CN105298664A

CN105298664A - 一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法

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Publication number: CN105298664A
Application number: CN201510817101.2A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 孙波; 戴永强; 赵峰; 魏大钧
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN105298664B

Abstract

本发明公开了一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法，其中，该系统包括：均与混合器的入口相连的空气进气管道和沼气进气管道，沼气进气管道与混合器连接处还设有燃气阀，混合器的出口通过节气门与内燃发电机组相连；沼气进气管道中设有甲烷浓度传感器，甲烷浓度传感器将检测的沼气中甲烷浓度信息传送至控制器；内燃发电机的排气管中安装氧传感器，氧传感器将测量的排气管中尾气的氧含量反馈至控制器；控制器根据接收到的尾气的氧含量获得实际空燃比，并通过实际空燃比与给定空燃比相比较，获得空燃比差值；控制器根据空燃比差值控制燃气阀的开度，再根据获取的甲烷浓度信息进行修正燃气阀的开度，从而达到精确控制空燃比的目的。

Description

一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于环保及能源领域，尤其涉及一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法。

背景技术

在能源短缺和环境污染日趋严重的今天，沼气因其可再生、资源量大、分布广泛、低污染等突出特点，成为一种极具发展潜力的新能源。沼气的有效燃烧能够大幅提高发电机组效率，对于节约能源、减少污染气体排放具有十分重大的意义。

与天然气等可燃气体相比，沼气存在热值低以及可燃气成分含量不稳定的问题，这容易使得沼气内燃发电机组起动困难、转速不稳定、功率不足等，准确的空燃比控制是解决上述问题的有效方法之一。

现有的通用性燃气发电机组，多针对天然气等成分稳定的气源。然而，沼气同天然气不同，沼气的成分受发酵情况影响，可燃气体浓度含量波动很大，不能忽略。沼气的热值低，易产生启动困难以及转速不稳定的情况。

而且专利号为201410057911的燃气发动机的空燃比自动控制系统，该控制系统通过氧传感器反馈可以控制空燃比到理想状态，但存在控制滞后问题，响应不及时，更没有考虑到缸温对燃烧状态的影响，很难达到精确控制空燃比的目的。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统及其控制方法。该控制系统能够使沼气发电机在多种工况下稳定可靠运行，并且大大提高了沼气的燃烧效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，包括：

空气进气管道和沼气进气管道，所述空气进气管道和沼气进气管道均与混合器的入口相连，所述沼气进气管道与混合器连接处还设有燃气阀，所述混合器的出口通过节气门与内燃发电机组相连；所述燃气阀和节气门均与控制器相连；

所述沼气进气管道中设有甲烷浓度传感器，甲烷浓度传感器将检测的沼气中甲烷浓度信息传送至控制器；内燃发电机的排气管中安装氧传感器，氧传感器将测量的排气管中尾气的氧含量反馈至控制器；

控制器根据接收到的尾气的氧含量获得实际空燃比，并通过实际空燃比与给定空燃比相比较，获得空燃比差值；控制器根据空燃比差值控制燃气阀的开度，再根据获取的甲烷浓度信息进行修正燃气阀的开度，从而达到精确控制空燃比的目的。

所述内燃发电机的气缸上还安装有温度传感器，所述温度传感器用于检测内燃发电机的气缸温度并传送至控制器，控制器根据内燃发电机的气缸温度，进行修正给定空燃比。

所述内燃发电机的转子上还设有速度传感器，所述速度传感器与控制器相连。

所述沼气进气管道中还安装有用于维持沼气和空气的压力差恒定的零压调节器。

所述空气进气管道中安装有过滤装置。

所述沼气进气管道中也安装有过滤装置。

一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，包括：

步骤(1)：确定内燃发电机组当前的工况，预设与内燃发电机组工况相匹配的空燃比；

步骤(2)：控制器根据内燃发电机的气缸温度，修正步骤(1)中预设的空燃比；

步骤(3)：控制器根据修正后的空燃比与实际空燃比相比较，得到空燃比差值，控制器根据空燃比差值计算燃气阀的开度，同时，控制器根据获取的甲烷浓度信息进行修正燃气阀的开度，从而达到精确控制空燃比的目的。

所述步骤(1)中的内燃发电机组工况包括启动工况、怠速工况、中等负荷工况、大负荷工况、负荷突加工况和负荷突减工况。

所述步骤(1)中，与内燃发电机组工况相匹配的空燃比等于实际空燃比与过量空气系数的比值；其中，过量空气系数为与内燃发电机组工况相关的常数。

所述步骤(2)中，在内燃发电机组的不同工况下，每一个气缸温度值对应一个空燃比修正系数。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过氧传感器反馈准确监控实际空燃比，为了抑制甲烷浓度波动的影响，引入了甲烷浓度传感器，通过甲烷浓度传感器测量甲烷浓度，并修正燃气阀门的进气量，对扰动输入补偿，从而消除甲烷浓度波动对空燃比的影响以及消除了仅靠氧传感器反馈控制滞后的缺点，达到准确控制空燃比的目的；

(2)本发明在沼气进气管道中安装了零压调节器，采用零压调节器保证了沼气和空气的压力差恒定，有利于气体混合；同时使得空气和燃气的混合比例完全由燃气阀的开度决定；

(3)本发明的该控制方法还通过缸温进行修正空燃比，为混合气的充分燃烧提供合适空燃比；本发明根据内燃发电机组的不同工况提供不同的空燃比，保证内燃发电机组在不同工况下的稳定运行。

附图说明

图1是本发明的沼气内燃发电机组空燃比控制系统结构示意图；

图2是本发明的沼气内燃发电机组的空燃比控制方法示意图；

图3是本发明的沼气内燃发电机组的空燃比控制方法实施例。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

图1为本发明的沼气内燃发电机组空燃比控制系统结构示意图，结合图1对本发明的该控制系统进行下述说明：

本发明通过氧传感器反馈控制空燃比，并引入甲烷浓度前馈控制，同时综合考虑内燃机所处工况，精确控制空燃比。本发明的沼气内燃发电机组空燃比控制系统，包括：

本发明的沼气通过零压调节器，保证沼气和空气的压力差恒定，有利于气体混合，同时使得空气和燃气的混合比例完全由燃气阀的开度决定。通过控制燃气阀的开度，就能够达到精确控制空燃比的目的。

为了有效抑制甲烷浓度波动的影响，本发明引入甲烷浓度传感器。通过甲烷浓度传感器测量甲烷浓度，并修正燃气阀门的进气量，对扰动输入补偿，从而消除甲烷浓度波动对空燃比的影响，达到准确控制空燃比的目的。

本发明在机组排气管中安装氧传感器，通过氧传感器测量尾气中的氧含量，计算实际空燃比，与给定空燃比做比较，构成闭环反馈控制。

在本实施例中，氧传感器优选采用宽域型氧传感器，也可以其他类型的氧传感器。

其中，内燃发电机的气缸上还安装有温度传感器，温度传感器用于检测内燃发电机的气缸温度并传送至控制器，控制器根据内燃发电机的气缸温度，进行修正给定空燃比。

内燃发电机的转子上还设有速度传感器，所述速度传感器与控制器相连。

沼气进气管道中还安装有用于维持沼气和空气的压力差恒定的零压调节器。

空气进气管道中安装有过滤装置。

沼气进气管道中也安装有过滤装置。

在图1中，进入内燃发电机的进气岐管上还安装有温度传感器以及压力传感器，用于分别检测进气岐管上的温度以及压力信号，并传送至控制器中，为判断内燃发电机的工况做准备。

如图2所示，本发明的沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，包括：

步骤(1)：确定内燃发电机组当前的工况，预设与内燃发电机组工况相匹配的空燃比；各个工况的特点如表1所示；

步骤(1)中的内燃发电机组工况包括启动工况、怠速工况、中等负荷工况、大负荷工况、负荷突加工况和负荷突减工况。

气缸温度会对可燃气体的充分燃烧产生影响。为保证气缸内混合气达到最佳的燃烧状态，需要根据气缸温度调整空燃比。本发明通过热电偶测量气缸温度，并根据气缸温度对理论最佳空燃比进行修正。具体修正参数由实验测得。

发电机组的不同工况对空燃比的要求不同。本发明通过节气门的开度以及进气歧管的压力温度确定输入功率的大小，结合转速测量判断发电机组所处工况，不同工况给予不同的空燃比。

本发明提出一种沼气内燃发电机组空燃比控制的新方法，在内燃机处于不同的工况时，分别给予不同的空燃比，使内燃机始终运行在最佳状态。空燃比的控制方法分三步进行。如图2所示。

表1内燃机组的六种工况

工况	转速(r/min)	节气门开度	输入功率	过量空气系数
					启动	0～200	较大	较大	0.2～0.5
怠速	900～1500	较小	较小	0.6～0.8
					中等负荷	1500	适中	适中	1.05～1.15
大负荷	1500	较大	较大	0.85～0.95
					负载突加	突然变小	变大	变大	0.9～1

负载突减

突然变大

变小

1～1.15

发电机组工况分为以下六种工况。与内燃发电机组工况相匹配的空燃比等于实际空燃比与过量空气系数的比值。

其中，过量空气系数为与内燃发电机组工况相关的常数。

工况一：启动工况。此工况转速较小，节气门开度和输入功率较大。此工况下必须提供较浓的混合气，否则会造成启动困难等状况，过量空气系数0.2<λ<0.5。

工况二：怠速工况。此工况转速在900～1500r/min，对外输出功率为零，节气门开度和输入功率均很小。由于节气门开度小，进气量少，混合气被燃烧后的废气严重稀释。需要较浓的混合气，过量空气系数0.6<λ<0.8。

工况三：中等负荷工况。此工况内燃机运行稳定，转速维持在1500r/min，节气门开度和输入功率均较适中。此时可以采用稀薄燃烧方式节省燃料，过量空气系数1.05<λ<1.15。

工况四：大负荷工况。此工况发动机转速维持在1500r/min，但输出功率较大，内燃机处在接近满负荷或短时超负荷状态。仅靠增大节气门开度难以满足输出功率要求。需要较浓的混合气提高输入功率，过量空气系数0.85<λ<0.95。

工况五：负载突加工况。此工况内燃机转速突然变小，节气门开度和输入功率突然变大，需要提供浓混合气以增大输入功率。过量空气系数0.9<λ<1。

工况六：负载突减工况。此工况内燃机转速突然变大，节气门开度和输入功率突然变小，较稀的混合气就能满足要求，可以通过空燃比配合稀薄燃烧节省燃气。过量空气系数1<λ<1.15。

步骤(2)中，在内燃发电机组的不同工况下，每一个气缸温度值对应一个空燃比修正系数。空燃比修正系数由实验测试得来。气缸温度会对可燃气体的充分燃烧产生影响。为保证气缸内混合气达到最佳的燃烧状态，需要根据气缸温度调整空燃比。

在步骤(3)中，根据甲烷浓度前馈，修正阀门开度，从而达到精确、快速控制空燃比的目的。控制器采用参数容易整定的PID控制策略，在实际运行过程中通过调整比例、积分、微分参数使系统响应快速、准确。

如图3所示，以控制器为ARM控制器为例，本发明的沼气内燃发电机组的空燃比控制方法具体实施过程为：

启动沼气内燃发电机组，控制器读取沼气内燃发电机组的转速、节气门位置以及进气歧管压力和温度值，进行综合判定内燃发电机组的工况并计算空燃比；

然后，测量气缸的温度并通过查表获取修正的空燃比，再通过测量甲烷浓度并对扰动进行补偿；控制器通过修正后的空燃比，计算燃气阀的开度，并控制燃气阀动作；

内燃发电机的排气管中安装的氧传感器测量的排气管中尾气的氧含量，获得内燃发电机的实际空燃比；在控制器中，判断实际空燃比与理论修正后的空燃比是否相等，若不相等，则实际空燃比与理论修正后的空燃比的差值反馈至控制器，控制器再计算燃气阀的开度进行调节燃气阀，直至达到精确控制空燃比。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，所述内燃发电机的气缸上还安装有温度传感器，所述温度传感器用于检测内燃发电机的气缸温度并传送至控制器，控制器根据内燃发电机的气缸温度，进行修正给定空燃比。

3.如权利要求1所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，所述内燃发电机的转子上还设有速度传感器，所述速度传感器与控制器相连。

4.如权利要求1所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，所述沼气进气管道中还安装有用于维持沼气和空气的压力差恒定的零压调节器。

5.如权利要求1所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，所述空气进气管道中安装有过滤装置。

6.如权利要求1所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统，其特征在于，所述沼气进气管道中也安装有过滤装置。

7.一种如权利要求1所述的沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的内燃发电机组工况包括启动工况、怠速工况、中等负荷工况、大负荷工况、负荷突加工况和负荷突减工况。

9.如权利要求7所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，与内燃发电机组工况相匹配的空燃比等于实际空燃比与过量空气系数的比值；其中，过量空气系数为与内燃发电机组工况相关的常数。

10.如权利要求7所述的一种沼气内燃发电机组空燃比控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在内燃发电机组的不同工况下，每一个气缸温度值对应一个空燃比修正系数。