CN111173626A - 一种燃气内燃发电实验台架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气内燃发电实验台架，属于发电机技术领域。该实验台架包括燃气进气系统、空气进气系统、发动机控制系统、混合增压系统、发电机控制器、发电机和发动机等组成。其特征在于：所述的控制系统能够精确控制燃料和空气进入量，使发动机高效燃烧。管道气(1)先后经调压器(2)、过滤器(3)进入燃料喷射阀(4)，管道气(1)经燃料喷射阀(4)再与发动机(6)排出的废气、新鲜空气(9)在增压器(7)中增压，增压完成后再送入发动机(6)的进气口。本发明具有环保的优点外，还具有起动及运行可靠、电压及频率的精度高、体积小、重量轻、维护简单和噪音小等优点。

Description

一种燃气内燃发电实验台架
技术领域
本发明属于发电机技术领域，涉及一种燃气内燃发电实验台架。
背景技术
分布式发电机以天然气和柴油居多。相比柴油发电机组，天然气发电机组在起动时间、控制精度、噪音和成本方面具有突出的优势；而与燃气轮机组相比，内燃机组的变工况特性、受海拔和环境温度影响程度及成本更具竞争力。因此，开发先进的燃气内燃发电实验台架是发展燃气内燃机发电产业的关键之一。
专利CN208686493U公开了一种燃气分布式能源系统，通过一种热电三联供、最大限度的降低了运行的能耗。该专利的结构简单，但其仅仅搭建了一个系统，没有涉及到控制等核心的技术和研究方案。
专利CN209655621U公开了一种天然气分布式能源系统，通过合理的设计能够对烟气余热的深度利用做到了制冷制热季均高效利用，与单制热余热利用技术相比缩短了设备的投资回收期。该专利虽在余热利用方面有突破，但缺乏对不确定工况的有效应对，其稳定性方面还缺乏不足。
专利CN206160341U公开了一种燃气内燃机驱动冰蓄冷空调系统，通过采用制冷机组与蓄冰槽的联合运行，利用发电机产生的余热进行吸收制冷，增加了发电机的负载率并提高了整个系统的效率。虽然该专利有利于提高燃气系统的效率，但尚未涉及核心的控制技术，难以有效跟随系统载荷的变化，在稳定性控制方面还存有不足。
专利CN108564216A公开了一种基于动态规划的储能型CCHP系统及其运行优化方法，发明分两次离散化并使用动态规划求解，从而大大减少了计算量。相对于传统线性规划、遗传算法等算法的求解结果，本发明能够保证在同等精度下求得最优解。该专利在理论求解方面做出了创新，如何将其与具体的系统进行结合还没有看到。
有必要指出，电子控制系统完全控制燃气内燃机的火花塞点火、燃料供给和空气供应，实现与电气开关设备和制冷、供热及发电模块的集成，是燃气内燃发电机组的“大脑”。燃气内燃机组主要采用伍德沃德、海因兹曼等发动机管理系统控制发电机组，未完全掌握核心技术，很难实现稳态速度、发电机频率和空气/燃料比的精确控制。因此，在实现低燃料消耗、最佳扭矩排放及系统集成方面会受制于人。
总之，现有的燃气内燃机发电技术在核心技术突破方面还存在不足，尤其是难以适应变工况的现实。大部分天然气发动机都是从柴油机简单改装而来，其发电效率普遍在36％(卡特彼勒在43％，MTU在44.3％)，导致其缺乏成本和技术推广的优势。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃气内燃发电实验台架。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种燃气内燃发电实验台架，包括管道气(1)、调压器(2)、过滤器(3)、燃料喷射阀(4)、发电机控制器(5)、发动机(6)、增压器(7)、混合器(8)、过滤后的新鲜空气(9)、电源正极(10)、电源负极(11)、宽域氧传感器(12)、进气温度传感器(13)、进气压力传感器(14)、冷却液温度传感器(15)、电子节气门位置传感器(16)、增压压力传感器(17)、相位传感器(18)、备用频率信号(19)、点火开关(20)、机组控制开关(21)、系统电源管理模块(22)、模拟信号输入接口(23)、电池电压检测接口(24)、传感器电源检测接口(25)、频率信号输入接口(26)、辅助开关控制信号输入接口(27)、通讯电路(28)、32位处理器(29)、逻辑值输出接口(30)、PWM输出接口(31)、点火驱动装置(32)、6路点火装置(33)、电子混合器(34)、电子节气门(35)、氧传感器加热装置(36)、仪表输出装置(37)、继电器控制装置(38)、故障指示灯(39)、CAN1输出接口(40)、CAN2输出接口(41)，凸轮传感器(42)和发电机(43)；
管道气(1)与调压器(2)、过滤器(3)、燃料喷射阀(4)进入混合器(8)与新鲜空气(9)混合，混合后再进入增压器(7)与发动机(6)排出的废气混合并加压，再经过管道进入发动机(6)的进气道，并在发动机(6)内完成压缩、做功和排放；
发电机(43)与发动机(6)之间为机械连接，发动机(6)的转动带动发电机(43)的工作；发电机控制器(5)和燃料喷射阀(4)和发动机(6)之间通过信号线连接，将发动机(6)的各个状态量如氧传感器(12)、电子节气门传感器(16)、点火装置(33)和凸轮传感器(42)的数值经控制器计算后送入燃料喷射阀(4)，以决定燃料喷射阀(4)输入的燃料量；
电源正极(10)、电源负极(11)经导线与系统电源模块(22)相连；宽域氧传感器(12)、进气温度传感器(13)、进气压力传感器(14)、冷却液温度传感器(15)、电子节气门位置传感器(16)、增压压力传感器(17)、电池电压检测(24)、传感器电源检测(25)硬件与模拟信号输入接口(23)相连；
相位传感器(18)、备用频率信号装置(19)与频率信号输入接口(26)相连；
点火开关(20)、机组控制开关(21)与辅助开关控制信号接口(27)相连；
点火驱动装置(32)与6路高能点火(33)相连；PWM输出接口(31)与电子混合器(34)、电子节气门(35)、氧传感器加热装置(36)相连；
逻辑输出接口(30)与仪表盘显示装置(37)、继电器控制装置(38)和故障指示灯(39)相连；通讯电路(28)与CAN1接口、CAN2接口相连；
32位的处理器(29)用于完成状态量的计算。
可选的，所述实验台架适用的气源为天然气、油田伴生气、沼气、瓦斯气以及垃圾填埋气，气源的压力在3～15kPa。
本发明的有益效果在于：具有环保的优点外，还具有起动及运行可靠、电压及频率的精度高、体积小、重量轻、维护简单和噪音小等优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为发明的原理示意图；
图2为系统的硬件系统的连接图；
图3为发电机的状态转换图；
图4为动力系统扭矩结构图。
图中，1为管道气；2为调压器；3为过滤器；4为燃料喷射阀；5为发电机控制器；6为发动机；7为增压器；8为混合器；9为过滤后的新鲜空气；10为电源正极；11为电源负极；12为宽域氧传感器；13为进气温度传感器；14为进气压力传感器；15为冷却液温度传感器；16为电子节气门位置传感器；17为增压压力传感器；18为相位传感器；19为备用频率信号；20为点火开关；21为机组控制开关；22为系统电源管理模块；23为模拟信号输入接口；24为电池电压检测接口；25为传感器电源检测接口；26频率信号输入接口；27为辅助开关控制信号输入接口；28为通讯电路；29为32位处理器；30为逻辑值输出接口；31为PWM输出接口；32为点火驱动装置；33为6路点火装置；34为电子混合器；35为电子节气门；36为氧传感器加热装置；37为仪表输出装置；38为继电器控制装置；39为故障指示灯；40为CAN1输出接口；41为CAN2输出接口；42为凸轮传感器；43为发电机。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明的目的是提供一种燃气内燃发电实验台架，主要包括软件和硬件。软件主要是基于燃料和空气量的控制算法，固化在发电机控制器5)中，硬件主要包括管道气1、调压器2、过滤器3、燃料喷射阀4、发电机控制器5、发动机6、增压器7、混合器8、过滤后的新鲜空气9、电源正极10、电源负极11、宽域氧传感器12、进气温度传感器13、进气压力传感器14、冷却液温度传感器15、电子节气门位置传感器16、增压压力传感器17、相位传感器18、备用频率信号19、点火开关20、机组控制开关21、系统电源管理模块22、模拟信号输入接口23、电池电压检测接口24、传感器电源检测接口25、频率信号输入接口26、辅助开关控制信号输入接口27、通讯电路28、32位处理器29、逻辑值输出接口30、PWM输出接口31、点火驱动装置32、6路点火装置33、电子混合器34、电子节气门35、氧传感器加热装置36、仪表输出装置37、继电器控制装置38、故障指示灯39、CAN1输出接口40、CAN2输出接口41，凸轮传感器42和发电机43等。硬件的连接分为两种，一种是通过信号线连接，采集相关传感器的数值以供控制器进行决策；另外一种连接就是机械连接，为燃料与空气的混合、加压与燃烧等工序提供必要的环境，最终实现燃气化学能转为干净的电能。
图1是本发明的一个实施例。管道气1与调压器2、过滤器3、燃料喷射阀4进入混合器8与新鲜空气9混合，混合后再进入增压器7与发动机6排出的废气混合并加压，再经过管道进入发动机6的进气道，并在发动机6内完成压缩、做功和排放。发电机43与发动机6之间为机械连接，发动机6的转动带动发电机43的工作；发电机控制器5和燃料喷射阀4和发动机6之间通过信号线连接，将发动机6的各个状态量如氧传感器12、电子节气门传感器16、点火装置33和凸轮传感器42的数值经控制器计算后送入燃料喷射阀4，以决定燃料喷射阀4输入的燃料量。本实验台架核心的技术是通过精确的控制提高燃气内燃机的发电效率，同时需要改善发电机输出的电压和频率波动，因此如何快速的改变燃料和空气量是本台架实现不确定工况下稳健工作的关键。
图2是本发明硬件系统的连接图。电源正极10、电源负极11经导线与系统电源模块22相连；宽域氧传感器12、进气温度传感器13、进气压力传感器14、冷却液温度传感器15、电子节气门位置传感器16、增压压力传感器17、电池电压检测24、传感器电源检测25等硬件与模拟信号输入接口23相连；相位传感器18、备用频率信号装置19与频率信号输入接口26相连；点火开关20、机组控制开关21与辅助开关控制信号接口27相连；点火驱动装置32与6路高能点火33相连；PWM输出接口31与电子混合器34、电子节气门35、氧传感器加热装置36相连；逻辑输出接口30与仪表盘显示装置37、继电器控制装置38和故障指示灯39相连；通讯电路28与CAN1接口、CAN2接口相连。此外，在硬件系统里面还设有一个32位的处理器29，主要功能就是快速完成状态量的计算。在整个硬件系统里面，发电机控制器5是整个系统的“大脑”，也是本发明要突破的核心和关键。
图3是发电机43的状态转换图。发电机43的工作状态主要有停机、起动、怠速和恒速发电模式，主要依靠发动机6的转速信号和机组控制21的指令。在任何状态下，如果没有发动机6的转速信号则发电机43直接停机。在通常状态下，发动机6不能从倒拖断油模式直接进行调速，而只能是进入倒拖工况或者部分负荷工况，再进行调速。
图4是动力系统扭矩结构图。发动机的扭矩损失主要包括四个方面，基本的摩擦和泵气损失、附件扭矩损失、水温影响燃烧扭矩的损失、起动阶段扭矩损失。发动机总的扭矩损失必须小于扭矩损失限值。离合器的最小请求扭矩需要考虑克服扭矩损失保持调速正常运行，发动机6非增压时离合器的最大指示扭矩等于最大进气量对应的扭矩；发动机6增压时离合器的最大指示扭矩存在两种情况，最大进气量对应扭矩与增压系统考虑安全因素限制最大扭矩，取二者间较小者。离合器请求扭矩是反映驾驶员意图的参数，是油门开度、发动机转速与车速共同作用的结果。发动机6输出的扭矩主要受加速踏板和发动机6的转速影响，根据进气温度传感器13、进气压力传感器14的状态量反馈至当前的最大进气量，则得到实验台架离合器处的最大扭矩；而离合器的最小扭矩是指发动机6的输出扭矩减去扭矩损失实现发电机运转的最小数值。为实现系统安全起见，在扭矩的协调管理机制中设有扭矩安全请求和扭矩保留值计算两个功能，分别接收变速器扭矩限制和功率扭矩限制信号；离合器请求指示扭矩受离合器输出扭矩、当前的计算扭矩的影响，也需要考虑迟滞和瞬态修正等。此外，扭矩的设定还需要考虑起动扭矩、估计扭矩、牵引力等因素，能够根据算法的设计分别输出快速扭矩和慢速扭矩，通过对发动机6的控制最终实现对发电机43的精准控制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种燃气内燃发电实验台架，其特征在于：包括管道气(1)、调压器(2)、过滤器(3)、燃料喷射阀(4)、发电机控制器(5)、发动机(6)、增压器(7)、混合器(8)、过滤后的新鲜空气(9)、电源正极(10)、电源负极(11)、宽域氧传感器(12)、进气温度传感器(13)、进气压力传感器(14)、冷却液温度传感器(15)、电子节气门位置传感器(16)、增压压力传感器(17)、相位传感器(18)、备用频率信号(19)、点火开关(20)、机组控制开关(21)、系统电源管理模块(22)、模拟信号输入接口(23)、电池电压检测接口(24)、传感器电源检测接口(25)、频率信号输入接口(26)、辅助开关控制信号输入接口(27)、通讯电路(28)、32位处理器(29)、逻辑值输出接口(30)、PWM输出接口(31)、点火驱动装置(32)、6路点火装置(33)、电子混合器(34)、电子节气门(35)、氧传感器加热装置(36)、仪表输出装置(37)、继电器控制装置(38)、故障指示灯(39)、CAN1输出接口(40)、CAN2输出接口(41)，凸轮传感器(42)和发电机(43)；
管道气(1)与调压器(2)、过滤器(3)、燃料喷射阀(4)进入混合器(8)与新鲜空气(9)混合，混合后再进入增压器(7)与发动机(6)排出的废气混合并加压，再经过管道进入发动机(6)的进气道，并在发动机(6)内完成压缩、做功和排放；
发电机(43)与发动机(6)之间为机械连接，发动机(6)的转动带动发电机(43)的工作；发电机控制器(5)和燃料喷射阀(4)和发动机(6)之间通过信号线连接，将发动机(6)的各个状态量如氧传感器(12)、电子节气门传感器(16)、点火装置(33)和凸轮传感器(42)的数值经控制器计算后送入燃料喷射阀(4)，以决定燃料喷射阀(4)输入的燃料量；
电源正极(10)、电源负极(11)经导线与系统电源模块(22)相连；宽域氧传感器(12)、进气温度传感器(13)、进气压力传感器(14)、冷却液温度传感器(15)、电子节气门位置传感器(16)、增压压力传感器(17)、电池电压检测(24)、传感器电源检测(25)硬件与模拟信号输入接口(23)相连；
相位传感器(18)、备用频率信号装置(19)与频率信号输入接口(26)相连；
点火开关(20)、机组控制开关(21)与辅助开关控制信号接口(27)相连；
点火驱动装置(32)与6路高能点火(33)相连；PWM输出接口(31)与电子混合器(34)、电子节气门(35)、氧传感器加热装置(36)相连；
逻辑输出接口(30)与仪表盘显示装置(37)、继电器控制装置(38)和故障指示灯(39)相连；通讯电路(28)与CAN1接口、CAN2接口相连；
32位的处理器(29)用于完成状态量的计算。
2.根据权利要求1所述的一种燃气内燃发电实验台架，其特征在于：所述实验台架适用的气源为天然气、油田伴生气、沼气、瓦斯气以及垃圾填埋气，气源的压力在3～15kPa。
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