宋泉訓(xùn) 李奇 陳洪剛 孫福建

摘要：沼氣發(fā)電機(jī)組配套使用文丘里混合器，用戶對(duì)沼氣發(fā)電機(jī)組性能及自動(dòng)化控制程度提出要求，設(shè)計(jì)了基于分段線性化算法的文丘里混合器控制系統(tǒng)。本文主要介紹了該自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、分段線性化控制方法和驗(yàn)證試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：基于分段線性化算法的控制系統(tǒng)滿足沼氣發(fā)電機(jī)組文丘里混合器的使用要求，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組功率響應(yīng)迅速，且控制系統(tǒng)構(gòu)造不繁瑣，能夠很好的提高沼氣發(fā)電機(jī)組的效率和性能。

關(guān)鍵詞：沼氣;分段線性化算法;文丘里;混合器;控制系統(tǒng)

引言

隨著政策環(huán)境的日益完善以及能源價(jià)格的市場(chǎng)化改革，我國(guó)沼氣分布式能源市場(chǎng)迎來重要機(jī)遇。與此同時(shí)，用戶對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化要求越來越高，沼氣發(fā)電機(jī)組性能及自動(dòng)化控制程度已直接影響到產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于配套文丘里混合器的預(yù)混燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組而言，設(shè)計(jì)一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性好的混合器控制系統(tǒng)，保證機(jī)組能夠在不同工況下性能穩(wěn)定，且能夠滿足大功率機(jī)組需求，無(wú)論是在實(shí)現(xiàn)機(jī)組全自動(dòng)化控制還是孤網(wǎng)運(yùn)行來說，都已迫在眉睫。

基于分段線性化的算法，設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)空氣、燃?xì)獾幕旌弦约翱杖急葘?shí)時(shí)調(diào)整的自動(dòng)化電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制，提高機(jī)組性能和效率。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

圖1所示為基于分段線性化算法的控制系統(tǒng)構(gòu)造圖?？刂葡到y(tǒng)有PLC中央處理單元（SMART 200）、模擬量模塊（EM AM06）、觸摸屏（1000IE）、蝶閥控制器（TOP4221）、電子調(diào)速器（TOP1302）。

（1）處理器模塊：是控制蝶閥開度和調(diào)速器開度的核心控制器，通過調(diào)節(jié)閥體開度，實(shí)現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制和功率調(diào)節(jié)。

（2）模擬量模塊：通過4-20mA的電流信號(hào)控制調(diào)速器和蝶閥開度，并計(jì)算當(dāng)前閥體的實(shí)際開度。

（3）燃?xì)獾y控制器：控制伺服電機(jī)，調(diào)節(jié)燃?xì)獾y開度，實(shí)現(xiàn)燃?xì)膺M(jìn)氣量的調(diào)節(jié)。

（4）電子調(diào)速器：由控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器組成，控制混合后的燃?xì)饪傔M(jìn)氣量。

（5）觸摸屏：通過觸摸屏的人機(jī)界面可以手動(dòng)控制蝶閥開度，并實(shí)時(shí)顯示燃?xì)獾y和調(diào)速器的當(dāng)前開度。

2 控制方法設(shè)計(jì)

根據(jù)文丘里混合器的混合特性，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的功率與燃?xì)獾y的開度成一定的線性關(guān)系?；诜侄尉€性化的控制方法，就是通過手動(dòng)標(biāo)定蝶閥開度與機(jī)組功率對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法，然后在控制系統(tǒng)中設(shè)定指定功率對(duì)應(yīng)的蝶閥開度，實(shí)現(xiàn)不同功率段對(duì)應(yīng)蝶閥開度的控制，從而達(dá)到文丘里混合器進(jìn)氣系統(tǒng)自動(dòng)化控制的目的。

2.1手動(dòng)標(biāo)定

通過自復(fù)位開關(guān)S1手動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)獾y開度來控制空燃比，使8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在0kW～1000kW負(fù)荷之間穩(wěn)定運(yùn)行。每隔100kW對(duì)蝶閥開度進(jìn)行記錄和標(biāo)定，標(biāo)定完成后，保存數(shù)據(jù)，降負(fù)荷停機(jī)。標(biāo)定結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

2.2 分段線性化處理

根據(jù)手動(dòng)標(biāo)定所記錄的有效功率（kW）對(duì)應(yīng)的蝶閥開度（°）數(shù)據(jù)，形成分段線性曲線，曲線圖見圖2。

2.3自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)分段線性曲線，設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制程序。通過觸摸屏設(shè)定配套文丘里混合器的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組有功功率對(duì)應(yīng)的燃?xì)獾y開度值，控制系統(tǒng)將擬合一條趨于標(biāo)定曲線一致的蝶閥開度控制曲線，從而實(shí)現(xiàn)任意功率對(duì)應(yīng)蝶閥開度的控制。設(shè)定界面見圖3。

2.4自動(dòng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證

將機(jī)組切換為“自動(dòng)控制”模式，重新開機(jī)，按照負(fù)荷特性試驗(yàn)下負(fù)荷率進(jìn)行加載，自動(dòng)控制模式下，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著目標(biāo)功率的增加，控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地找到該工況所對(duì)應(yīng)的蝶閥開度且實(shí)現(xiàn)有功功率的快速響應(yīng)，機(jī)組各工況參數(shù)與標(biāo)定時(shí)基本一致。機(jī)組在自動(dòng)化控制模式下運(yùn)行穩(wěn)定。

3.結(jié)論

（1）基于分段線性化的文丘里混合器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）型增壓機(jī)組的使用要求。

（2）不同功率段對(duì)應(yīng)的蝶閥開度為可設(shè)定值，在氣源發(fā)生變化時(shí)，可以人為更改蝶閥設(shè)定開度，從而匹配新的線性特性。

（3）孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可能沒有逐漸增大的穩(wěn)定負(fù)載進(jìn)行標(biāo)定，可能無(wú)法達(dá)到精確控制。

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