CN108757194A

CN108757194A - 一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法

Info

Publication number: CN108757194A
Application number: CN201810619239.5A
Authority: CN
Inventors: 唐行辉
Original assignee: Weichai Xigang New Energy Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Xigang New Energy Power Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN108757194B

Abstract

本发明公开了一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，燃气浓度为燃气中甲烷浓度，包括燃气发电机组未成功启动时，所进行的开环燃气浓度自学习启动控制步骤，即发动机ECU通过内部逻辑燃气浓度自学习至变化后的燃气浓度值，从而实现机组顺利启动；燃气发电机组成功启动时，所进行的闭环燃气浓度自学习控制步骤，即发动机ECU根据氧传感器的闭环数据继续反复微调燃气甲烷浓度值，最终精确地自学习至变化后的燃气甲烷浓度值，使得燃气发电机组能轻松应对燃气中甲烷浓度的变化。该控制方法使燃气发电机组更好的在沼气、瓦斯气、生物质气等易变甲烷浓度的燃气气质下，精确地控制燃气阀喷入量和空燃比，从而实现安全稳定运行。

Description

一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法

技术领域

本发明属于燃气发电机组控制技术领域，尤其是涉及一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法。

背景技术

目前，燃气发电机组已经广泛应用在石油开采、煤炭开采、分布式能源等领域，燃气发电机组主要由燃气发动机和发电机两部分构成。

我国拥有丰富的天然气资源，其中沼气、瓦斯气、生物质气等以甲烷为主要可燃气体的低浓度燃气为燃料的发电机组在整个燃气机组行业中占相当大的比例。但由于沼气、瓦斯气、生物质气等类型的燃气多为人工发酵得来，燃气浓度是指燃气中甲烷浓度，燃气中甲烷浓度受大气温度、湿度以及原料的不同而不同，甚至在一天内的上午和下午产出的燃气中甲烷浓度也差异较大。其中瓦斯气在抽取的过程中往往会混入空气，瓦斯气中甲烷比例往往不可控，尤其是低浓度瓦斯气利用率很低。

目前绝大多数低浓度燃气发电机组为了适应燃气成分的变化，采用比例式混合器或者文丘里式混合器，而仅采用上述混合器来适应甲烷浓度变化，其效果往往有限的；还有一些燃气发电机组利用氧传感器进行闭环控制，但是受其闭环调节能力的限制，也往往无法适应燃气中成分的快速变化。在生产期间，燃气发电机组的使用过程中经常会出现由于燃气浓度的突然变低导致无法启动的现象发生；相反，有些情况下燃气浓度突然增加则会导致燃气发电机组放炮、爆震甚至拉缸的情况发生，给客户带来经济财产损失。

由于燃气浓度的变化导致燃气发电机组无法正常工作，一般得需要燃气发电机组制造厂家进行现场重新调试，或者需要客户自己调整燃气阀的开度，费时费力，而且调节的难度较大、精度不高，燃气发电机组很难工作在合适的混合气浓度范围内，加速了燃气发电机组的磨损，降低使用寿命。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中存在的不足，提出了一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，该控制方法使燃气发电机组在易变甲烷浓度的燃气气质下，能精确地控制燃气阀喷入量和空燃比，从而实现安全稳定运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，所述燃气浓度为燃气中甲烷浓度，包括:

燃气发电机组未成功启动时，所进行的开环燃气浓度自学习启动控制步骤；

燃气发电机组成功启动时，所进行的闭环燃气浓度自学习控制步骤。

进一步，所述开环燃气浓度自学习启动控制步骤包括：

(a1)当燃气发电机组未成功启动时，检查判断燃气发电机组中发动机、燃气管路是否出现故障；

(b1)如果发动机、燃气管路出现故障，则排出所述故障，重新启动；

(c1)如果发动机、燃气管路未出现故障，判定为燃气浓度变化所致，则需手动闭合自学习开关，发动机ECU接收到自学习信号后激活开环燃气浓度自学习启动控制，进入步骤(d1)；

(d1)预设启动钥匙循环下连续启动燃气发电机组的最大次数为N；每启动一次燃气发电机组,发动机ECU自动改变燃气浓度设定值一次，直至燃气发电机组n次启动成功，其中n≤N；发动机ECU保存n次启动燃气发电机组时所使用的燃气浓度值，关闭开环燃气浓度自学习启动控制,并进入所述闭环燃气浓度自学习控制步骤；

(e1)如果燃气发电机组N次启动仍然不成功，则需要再次检修发动机和燃气管路，重新启动。

进一步，所述闭环燃气浓度自学习控制步骤包括：

(a2)燃气发电机组启动成功，等待与发动机ECU电连接的氧传感器工作；

(b2)氧传感器开始工作后，自动进入闭环燃气浓度自学习控制，发动机ECU实时测量闭环系数值CL，并判断是否|CL-1|>P₁％，进入步骤(c2)；

(c2)若|CL-1|≤P₁％，发动机ECU不激活闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按启动成功时的燃气浓度值进行正常运行；

(d2)若|CL-1|>P₁％，发动机ECU激活闭环燃气浓度自学习控制,进入步骤(e2)；

(e2)若CL>1,则证明发动机ECU中预设燃气浓度值大于启动成功时燃气浓度值，导致燃气阀开度太小，产生的为稀混合气；发动机ECU自动将预设燃气浓度值以P₂％的步长递减，迭代计算，发动机ECU根据预设燃气浓度值递减后的燃气浓度值修正燃气阀的开度，直至|CL-1|≤P₁％，发动机ECU关闭闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按递减后的燃气浓度值进行正常运行；

若CL<1，则证明发动机ECU中预设燃气浓度值小于启动成功时燃气浓度值，导致燃气阀开度太大，产生的为浓混合气；发动机ECU自动将预设燃气浓度值以P₂％的步长递增，迭代计算，发动机ECU根据预设燃气浓度值递增后的燃气浓度值修正燃气阀的开度，直至|CL-1|≤P₁％，发动机ECU关闭闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按递增后的燃气浓度值进行正常运行。

进一步，在所述开环燃气浓度自学习启动控制步骤(d1)中，所述发动机ECU自动改变燃气浓度设定值的计算公式为：

x＝b-(n/2)*r(n为偶数)，或x＝b+((n-1)/2)*r(n为奇数)

其中：

r＝(c-a)/N；b＝(a+c)/2，且a≤b≤c；

x为燃气浓度设定值；

a为发动机ECU中设定的预估燃气浓度变化的下限值c为发动机ECU中设定的预估燃气浓度变化的上限值,b为预估燃气浓度变化的下限值和上限值间的中间值；

r为发动机ECU改变燃气浓度设定值的步长。

进一步，所述最大次数N的范围在5～10之间。

进一步，P₁等于5，P₂等于2。

进一步，所述闭环系数值CL的计算公式为：

CL＝Uλ/Dλ；

其中：

Uλ为氧传感传送的实际混合气过量空气系数；

Dλ为发动机ECU中设定的混合器过量空气系数。

进一步，在所述闭环燃气浓度自学习控制步骤(c2)和步骤(e2)中，当|CL-1|≤5％后，均增加发动机ECU对燃气阀的PID微调步骤，确保CL等于1，燃气发电机组按CL等于1对应的燃气浓度值进行正常运行。

进一步，在所述闭环燃气浓度自学习控制步骤(e2)中，每次预设燃气浓度值递减或递减后，需要对变化后的燃气浓度值以及相应浓度下计算出来的燃气参数进行保存。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

此控制方法提供了燃气发电机组分别在未启动成功开环状态下和启动成功闭环状态下对于燃气浓度的预估和修正方法。在燃气浓度发生较大变化而无法启动机组时，通过开环燃气浓度自学习启动控制步骤，机组的发动机ECU通过内部逻辑燃气浓度自学习至变化后的燃气浓度值，从而实现机组顺利启动；机组启动后，通过闭环燃气浓度自学习控制步骤，机组的发动机ECU根据氧传感器的闭环数据继续反复微调燃气甲烷浓度值，最终精确地自学习至变化后的燃气甲烷浓度值，使得燃气发电机组在燃气浓度改变情况下也能实现最终进入发动机内混合气浓度的精确控制，从而确保了燃气发电机组的安全可靠运行。

综上所述，本发明的方法更有利于燃气发电机组适应燃气浓度的变化，即使在燃气浓度发生变化无法启动的情况下也能通过自学习方便快捷的使发电机组恢复至正常工作，同时最大化的实现了最终混合气浓度的精确控制，防止机组发生爆震、拉缸。

附图说明

图1是本发明燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。

如图1所示的流程图，一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其中燃气浓度为燃气中甲烷浓度，该控制方法主要包括两大步骤:

其中：燃气发电机组未成功启动时，所进行的开环燃气浓度自学习启动控制步骤包括：

(a1)当燃气发电机组未成功启动时，检查判断燃气发电机组中发动机、燃气管路是否出现故障(要我们自己判断检查一下是否是燃气管路问题或者机组物理故障造成的问题，是否能排除机组自身的问题)；

(b1)如果发动机、燃气管路出现故障，则检修燃气发电机组中发动机或/和燃气管路，排出故障，重新启动；

(c1)如果发动机、燃气管路未出现故障，判定为燃气浓度变化所致，(表明发动机ECU中存储的预设的甲烷浓度、燃气密度值、空燃比等燃气物理性参数与实际变化后的燃气浓度差距较大，发动机ECU中根据甲烷浓度等参数计算燃气密度、空燃比等参数，采用国标GB11062的方法计算得出，此处不再赘述)则需手动闭合自学习开关，发动机ECU接收到自学习信号后激活开环燃气浓度自学习启动控制，进入步骤(d1)；

(d1)预设启动钥匙循环下连续启动燃气发电机组的最大次数为N；每启动一次燃气发电机组,发动机ECU自动改变燃气浓度设定值一次，直至燃气发电机组n次启动成功，其中n≤N；发动机ECU保存n次启动燃气发电机组所用的燃气浓度参数，关闭开环燃气浓度自学习启动控制并进入所述燃气发电机组成功启动时所进行的闭环燃气浓度自学习控制步骤；

在上述开环燃气浓度自学习启动控制步骤(d1)中，每启动一次燃气发电机组,发动机ECU自动改变燃气浓度设定值一次，发动机ECU自动改变燃气浓度设定值的计算公式为：

x＝b-(n/2)*r(n为偶数)，或x＝b+((n-1)/2)*r(n为奇数)

其中：

r＝(c-a)/N；b＝(a+c)/2，且a≤b≤c；

x为燃气浓度设定值；

a为发动机ECU中设定的预估燃气浓度变化的下限值，c为发动机ECU中设定的预估燃气浓度变化的上限值,b为预估燃气浓度变化的下限值和上限值间的中间值；

r为发动机ECU改变燃气浓度设定值的步长。

按照上述方式启动。N值应该在5-10为宜，c-a的差值越小N值越大，则启动成功的概率越大。

开环燃气浓度自学习启动控制步骤(d1)的具体实施如下：

按照需要在发动机ECU中设定预估燃气浓度变化的下限值为a，预估燃气浓度的上限值为c，上限与下限的中间值为b，则b＝(a+c)/2，且a≤b≤c。设定的a和c值应该包含客户地区燃气浓度变化的几乎所有情况。

预设启动钥匙循环下连续启动燃气发电机组的最大次数为N，每启动一次机组，发动机ECU自学习一次即自动改变燃气浓度设定值一次，直至启动成功，此时开环燃气浓度自学习结束。

第一次启动(n＝1时)，此时ECU自学习燃气浓度值即，第一次启动时燃气浓度设定值x＝b；

第二次启动(n＝2时)，此时ECU自学习燃气浓度值即，第二次启动时燃气浓度设定值x＝b-r；

第三次启动(n＝3时)，此时ECU自学习燃气浓度值即，第三次启动时燃气浓度设定值x＝b+r；

第四次启动(n＝4时)，此时ECU自学习燃气浓度值即，第四次启动时燃气浓度设定值x＝b-2r；

第五次启动(n＝5时)，此时ECU自学习燃气浓度值即，即第五次启动时燃气浓度设定值x＝b+2r；

第n次启动(n＝N时),此时ECU自学习燃气浓度值即，第n次启动时燃气浓度设定值x＝b-(n/2)*r(n为偶数)

第n次启动(n＝N时),此时ECU自学习燃气浓度值,第n次启动时燃气浓度设定值x＝b+((n-1)/2)*r(n为奇数)

其中a≤x≤c，当第n启动机组成功n≤N，则停止开环燃气浓度自学习，发动机ECU自动保存此时启车的燃气浓度值和相关物理性参数值并进并关闭开环燃气浓度自学习启动控制并进入上述的闭环燃气浓度自学习控制步骤；如果N此启车均不成功，则需要重新检查机组硬件状态，然后重新激活开环燃气浓度自学习启动控制，按照上述方式启车。

按照时间经验，为了比较方便快捷的试出实际燃气浓度设定值，特采用上述燃气浓度设定值从中间点向两边扩散试错设定的方法。

其中：燃气发电机组成功启动时，所进行的闭环燃气浓度自学习控制步骤包括：

(b2)氧传感器开始工作后，自动进入闭环燃气浓度自学习控制(此时虽然进入闭环燃气浓度自学习控制，但处于待激活状态)，发动机ECU实时测量闭环系数值CL，并判断是否|CL-1|>5％，进入步骤(c2)；

(c2)若|CL-1|≤5％，发动机ECU不激活闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按成功启动时的燃气浓度值进行正常运行；

(d2)若|CL-1|>5％，发动机ECU激活闭环燃气浓度自学习控制,进入步骤(e2)；

(e2)若CL>1,则证明发动机ECU中预设燃气浓度值大于成功启动时的燃气浓度值(如果第n次启动成功，该燃气浓度值为保存的n次启动时采用的燃气浓度值)，导致燃气阀开度太小，产生的为稀混合气；发动机ECU自动将预设燃气浓度值以2％的步长递减(按照燃气浓度递减2％)迭代计算，每次预设燃气浓度值递减或递减后，需要对变化后的燃气浓度值以及相应浓度下计算出来的燃气参数进行保存，发动机ECU根据预设燃气浓度值递减后的燃气浓度值修正燃气阀的开度(其中燃气浓度值与燃气阀的开度存在一一对应关系，通过台架实验获得对应关系数据表并存入发动机ECU中，随燃气浓度值的变化查表调用与之对应的燃气阀的开度值)，CL随之发生相应变化，直至|CL-1|≤5％，发动机ECU关闭闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按递减后的燃气浓度值进行正常运行；

若CL<1，则证明发动机ECU中预设燃气浓度值小于成功启动时燃气浓度值，导致燃气阀开度太大，产生的为浓混合气；发动机ECU自动将预设燃气浓度值以2％的步长递增，(按照燃气浓度递增2％)迭代计算，每次预设燃气浓度值递减或递减后，需要对变化后的燃气浓度值以及相应浓度下计算出来的燃气参数进行保存，发动机ECU根据预设燃气浓度值递增后的燃气浓度值修正燃气阀的开度(其中燃气浓度值与燃气阀的开度存在一一对应关系，通过台架实验获得对应关系数据表并存入发动机ECU中，随燃气浓度值的变化查表调用与之对应的燃气阀的开度值)，CL随之发生相应变化，直至|CL-1|≤5％，发动机ECU关闭闭环燃气浓度自学习控制,此时燃气发电机组按递增后的燃气浓度值进行正常运行。

上述闭环燃气浓度自学习控制步骤中的燃气浓度值修正调整是在“成功启动时的燃气浓度值”基础上进行一系列的计算来修正调整；P₁和P₂的数据可以根据实际的需求进行设定，本实施例的最优方案为P₁等于5，P₂等于2。

上述闭环系数值CL的计算公式为：CL＝U_λ/D_λ；

其中：U_λ为氧传感传送的实际混合气过量空气系数；D_λ为发动机ECU中设定的混合器过量空气系数。过量空气系数这一概念及计算公式，是公知常识，在此不做赘述。

为了更加精准控制空燃比，需在上述闭环燃气浓度自学习控制步骤(c2)和步骤(e2)中，当|CL-1|≤5％后，均增加发动机ECU对燃气阀的PID微调步骤，确保CL等于1，燃气发电机组按CL等于1对应的燃气浓度值进行正常运行。

一般PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分的上下限分别是0和t

因此它的传递函数为：G(s)＝U(s)/E(s)＝kp[1+1/(TI*s)+TD*s]

其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

综上所述，由于燃气中甲烷浓度的突变，超过了混合器的调节范围，所以一般燃气发电机组无法调节混合器的比例，导致混合气过稀或者过浓使燃气发电机组无法成功启动。此时通过上述的开环燃气浓度自学习启动控制步骤使燃气发电机组在燃气中甲烷浓度的突变的情况下也能成功启动。

成功启动后的燃气发电机组通过上述的闭环燃气浓度自学习控制步骤，使燃气发电机组能轻松应对燃气中甲烷浓度的变化，实现机组的安全、稳定的运行。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改和改进，均应包含在本发明的保护范围。

Claims

1.一种燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，所述燃气浓度为燃气中甲烷浓度，其特征在于，包括:

2.如权利要求1所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述开环燃气浓度自学习启动控制步骤包括：

3.如权利要求1所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述闭环燃气浓度自学习控制步骤包括：

4.如权利要求2所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，在所述开环燃气浓度自学习启动控制步骤(d1)中，所述发动机ECU自动改变燃气浓度设定值的计算公式为：

x＝b-(n/2)*r(n为偶数)，或x＝b+((n-1)/2)*r(n为奇数)

其中：

r＝(c-a)/N；b＝(a+c)/2，且a≤b≤c；

x为燃气浓度设定值；

r为发动机ECU改变燃气浓度设定值的步长。

5.如权利要求4所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述最大次数N的范围在5～10之间。

6.如权利要求3所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，P₁等于5，P₂等于2。

7.如权利要求3所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，所述闭环系数值CL的计算公式为：

CL＝U_λ/D_λ；

其中：

U_λ为氧传感传送的实际混合气过量空气系数；

D_λ为发动机ECU中设定的混合器过量空气系数。

8.如权利要求7所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，在所述闭环燃气浓度自学习控制步骤(c2)和步骤(e2)中，当|CL-1|≤P₁％后，均增加发动机ECU对燃气阀的PID微调步骤，确保CL等于1，燃气发电机组按CL等于1对应的燃气浓度值进行正常运行。

9.如权利要求3所述的燃气发电机组燃气浓度自适应控制方法，其特征在于，在所述闭环燃气浓度自学习控制步骤(e2)中，每次预设燃气浓度值递减或递减后，需要对变化后的燃气浓度值以及相应浓度下计算出来的燃气参数进行保存。