唐鋒

摘 要：控制系統(tǒng)作為燃?xì)鈾C(jī)組的重要組成部分，在保證機(jī)組性能方面起著不可替代的作用。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了1種適用于GPL1108GA機(jī)組的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括1個(gè)主監(jiān)控回路、1個(gè)空燃比控制回路、1個(gè)調(diào)速器控制回路和1個(gè)點(diǎn)火控制回路。它的研制大大提升了燃?xì)鈾C(jī)組的性能。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾C(jī)組；控制系統(tǒng)；試驗(yàn)設(shè)備；監(jiān)控回路

中圖分類號(hào)：U464.174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.007

目前，我國(guó)火力發(fā)電在發(fā)電行業(yè)中占有較大比例，這種發(fā)電方式不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)消耗大量不可再生的煤炭等資源。因此，開(kāi)發(fā)新的清潔燃料是電力行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。燃?xì)鈾C(jī)組是使用天然氣、瓦斯、沼氣和生物質(zhì)氣（本文以天然氣為燃料進(jìn)行試驗(yàn)分析）等清潔燃料發(fā)電的，它不僅能輸出電能，還減少了有害物質(zhì)的排放，這對(duì)國(guó)家分布式能源戰(zhàn)略的實(shí)施有非常重要的意義。本文以GPL1108GA型燃?xì)鈾C(jī)組的控制系統(tǒng)為例進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)和分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1臺(tái)6缸的GPL1108GA系列燃?xì)鈾C(jī)組（設(shè)計(jì)目標(biāo)是額定功率為700 kW）；燃?xì)饬髁坑?jì)，用于測(cè)量各個(gè)工況段的燃?xì)庀穆?；干電阻?fù)載，用于測(cè)試機(jī)組功率；外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，用于冷卻機(jī)組內(nèi)部的循環(huán)水；壓縮空氣系統(tǒng)，用于盤車和吹動(dòng)起動(dòng)馬達(dá)，為機(jī)組提供起動(dòng)轉(zhuǎn)速；爆震測(cè)試儀，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中是否有爆震的情況發(fā)生。

2 主監(jiān)控回路

監(jiān)控回路是由主控制板、傳感器、互感器、電磁閥和相關(guān)控制線束等構(gòu)成的。

在選擇重要的采集點(diǎn)時(shí)，工作人員主要考慮以下幾方面的內(nèi)容：①滑油壓力傳感器?；妥鳛闄C(jī)組運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑劑，它直接影響著運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全有較大的影響。②高溫水出機(jī)溫度。水冷卻機(jī)組后，水溫體現(xiàn)出了機(jī)組的整個(gè)冷卻效果。③滑油溫度?；蜏囟戎苯臃从沉嘶蜐?rùn)滑效果，溫度太低，表明滑油黏度大，不利于其流動(dòng)，最后導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)潤(rùn)滑不足；溫度太高，滑油容易氧化，縮短機(jī)組的使用壽命。④各缸排氣溫度。針對(duì)各缸的燃燒情況，如果排溫不均，就表明點(diǎn)火系統(tǒng)或進(jìn)氣系統(tǒng)有異常。⑤總管溫度。根據(jù)總管溫度可以判斷出機(jī)組的后燃情況。⑥燃?xì)鈾C(jī)轉(zhuǎn)速。它能夠直接體現(xiàn)出機(jī)組的頻率值，在機(jī)組超速運(yùn)行時(shí)能夠給控制器傳遞信號(hào)。⑦三相電壓。它直接體現(xiàn)了發(fā)出的三相電壓是否正常。⑧三相電流。它對(duì)負(fù)荷情況的有重要的提示。⑨起機(jī)電磁閥。它用于控制壓縮空氣的通斷，進(jìn)而吹動(dòng)啟動(dòng)馬達(dá)。⑩燃?xì)怆姶砰y。它用于切斷或打開(kāi)燃?xì)馔?，同時(shí)，也參與了機(jī)組的正常停機(jī)命令?！?1急停開(kāi)關(guān)。在緊急情況下，它可以切斷混合氣和點(diǎn)火電源實(shí)現(xiàn)快停。

其他的采集點(diǎn)即為選配，可以根據(jù)特定需求合理地配制。針對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組的控制特點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主控制板（IG-NT）進(jìn)行編程，再采集相關(guān)的模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)，由內(nèi)部的編程識(shí)別發(fā)出合適的控制輸出和顯示。其運(yùn)行原理如圖1所示。主監(jiān)控回路不僅滿足了對(duì)機(jī)組重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)作用，還對(duì)機(jī)組自身和操作人員的安全起到了很好的保護(hù)作用。

圖1 主控制板的運(yùn)行原理

以滑油壓力安保設(shè)計(jì)為例，圖2是滑油壓力監(jiān)控的一個(gè)編程圖。當(dāng)機(jī)組在額速（1 000 r/min）的情況下工作，滑油壓力低于3.5 bar時(shí)，控制板將發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)滑油壓力低于3 bar時(shí)，機(jī)組將保護(hù)性停機(jī)。如果在怠速（500 r/min）的情況下工作，滑油壓力低于1.5 bar時(shí)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，主監(jiān)控回路的各個(gè)監(jiān)控和安保功能都能正常實(shí)現(xiàn)。

3 空燃比控制回路

空燃比回路作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，它試驗(yàn)的結(jié)果直接決定了機(jī)組的性能。其工作原理如圖3所示。采集轉(zhuǎn)速和混合氣的溫度壓力，以及燃燒后的氧濃度和當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度、燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力（這2個(gè)參數(shù)通過(guò)空燃比控制器內(nèi)部的傳感器獲得）來(lái)控制燃?xì)獾淖罱K進(jìn)氣量，從而達(dá)到最佳的空氣與燃?xì)獗?。其中，回路最重要?個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)值就是充氣效率值和空燃比值。

充氣效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的影響，它太大，可能會(huì)引起后燃，使排溫升高，發(fā)生爆震；充氣效率太小，則會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火不好或者功率拉不上去，最終影響供電。而空燃比值太小會(huì)使排溫升高，太大則會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火困難。經(jīng)過(guò)上百次的負(fù)荷試驗(yàn)，不斷調(diào)試參數(shù)得出了合適的充氣效率數(shù)據(jù)。在不同的

轉(zhuǎn)速和增壓壓力的影響下，摸索出了GP1108GA型機(jī)組在各個(gè)工況下最合適的充氣效率值和空燃比值。最終的充氣效率值如表1所示，Y軸是轉(zhuǎn)速（r/min），X軸是增壓壓力（bar）。最終空燃比設(shè)定值如表2所示，Y軸是轉(zhuǎn)速（r/min），X軸是增壓壓力（bar）。

空燃比值調(diào)試好后，我們可以采用功率比環(huán)代替氧傳感器的輸入。由于空燃比控制器能夠使用4～20 mA的功率信號(hào)來(lái)控制，所以，接入1個(gè)4～20 mA的功率信號(hào)，再將原來(lái)X軸的增壓壓力改為對(duì)應(yīng)為燃?xì)馊紵睦碚摴β剩╧W）輸入控制器即可。試驗(yàn)證明，用其替代氧傳感器能達(dá)到同樣的控制效果。

4 調(diào)速器控制回路

調(diào)速器控制回路的控制原理如圖4所示。利用采集機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，將信號(hào)輸入調(diào)速模塊后，通過(guò)調(diào)速模塊內(nèi)部處理來(lái)控制執(zhí)行器的開(kāi)度，即通過(guò)控制混合氣的進(jìn)氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的控制。外部也可以通過(guò)人為的手動(dòng)輸入開(kāi)關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速升降的目的。

圖4 調(diào)速器控制回路控制原理

由于執(zhí)行器的拉桿擺動(dòng)速度會(huì)直接影響轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，所以，特引入了PID來(lái)對(duì)其修正控制，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)擺動(dòng)。通過(guò)調(diào)整PID來(lái)修正對(duì)執(zhí)行器的控制，使機(jī)組在各個(gè)工況下的轉(zhuǎn)速保持平穩(wěn)。通過(guò)研究電動(dòng)執(zhí)行器的開(kāi)度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可得最終的PID基準(zhǔn)參數(shù)，即Gain（P）：16.3，integration（I）：15，derivative（D）：5.

各轉(zhuǎn)速階段得到的的PID修正值如表3所示。Y軸為轉(zhuǎn)速，X軸為執(zhí)行器百分比開(kāi)度。

5 點(diǎn)火控制回路

點(diǎn)火控制回路的工作原理如圖5所示。

圖5 點(diǎn)火控制回路的工作原理

在最初做試驗(yàn)時(shí)，采用的是傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式。從圖5中可以看出，相位傳感器采集到的信號(hào)輸入給點(diǎn)火控制器，進(jìn)而確定曲軸旋轉(zhuǎn)的位置，然后通過(guò)控制器的內(nèi)部判斷和分析向高壓線圈發(fā)出點(diǎn)火指令，最終由火花塞點(diǎn)火。這種方式是現(xiàn)在比較常用的點(diǎn)火方式，但是，它的能量和點(diǎn)火提前角是固定的。由于GP1108GA型燃?xì)鈾C(jī)缸徑大，火焰?zhèn)鞑r(shí)間長(zhǎng)，如果點(diǎn)火能量小，形成的火核就小，燃燒室邊緣地帶不易燃燒到或者燃燒不好，這樣，未燃燒到的混合氣容易在排氣管中出現(xiàn)后燃或者“放炮”的情況，所以，這些制約條件的存在對(duì)相關(guān)技術(shù)人員對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

當(dāng)環(huán)境溫度低于25 ℃時(shí)，用傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式進(jìn)行冷起機(jī)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)上千次的起機(jī)試驗(yàn)，起機(jī)成功率為0.1（10次基本能成功一次）。后期，在試驗(yàn)過(guò)程中，采用了國(guó)際先進(jìn)的點(diǎn)火技術(shù)（MT點(diǎn)火控制技術(shù)），即增加了點(diǎn)火正時(shí)的變化控制和點(diǎn)火能量的變化控制功能。在調(diào)試時(shí)，通過(guò)設(shè)置不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的不同的點(diǎn)火提前角和能量來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)目的。經(jīng)過(guò)多次的點(diǎn)火試驗(yàn)得到了圖6和圖7所示的總結(jié)參數(shù)。試驗(yàn)證明，重新設(shè)計(jì)后，冷起機(jī)成功率提高到了0.5，速度較高時(shí)能夠自動(dòng)降低能量，也延長(zhǎng)了火花塞的使用壽命。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上各回路的多次試驗(yàn)，控制系統(tǒng)達(dá)到了機(jī)組額定功率700 kW的設(shè)計(jì)要求，并且在各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)定型后未發(fā)生爆震。機(jī)組額定功率為700 kW時(shí)的燃?xì)庀臑?10 Nm?/h，即使按照商用天然氣的價(jià)格來(lái)算，它比柴油發(fā)電的成本要低60%～80%，更不用說(shuō)在一些零成本燃料費(fèi)的地區(qū)（富含瓦斯氣體的煤礦、有沼氣池的大型加工廠、有石油伴生氣的油田等）。綜上所述，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。目前，配制有該控制系統(tǒng)的燃?xì)鈾C(jī)組已經(jīng)投入到了沼氣電站的使用中，以后有望在燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域推廣。

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〔編輯：白潔〕