车及轮船行走和驱动发电机发电。其优点在于比柴油机或汽油机更加清洁、环保。可以取代柴油机和汽油机，现广泛应用于公共交通、油田发电等领域。通过涡轮驱动的属于外燃机，而通过曲柄驱动的属于内燃机。

3控制方案与实施

3.1控制系统要求

3.1.1程序控制

在燃气机的开停炉过程中，如果操作不当，很易造成燃气机爆炸等事故。程序控制的目的，就是控制燃气机按照安全的程序进行开炉、停炉和正常运行。开炉、停炉程序的每一步都发布进行逻辑判断，根据条件是否满足，决定下一步操作，遇到异常情况时，应及时报警，并起动相应的联锁装置，以保证燃气机安全运行。

3.1.2安全控制

安全控制主要要求如下：

（1）高、低水位报警，超低水位报警，并关闭电磁阀，切断燃气气源，鼓风机30s后停机，引风仍运行。

（2）蒸汽压力高报警，蒸汽超高压报警，同时关闭电磁阀，切断燃气气源，收风仍运行。

（3）燃气高、低压报警，防止火焰脱火、回火。

（4）火焰熄火、脱火保护，关闭电磁阀。

（5）鼓、引风机工况（变频故障、接触器故障等）保护。

3.1.3智能与优化控制

燃气机智能与优化控制包括空气/燃气比优化调节和燃气负荷预测调节二方面。具体要求如下：

（1）空气/燃气比优化调节

燃气机中主要的热损失是炉体散热和排烟热损失，后者取决于排烟温度和空气系数。降低空气系数可降低排烟热损失。另一方面，空气系数增加有利于燃料的完全燃烧，不完全燃烧损失下降。总体来讲，燃烧热效率与空气系数的关系为非线性的关系，有一个最佳的空气系数，这时的燃气机热效率最高。空气系数的调节手段主要是鼓风量。测定烟气中的氧含量或二氧化碳会计师即可得知空气系数的大小。在调节过程需预先摸索出空气系数与热效率的关系曲线，即可确定最佳的空气系数。

（2）燃气负荷预测调节

该燃气机的蒸汽到用户之间，未设流量控制回路，原来靠蒸汽压力的高低人为调节供热量。影响供热量的因素很多，如水槽水量、环境温度、风力与风向、太阳照射强度（指云彩多少）、水槽温度与温度变化趋势、水槽导热性能等。由于各种因素的变化是随机的，而且影响有延迟效应。要求能根据不幸条件和历史数据，建立数学模型进行燃气负荷预测控制。

3.2控制系统

3.2.1上位计算机软件构成与功能

燃气优化计算机控制系统是由上位计算机（IPC）通过PC/PPI通信电缆与PLC进行通讯数据交换，将PLC从现场采集和各项系统运行参数的信号值实现上传至LPC进行处理和运算，通过IPC软件实现实时监视系统运行、人机交互和实时控制。上位机软件主要功能包括：

将从LPC采集传来的数据，通过组态软件制作控制系统各部分不同显示画面；（1）建立燃气机优化控制系统运行参数的报警和事件记录；（2）建立系统参数的趋势分析和历史数据曲线；（3）对系统运行过程中数据、状态等反映系统实时生产情况的参数建立数据报表；（4）利用WINDOWS的DDE通信协议，完成组态软件与VisualBasic或EXCEL等高级语言软件进行在线数据交换和链接，通过预测模型将采集到的天然气燃气机优化控制系统实时数据进行分析和处理，预测计算出最新控制参数的优化值，并可用人机交互的方式决定是否将数据下传至PLC进行指导控制。

3.2.2控制系统回路

控制系统主要控制回路有：

（1）燃气机热负荷调节

由于该燃气机主要供湿式储气罐供蒸汽，并兼顾办公室采暖。故采用根据环境温度及储气罐水槽湿度调节燃气量，以节省燃气。软件还有优化控制系数的设定，以提高控制系统的性能。

（2）燃气量控制

该系统燃气调节采用电动机执行机构闭环调节。为优化系统提高可靠性，燃气调节打破传统调节方式。传统方式是采集燃气量和需要的燃气量进行比较，经PID调节算法，PLC的D/A输出，经手操器到伺服放大器，带动电动机执行机构进行调节。现在的方法是将伺服放大器功能用PLC软件实现，由PLC直接驱动电动执行机构进行自动调节。手操器功能由人机界面实现。每一个阀位调节，能节省一个手操器、一个伺服放大器和一路D/A模块，提高了系统的可靠性。

（3）鼓风、引风调节

由于试验用燃气机是由燃煤燃气机改造而来的，燃气机烟气系统阻力比燃气机大，故仍然保留引风机。鼓风、引风机由变频调速器调节，以达到优化燃烧的目的。

3.2.3系统安全保障

为保障系统的正常、可靠地运行，该系统设置并显示了15种报警、停炉和安全联锁目的。

3.3燃气负荷预测数学模型

（1）模型的选择

操作条件的选择可采用试验法和模型法，对于燃气机的控制，因燃气机蒸汽输出参数相对于输入燃气参数的反应较慢，而储气罐水槽温度变化相对于燃气机输入参数的反应更要慢得多。在这种情况下，如果采用连续的实时控制，不仅需要增加有关设备，而且被调参数还可能会出现波动。如采用单纯的采样控制，周期也比较长。

（2）历史数据

要建立燃气机预测数学模型，必须有一定数量的历史数据。由于2t/h燃气机的历史数据缺少，只好采用4t/h燃气机的历史数据。

（3）数学模型的建立

影响燃气量的因素很多，根据传热学理论，湿式储气罐水槽温度和大气温度之差是储气罐散热的主要推动力，因此采用燃气量与湿式储气罐水槽温度和大气温度之差进行校正，以得到比较可靠的预测控制用数学模型。考虑到试验现场的具体条件，为了方便控制，对模型又进行了简化，得出下述预测控制用数学模型。

5结论

（1）通过实验表明，在燃气机上采用研究开发的计算机控制系统，能保证安全和保障生产；（2）在燃气机上采用研究开发的计算机控制系统，节电与节燃气效果明显，一般可节电20%以上，节燃气10%以上。（3）研究开发的控制样机稳定可靠，与国外设备相比，不但功能多，而且制造成本低约50%；（4）试验中采用的数学模型是以湿式储气罐的水槽为主要供热对象而建立的，不同供热对象的数学模型应有所区别。

参考文献

[1]樊俊杰.60kW生物质气内燃发电机组控制系统设计研究[D].上海交通大学,2008.

[2]张霖.基于S7-300PLC的煤层气发电生产过程监控系统的研究与设计[D].太原理工大学,2010.