CN110374736B - 一种控制沼气发电机组稳定运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，与沼气发电机组的发动机ECU配合使用，包括台架试验，预设参数、安装启动、判断甲烷实际含量是否与试错启动设定的甲烷含量一致等步骤，本发明的沼气发电机组在实际运行中，沼气燃料中的甲烷含量是变化的，通过氧传感器和发动机ECU配合，判断并计算出沼气燃料中甲烷的实际浓度值，当甲烷的实际浓度值与发动机ECU内同功率下的设定值一致或相差不大时，则机组在此状态下继续运行即可，若两者相差过大，则需要在高能点火系统的配合下，调整发动机ECU内的各项最佳值，使机组最终运行在最佳的稳定状态下，从而避免了因甲烷浓度变化导致的机组无法正常运行的问题，且机组调整自动灵活，无需人为干预。

Description

一种控制沼气发电机组稳定运行的方法

技术领域

本发明涉及沼气发电机组技术领域，尤其涉及一种控制沼气发电机组稳定运行的方法。

背景技术

沼气是粪便、秸秆、垃圾等有机物质，在一定的温度、水分、酸碱度且在厌氧的条件下，经过沼气菌的发酵作用产生的。根据相关资料显示，沼气中主要成分为甲烷和二氧化碳，还有少量氮气、硫化氢等，其中甲烷含量为40％～70％、二氧化碳占30％～50％，据此可见甲烷和二氧化碳含量之和占沼气成分的95％以上，如果能有效利用沼气是节能环保的重要手段之一，沼气发电机组便应运而生。

沼气发电机组是以沼气为燃料的发电机组，其中可供发动机利用的为沼气中的甲烷，而二氧化碳为惰性气体，无提供做功的能量。目前沼气发电机组已经广泛应用在养殖场、垃圾处理厂、酒精厂等行业中，对人们的环境改善和经济效益影响巨大。

因为沼气的产生受环境因素以及发酵菌活性的影响严重，在一年四季中沼气内甲烷的含量非常不稳定，甚至一天中受晚上和白天气温不同的影响，发酵罐中产生的沼气甲烷浓度也是不一样的。沼气发电机组在运行过程中因为沼气中甲烷含量的变化，极可能会导致进入缸内燃烧的混合气的浓度也随之变化，使得机组做功稳定性变差，甚至出现功率不足的现象，严重的还会造成机组熄火以至于无法正常运行。

为了解决甲烷含量变化导致机组运行不稳定的问题，有采用根据不同的甲烷浓度对应设置不同的点火角度的方法的，来适应不同甲烷浓度下缸内的燃烧状况。但实际上这种技术手段仅考虑了某一稳定甲烷浓度下的燃烧情况，没有考虑机组实际运行中甲烷浓度随机变化的状况，即机组运行时发动机ECU无法判断甲烷浓度已经发生变化，因此无法自行切换至相应变化后的甲烷浓度下的点火角度运行，因此机组运行的灵活性差，还是不能从根本上消除甲烷浓度随机变化对机组运行产生的不良影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种随甲烷含量变化，自动调整运行状态的控制沼气发电机组稳定运行的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，与沼气发电机组的发动机ECU配合使用，包括以下步骤，

步骤一、台架试验，预设参数

S_1-1、完成发动机、发动机ECU、燃气发电机的组装，形成所述沼气发电机组；

S_1-2、所述沼气发电机组使用的沼气燃料中，甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～50％、余量为氮气、硫化氢的混合气体，二氧化碳、氮气、硫化氢均为不提供做功能量的气体，在台架试验时将氮气、硫化氢的混合气体均视为二氧化碳，并在所述发动机ECU内将沼气燃料组分重新划分并确定含量，其中甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～60％，并设定台架试验时甲烷含量变化的梯度，设定所述发动机的功率变化梯度；

S_1-3、开始台架试验，向所述沼气发电机组通入沼气燃料，该沼气燃料中甲烷含量为40％，通过所述发动机ECU获取甲烷该含量下的所述发动机的缸压、排气温度、点火能量、火焰燃烧参数，并计算得出甲烷该含量下所述发动机在0kw时对应的最佳点火角度a₁₁、最佳空燃比b₁₁、最佳点火能量值c₁₁以及最佳点火持续时间d₁₁，按所述发动机的功率变化梯度依次递增所述发动机的功率，得出甲烷该含量下所述发动机不同功率对应的最佳点火角度a_x1、最佳空燃比b_x1、最佳点火能量值c_x1以及最佳点火持续时间d_x1，试验至所述发动机的功率达到额定功率为止；

S_1-4、把沼气燃料的甲烷含量在40％的基础上依次递增一个梯度，分别得出甲烷各种含量情况下，所述发动机从0kw开始按照功率变化梯度依次递增至额定功率所对应的各最佳点火角度a_xx、最佳空燃比b_xx、最佳点火能量值c_xx以及最佳点火持续时间d_xx，直至甲烷含量含梯度递增至70％为止；

S_1-5、根据台架试验S_1-3步骤、S_1-4步骤获得的参数绘制表格，并且写入所述发动机ECU内；

步骤二、安装启动

所述沼气发电机组运抵使用场地后，利用沼气检测设备测定机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，并写入所述发动机ECU内；如设备不齐全无法获知机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，通过试错启动机组；

步骤三、判断甲烷实际含量是否与试错启动设定的甲烷含量一致

机组启动后，所述发动机ECU检测到所述发动机已处于工作转速运行状态，根据排气管处氧传感器的检测确定此时的空燃比λ₁，并与所述发动机ECU内部预设的目标λ进行比对，所述目标λ即为最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1或最佳空燃比b_xx，当│λ₁-λ│＞N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量不一致，机组通过激活甲烷含量自适应计算策略进入稳定运行状态；当│λ₁-λ│≤N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量误差很小，可不作调整，机组已为稳定运行状态。

作为优选的技术方案，所述甲烷含量自适应计算策略包括以下步骤，

S_3-1、甲烷实际含量的迭代计算

如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＞λ，则判断甲烷的实际含量变少，此时所述发动机ECU通过1％的步长减小其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＜λ，则判断甲烷含量变大，此时所述发动机ECU通过1％的步长增大其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；

S_3-2、调整机组运行参数

所述发动机ECU通过读取机组运行的功率值以及S_3-1步骤迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值，然后读取步骤一中S_1-5阶段预设的所述发动机ECU内相应功率下机组的最佳运行参数，所述发动机ECU通过机组的高能点火系统，实现在该功率下根据试错启动计算出的实际甲烷含量值调整对应的最佳点火角度、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间，所述发动机ECU通过控制机组的燃气供给系统，调整进入机组的燃气量，实现最佳空燃比的调整，并存储。

作为优选的技术方案，所述步骤一中，最佳点火角度a₁₁、最佳点火角度a_x1、最佳点火角度a_xx的取值范围分别为10°～30°；

最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1、最佳空燃比b_xx的取值范围分别为1.2～1.7；

最佳点火能量值c₁₁、最佳点火能量值c_x1、最佳点火能量值c_xx的取值范围分别为40～100mJ；

最佳点火持续时间d₁₁、最佳点火持续时间d_x1、最佳点火持续时间d_xx的取值范围分别为1.5～5ms。

作为优选的技术方案，所述试错启动为机组启动时无法获知沼气燃料内甲烷含量的前提下，在所述发动机ECU内预设机组启动甲烷含量值，与预设的甲烷含量值对应设有相应的最佳点火角度值、最佳空燃比值、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间值，根据上述参数启动机组。

作为优选的技术方案，所述N值的取值范围为0.05～0.1。

作为对上述技术方案的改进，所述甲烷含量变化的梯度为5％；所述发动机的功率变化梯度为40kw。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：沼气发电机组在实际运行中，沼气燃料中的甲烷含量是变化的，通过氧传感器和发动机ECU配合，判断并计算出沼气燃料中甲烷的实际浓度值，当甲烷的实际浓度值与发动机ECU内同功率下的设定值一致或相差不大时，则机组在此状态下继续运行即可，若两者相差过大，则需要在高能点火系统的配合下，调整发动机ECU内的各项最佳值，使机组最终运行在最佳的稳定状态下，从而避免了因甲烷浓度变化导致的机组无法正常运行的问题，且机组调整自动灵活，无需人为干预。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1所示，一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，与沼气发电机组的发动机ECU配合使用，包括以下步骤，

步骤一、台架试验，预设参数

S_1-1、完成发动机、发动机ECU、燃气发电机的组装，形成所述沼气发电机组。

S_1-2、所述沼气发电机组使用的沼气燃料中，甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～50％、余量为氮气、硫化氢等的混合气体，实际上和二氧化碳含量之和占95％以上，甲烷与二氧化碳、氮气、硫化氢均为不提供做功能量的气体，在台架试验时将氮气、硫化氢的混合气体均视为二氧化碳，氮气、硫化氢等可与二氧化碳一起视为惰性气体，它们在沼气燃料成分中比例越高，则甲烷的浓度越低，混合后的混合气在缸内燃烧的速率也会越慢，越容易导致机组后燃。本发明中沼气发电机机组除了利用改变点火角度的方法外，还采用高能点火方式来避免后燃的发生，高能点火可以同时实现对点火角度、点火能量和点火持续时间的不同数值的控制。

本实施例并在所述发动机ECU内将沼气燃料组分重新划分并确定含量，其中甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～60％，并设定台架试验时甲烷含量变化的梯度，设定所述发动机的功率变化梯度。本实施例中，所述甲烷含量变化的梯度为5％，所述发动机的功率变化梯度为40kw。

S_1-3、开始台架试验，向所述沼气发电机组通入沼气燃料，该沼气燃料中甲烷含量为40％，通过所述发动机ECU获取甲烷该含量下的所述发动机的缸压、排气温度、点火能量、火焰燃烧参数，并计算得出甲烷该含量下所述发动机在0kw时对应的最佳点火角度a₁₁、最佳空燃比b₁₁、最佳点火能量值c₁₁以及最佳点火持续时间d₁₁，最佳点火角度、最佳空燃比、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间的具体计算方法，为本技术领域普通技术人员所熟知的内容在此不再详细描述。按所述发动机的功率变化梯度依次递增所述发动机的功率，得出甲烷该含量下所述发动机不同功率对应的最佳点火角度a_x1、最佳空燃比b_x1、最佳点火能量值c_x1以及最佳点火持续时间d_x1，试验至所述发动机的功率达到额定功率为止。

S_1-4、把沼气燃料的甲烷含量在40％的基础上依次递增一个梯度，分别得出甲烷各种含量情况下，所述发动机从0kw开始按照功率变化梯度依次递增至额定功率所对应的各最佳点火角度a_xx、最佳空燃比b_xx、最佳点火能量值c_xx以及最佳点火持续时间d_xx，直至甲烷含量含梯度递增至70％为止。

S_1-5、根据台架试验S_1-3步骤、S_1-4步骤获得的参数绘制表格或MAP图，并且写入所述发动机ECU内。本实施例为以额定功率为200kw的机组为例，且绘制表格方式，具体如表1、表2、表3和表4所示。

表1不同甲烷含量下的机组在某功率运行时最佳点火角度(°)

表2不同沼气下的机组在某功率运行时最佳空燃比λ示例

表3不同沼气下的机组在某功率运行时最佳点火能量值(mJ)

表4不同沼气下的机组在某功率运行时最佳点火持续时间(ms)

在上述各表格中，甲烷含量和机组功率，是通过插值法处理得到的，例如45％对应的数值是40％和50％插值处理得到，为本技术领域普通技术人员所熟知处理方式，在此不再详细描述。

所述步骤一中，最佳点火角度a₁₁、最佳点火角度a_x1(即a₂₁～a₇₁)、最佳点火角度a_xx(即a₁₂～a₇₆)的取值范围分别为10°～30°；

最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1(即b₂₁～b₇₁)、最佳空燃比b_xx(即b₁₂～b₇₆)的取值范围分别为1.2～1.7；

最佳点火能量值c₁₁、最佳点火能量值c_x1(即c₂₁～c₇₁)、最佳点火能量值c_xx(即c₁₂～c₇₆)的取值范围分别为40～100mJ；

最佳点火持续时间d₁₁、最佳点火持续时间d_x1(即d₂₁～d₇₁)、最佳点火持续时间d_xx(即d₁₂～d₇₆)的取值范围分别为1.5～5ms。

步骤二、安装启动

所述沼气发电机组运抵使用场地后，利用沼气检测设备如沼气分析仪等，测定机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，并写入所述发动机ECU内；如设备不齐全无法获知机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，通过试错启动机组。

具体地，所述试错启动为机组启动时无法获知沼气燃料内甲烷含量的前提下，在所述发动机ECU内预设机组启动甲烷含量值，与预设的甲烷含量值对应设有相应的最佳点火角度值、最佳空燃比值、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间值，根据上述参数启动机组。当无法获知沼气燃料内的甲烷含量时，可以在此条件下启动机组。

步骤三、判断甲烷实际含量是否与试错启动设定的甲烷含量一致

机组启动后，所述发动机ECU检测到所述发动机已处于工作转速运行状态，根据排气管处氧传感器的检测确定此时的空燃比λ₁，并与所述发动机ECU内部预设的目标λ进行比对，所述目标λ即为最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1或最佳空燃比b_xx，当│λ₁-λ│＞N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量不一致，机组通过激活甲烷含量自适应计算策略进入稳定运行状态；当│λ₁-λ│≤N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量误差很小，可不作调整，机组已为稳定运行状态。所述N值的取值范围为0.05～0.1。

所述甲烷含量自适应计算策略包括以下步骤，

S_3-1、甲烷实际含量的迭代计算

如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＞λ，则判断甲烷的实际含量变少，此时所述发动机ECU通过1％的步长减小其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＜λ，则判断甲烷含量变大，此时所述发动机ECU通过1％的步长增大其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；

S_3-2、调整机组运行参数

所述发动机ECU通过读取机组运行的功率值以及S_3-1步骤迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值，然后读取步骤一中S_1-5阶段预设的所述发动机ECU内相应功率下机组的最佳运行参数，所述发动机ECU通过机组的高能点火系统，实现在该功率下根据试错启动计算出的实际甲烷含量值调整对应的最佳点火角度、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间，所述发动机ECU通过控制机组的燃气供给系统，调整进入机组的燃气量，实现最佳空燃比的调整，并存储。高能点火系统包括曲轴、齿盘、传感器、电子控制单元、点火线圈等部件，为本技术领域普通技术人员所熟知的内容。

本发明的沼气发电机组在实际运行中，沼气燃料中的甲烷含量是变化的，通过氧传感器和发动机ECU配合，判断并计算出沼气燃料中甲烷的实际浓度值，当甲烷的实际浓度值与发动机ECU内同功率下的设定值一致或相差不大时，则机组在此状态下继续运行即可，若两者相差过大，则需要在高能点火系统的配合下，调整发动机ECU内的各项最佳值，使机组最终运行在最佳的稳定状态下，从而避免了因甲烷浓度变化导致的机组无法正常运行的问题，且机组调整自动灵活，无需人为干预。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，与沼气发电机组的发动机ECU配合使用，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、台架试验，预设参数

S_1-1、完成发动机、发动机ECU、燃气发电机的组装，形成所述沼气发电机组；

S_1-2、所述沼气发电机组使用的沼气燃料中，甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～50％、余量为氮气、硫化氢的混合气体，二氧化碳、氮气、硫化氢均为不提供做功能量的气体，在台架试验时将氮气、硫化氢的混合气体均视为二氧化碳，并在所述发动机ECU内将沼气燃料组分重新划分并确定含量，其中甲烷含量为40％～70％、二氧化碳含量为30％～60％，并设定台架试验时甲烷含量变化的梯度，设定所述发动机的功率变化梯度；

S_1-3、开始台架试验，向所述沼气发电机组通入沼气燃料，该沼气燃料中甲烷含量为40％，通过所述发动机ECU获取甲烷该含量下的所述发动机的缸压、排气温度、点火能量、火焰燃烧参数，并计算得出甲烷该含量下所述发动机在0kw时对应的最佳点火角度a₁₁、最佳空燃比b₁₁、最佳点火能量值c₁₁以及最佳点火持续时间d₁₁，按所述发动机的功率变化梯度依次递增所述发动机的功率，得出甲烷该含量下所述发动机不同功率对应的最佳点火角度a_x1、最佳空燃比b_x1、最佳点火能量值c_x1以及最佳点火持续时间d_x1，试验至所述发动机的功率达到额定功率为止；

S_1-4、把沼气燃料的甲烷含量在40％的基础上依次递增一个梯度，分别得出甲烷各种含量情况下，所述发动机从0kw开始按照功率变化梯度依次递增至额定功率所对应的各最佳点火角度a_xx、最佳空燃比b_xx、最佳点火能量值c_xx以及最佳点火持续时间d_xx，直至甲烷含量含梯度递增至70％为止；

S_1-5、根据台架试验S_1-3步骤、S_1-4步骤获得的参数绘制表格，并且写入所述发动机ECU内；

步骤二、安装启动

所述沼气发电机组运抵使用场地后，利用沼气检测设备测定机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，并写入所述发动机ECU内；如设备不齐全无法获知机组启动时沼气燃料内的甲烷含量，通过试错启动机组；

步骤三、判断甲烷实际含量是否与试错启动设定的甲烷含量一致

机组启动后，所述发动机ECU检测到所述发动机已处于工作转速运行状态，根据排气管处氧传感器的检测确定此时的空燃比λ₁，并与所述发动机ECU内部预设的目标λ进行比对，所述目标λ即为最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1或最佳空燃比b_xx，当│λ₁-λ│＞N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量不一致，机组通过激活甲烷含量自适应计算策略进入稳定运行状态；当│λ₁-λ│≤N时，则判定沼气燃料中甲烷实际含量与所述发动机ECU内的设定含量误差很小，可不作调整，机组已为稳定运行状态。

2.如权利要求1所述的一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，其特征在于：所述甲烷含量自适应计算策略包括以下步骤，

S_3-1、甲烷实际含量的迭代计算

如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＞λ，则判断甲烷的实际含量变少，此时所述发动机ECU通过1％的步长减小其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；如果│λ₁-λ│＞N，且λ₁＜λ，则判断甲烷含量变大，此时所述发动机ECU通过1％的步长增大其内部预设的甲烷含量值，直至│λ₁-λ│≤N，此时将迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值输出；

S_3-2、调整机组运行参数

所述发动机ECU通过读取机组运行的功率值以及S_3-1步骤迭代试错启动计算出的实际甲烷含量值，然后读取步骤一中S_1-5阶段预设的所述发动机ECU内相应功率下机组的最佳运行参数，所述发动机ECU通过机组的高能点火系统，实现在该功率下根据试错启动计算出的实际甲烷含量值调整对应的最佳点火角度、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间，所述发动机ECU通过控制机组的燃气供给系统，调整进入机组的燃气量，实现最佳空燃比的调整，并存储。

3.如权利要求1所述的一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，其特征在于：所述步骤一中，最佳点火角度a₁₁、最佳点火角度a_x1、最佳点火角度a_xx的取值范围分别为10°～30°；

最佳空燃比b₁₁、最佳空燃比b_x1、最佳空燃比b_xx的取值范围分别为1.2～1.7；

最佳点火能量值c₁₁、最佳点火能量值c_x1、最佳点火能量值c_xx的取值范围分别为40～100mJ；

最佳点火持续时间d₁₁、最佳点火持续时间d_x1、最佳点火持续时间d_xx的取值范围分别为1.5～5ms。

4.如权利要求1所述的一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，其特征在于：所述试错启动为机组启动时无法获知沼气燃料内甲烷含量的前提下，在所述发动机ECU内预设机组启动甲烷含量值，与预设的甲烷含量值对应设有相应的最佳点火角度值、最佳空燃比值、最佳点火能量值以及最佳点火持续时间值，根据上述参数启动机组。

5.如权利要求1或2所述的一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，其特征在于：所述N值的取值范围为0.05～0.1。

6.如权利要求1所述的一种控制沼气发电机组稳定运行的方法，其特征在于：所述甲烷含量变化的梯度为5％；所述发动机的功率变化梯度为40kw。

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