周 克，王 霄，胡周達(dá)，王 坤

(1.茅臺(tái)學(xué)院釀酒工程自動(dòng)化系，貴州遵義 564507；2. 貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550004；3. 粵電集團(tuán)貴州有限公司，貴州貴陽(yáng) 550028)

1 引言

瓦斯發(fā)電系統(tǒng)是集氣體-熱力-機(jī)械-電氣為一體的設(shè)備整體，利用煤礦的廢棄瓦斯進(jìn)行發(fā)電，不但可以變廢為寶，滿足煤礦的部分用電要求，還可以減少溫室氣體的排放，提升煤礦井下的安全系數(shù)。

瓦斯發(fā)電作為一項(xiàng)快速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)具備了較為成熟的技術(shù)積累和應(yīng)用案例，已被很多大型煤礦安裝使用，用以幫助煤礦達(dá)到“以抽保用，以用促抽”的生產(chǎn)目標(biāo)。針對(duì)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的研究，很多文獻(xiàn)多從如何提升效率出發(fā)，針對(duì)不同的外界條件對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的效率影響進(jìn)行研究[1，2]；而針對(duì)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的研究多從模擬整個(gè)系統(tǒng)著手或從某一具體發(fā)電環(huán)節(jié)進(jìn)行研究[3-6]，這些研究為人們研究瓦斯發(fā)電系統(tǒng)奠定了重要基礎(chǔ)。隨著瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的普及，針對(duì)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)故障的研究逐漸被關(guān)注[7，8]，這些研究主要從工程實(shí)踐角度，對(duì)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行分析，并給出指導(dǎo)性防范意見(jiàn)，屬于事后處理的手段。有鑒于此，文章通過(guò)對(duì)已有研究文獻(xiàn)的梳理，針對(duì)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中易出故障部分-發(fā)動(dòng)機(jī)部分進(jìn)行了研究，從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理出發(fā)，搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)核心工作單元的數(shù)學(xué)模型，并混合使用Simulink和Stateflow工具箱，搭建了仿真模型，實(shí)現(xiàn)了瓦斯發(fā)電系統(tǒng)常見(jiàn)故障的仿真。

2 工作原理及數(shù)學(xué)建模

真空泵將瓦斯從井下抽采出后，即進(jìn)入裝有加壓泵的瓦斯泵房對(duì)抽出的瓦斯進(jìn)行加壓，以便于遠(yuǎn)距離傳輸，經(jīng)過(guò)加壓后的瓦斯由專(zhuān)用瓦斯輸送管道進(jìn)行輸送，由于瓦斯被壓縮，其溫度較高，故加壓后的瓦斯在進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組之前，需要利用預(yù)冷機(jī)組對(duì)其進(jìn)行降溫處理，然后才能滿足瓦斯內(nèi)燃機(jī)的需求。發(fā)電機(jī)組在吸入加壓瓦斯同時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)瓦斯的濃度調(diào)整空氣的進(jìn)氣量，以確保瓦斯和空氣達(dá)到最佳的燃燒混合比，最大化的提升瓦斯燃燒效率。經(jīng)混合后可燃?xì)怏w瓦斯通過(guò)進(jìn)氣歧管送至燃燒氣缸內(nèi)進(jìn)行燃燒，燃燒時(shí)產(chǎn)生的壓力推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞再推動(dòng)曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲軸與發(fā)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接，曲軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)變壓器后，輸送給用電設(shè)備，至此完成整個(gè)發(fā)電流程，該流程是一個(gè)涉及化學(xué)能、機(jī)械能以及電能轉(zhuǎn)化的復(fù)雜過(guò)程。

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作原理，瓦斯發(fā)電機(jī)的輸出功率與內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)可燃?xì)怏w的空氣質(zhì)量流率、歧管的熱力學(xué)參數(shù)、可燃混合氣體濃度以及外界負(fù)荷等因素都有著密切的聯(lián)系，這些因素的關(guān)聯(lián)性可由下述公式描述：

(1)

(2)

(3)

節(jié)氣門(mén)處的有效截面積由節(jié)氣門(mén)角度決定，該角度根據(jù)外界的負(fù)荷變化和可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為了簡(jiǎn)化Athreff分析，在建模時(shí)，采用四次多項(xiàng)式(4)來(lái)近似描述有效流通截面積與節(jié)氣門(mén)角度之間的關(guān)系[10]，公式中的系數(shù)項(xiàng)可由出廠時(shí)的測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

(4)

其中：αthr—為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度(%)。

(5)

Φc=βn0+βn1n+βn2n2+βp1(pm-p0)

(6)

由上式可見(jiàn)對(duì)于任意給定的轉(zhuǎn)速n，充量系數(shù)與歧管絕對(duì)壓力成正比；對(duì)于給定的歧管絕對(duì)壓力，充量系數(shù)依賴(lài)于轉(zhuǎn)速的平方。式中的系數(shù)可以利用穩(wěn)態(tài)工況中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法獲得。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可由下式計(jì)算得到

(7)

其中：CT為發(fā)動(dòng)機(jī)常數(shù)；AFR(φa，Pm，n)—空燃比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響；SPI(δ，Ttq，n)—點(diǎn)火角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響；在本文的后續(xù)仿真參數(shù)設(shè)置中，上述兩個(gè)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[12]給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出；φa—充氣的過(guò)量空氣系數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩可以由下式計(jì)算得到

Ttq=Ttqcomp-Ttqpump-Ttqfric

(8)

其中，Ttqpump是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程需求的轉(zhuǎn)矩；Ttqfric為發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦阻力矩，以上二者可以通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)出廠時(shí)的技術(shù)參數(shù)獲得。

3 仿真模型搭建

通過(guò)對(duì)上述公式的分析，以及結(jié)合實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程，系統(tǒng)的仿真過(guò)程如下：首先空氣經(jīng)過(guò)空氣濾清器進(jìn)入混合器，燃?xì)夂涂諝饨?jīng)混合器混合后，再通過(guò)調(diào)速節(jié)氣門(mén)(對(duì)應(yīng)仿真模型的：Throttle)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管(對(duì)應(yīng)仿真模型的：MAP)。調(diào)速節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)來(lái)控制，當(dāng)速度指令需求改變后，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過(guò)某種控制策略計(jì)算出調(diào)速節(jié)氣門(mén)的目標(biāo)開(kāi)度，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)速度達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)仿真模型的：SPEED)。混合氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管后會(huì)分散開(kāi)來(lái)進(jìn)入每個(gè)氣缸，點(diǎn)火系統(tǒng)通過(guò)凸輪軸和曲軸位置信號(hào)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前所處的角度信息，從而控制點(diǎn)火線圈的充放電時(shí)刻，使得每個(gè)氣缸在正確的時(shí)間點(diǎn)火?；旌蠚庠跉飧變?nèi)燃燒完成后，在排氣沖程通過(guò)排氣門(mén)將廢氣排入排氣管，再通過(guò)三元催化器將廢氣中的 CO、HC、NOX 等有害氣體通過(guò)氧化-還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和氮?dú)獾葻o(wú)害氣體排入大氣中。排氣管上裝有氧傳感器(對(duì)應(yīng)仿真模型的：EGO)，可以測(cè)量空燃比值反饋給空燃比控制系統(tǒng)，空燃比控制系統(tǒng)通過(guò)某種控制策略調(diào)節(jié)燃料節(jié)氣門(mén)開(kāi)度使得混合氣空燃比達(dá)到目標(biāo)值，根據(jù)此流程搭建的仿真模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)故障模擬系統(tǒng)

燃油控制系統(tǒng)作為整個(gè)仿真模塊的核心，其工作流程的設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到整個(gè)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。在本文的仿真模型中，燃油控制系統(tǒng)分別由控制邏輯單元、空氣流量控制單元以及燃油控制單元按著一定的控制邏輯共同完成。

圖2 燃油控制系統(tǒng)

控制邏輯單元由一組六個(gè)并行狀態(tài)組成的單個(gè)狀態(tài)流圖完整地實(shí)現(xiàn)了控制邏輯。圖3頂部顯示的四個(gè)并行狀態(tài)對(duì)應(yīng)于四個(gè)單獨(dú)的傳感器，分別為空氣、壓力、速度以及節(jié)氣門(mén)的角度，通過(guò)這些傳感器實(shí)時(shí)采集外部的工作狀態(tài)，底部剩余的兩個(gè)并行狀態(tài)將同時(shí)監(jiān)控四個(gè)傳感器的狀態(tài)，根據(jù)傳感器的狀態(tài)以及預(yù)設(shè)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件確定整個(gè)系統(tǒng)的工作模式。在運(yùn)行過(guò)程中，該模型以0.01秒的定期采樣時(shí)間間隔同步調(diào)用整個(gè)狀態(tài)流圖，以便該控制模塊可以及時(shí)跟蹤外部工作狀態(tài)的變化，及時(shí)調(diào)整到最佳的工作模式。

圖3 控制邏輯單元

發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量是一個(gè)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、歧管壓力以及節(jié)氣門(mén)角度、燃燒倉(cāng)體積、溫度都相關(guān)的一個(gè)時(shí)變物理量。在仿真中，為了實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的快速計(jì)算，可事先根據(jù)式(5)計(jì)算出各種工作狀態(tài)的空氣流量值(圖4中的Pumping constant模塊)，然后采用查找表的方法進(jìn)行快速計(jì)算，然后乘以速度和壓力以形成初始流量估算值。在瞬態(tài)過(guò)程中，節(jié)氣門(mén)率(由高通濾波器估算出的導(dǎo)數(shù))會(huì)校正空氣流以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)參數(shù)的補(bǔ)償。

圖4 空氣流量控制單元

燃燒控制系統(tǒng)的模型搭建如圖5所示，該模型的搭建主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的物理工作特性，動(dòng)態(tài)調(diào)整空氣-燃料比，以確保燃料的充分燃燒，其數(shù)學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)將空氣質(zhì)量流量(從進(jìn)氣歧管泵出)除以燃料質(zhì)量流量(在閥門(mén)處注入)。理想的(即化學(xué)計(jì)量的)混合比例為空燃比為[12]14.6。通常，傳感器決定廢氣中殘余氧傳感器 (EGO)的數(shù)值可以用來(lái)指示燃燒的效果，為閉環(huán)控制提供了一個(gè)反饋測(cè)量。

圖5 燃燒控制單元

在正常運(yùn)行情況下，該模型估算氣流速度，并將估算結(jié)果乘以期望比率的倒數(shù)，從而得到燃料速度。從氧傳感器反饋提供了一個(gè)閉環(huán)調(diào)整率估計(jì)，以保持理想的混合比例。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證模型的有效性，選取了勝動(dòng)集團(tuán)生產(chǎn)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組12V190機(jī)型作為仿真對(duì)象，該機(jī)型由于以其良好的性價(jià)比和發(fā)電性能，被大量發(fā)電集團(tuán)選用。該機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)部分使用了1FC6發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)有：活塞行程210mm，熱耗率11.5MJ/kWh；活塞平均速度7 m/s；空氣密度取1.223kg/m3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取0.089kg·m2，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如圖6的MAP所示。在本文的仿真中，首先由搭建的仿真模型仿真出不同節(jié)氣門(mén)張開(kāi)度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能，并將該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與MAP圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證仿真模型參數(shù)選取的正確性，在完成該階段的校驗(yàn)后，通過(guò)預(yù)設(shè)的傳感器故障，模擬各種故障條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)MAP曲線圖

圖7，8為不同節(jié)氣門(mén)張開(kāi)角度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系，仿真時(shí)，節(jié)氣門(mén)的角度范圍從10度到18度的范圍進(jìn)行變化，隨著節(jié)氣門(mén)張開(kāi)角度的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在1000/min轉(zhuǎn)至2000轉(zhuǎn)/min、轉(zhuǎn)矩在65/ft-lb到315/ft-lb的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，其變化規(guī)律與MAP圖中的變化規(guī)律相一致。

圖7 節(jié)氣門(mén)與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖8 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

圖9為節(jié)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化特點(diǎn)，從圖中可以看出，當(dāng)節(jié)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，轉(zhuǎn)速也發(fā)生了相應(yīng)的變化，此變化為非線性變化，并且在響應(yīng)時(shí)間上有1.4s的時(shí)間滯后，該變化的原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性造成，通過(guò)多次仿真得知，對(duì)于不同的最高轉(zhuǎn)速，本文搭建的仿真模型的最大響應(yīng)滯后時(shí)間可控制在2.3s以內(nèi)。

圖9 節(jié)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)

由文獻(xiàn)[13]可知，通過(guò)對(duì)某煤礦的發(fā)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)占比可知，機(jī)組故障率占比接近70%，在這70%的故障中，進(jìn)氣系統(tǒng)占了多數(shù)，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的故障，導(dǎo)致 “爆機(jī)”頻發(fā)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的效率。在本文的仿真中，選取與故障關(guān)系密切的空燃比指標(biāo)作為監(jiān)控仿真對(duì)象，仿真了多種故障情況下的空燃比的變化過(guò)程。

由圖10可知，正常情況下，仿真模型可以按照預(yù)設(shè)的理想空燃比14.6運(yùn)行，空燃比運(yùn)行在14.54至14.8之間，基本在理想之間波動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外做功一切正常。

圖10 正常情況下的空燃比

圖11為進(jìn)氣歧管發(fā)生故障時(shí)，由于故障，導(dǎo)致瓦斯氣體不能正常進(jìn)入壓縮氣缸，此時(shí)空燃比發(fā)生劇烈波動(dòng)，達(dá)到正常值的10倍以上，此時(shí)，壓縮氣缸由于缺少可燃?xì)怏w，導(dǎo)致“爆機(jī)”故障發(fā)生，在控制器的控制下，發(fā)電機(jī)組被執(zhí)行停機(jī)操作。

圖11 進(jìn)氣歧管故障

從圖12是節(jié)氣門(mén)發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)由于節(jié)氣門(mén)不受控制器控制，導(dǎo)致空燃比在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持一定的恒定值，此時(shí)，控制器檢測(cè)到故障，立即減少瓦斯氣體的供給，以確保燃燒氣缸內(nèi)的可燃?xì)怏w壓力逐漸降低，直至停機(jī)。

圖12 氣門(mén)故障

5 結(jié)論

文章針對(duì)瓦斯發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力傳遞過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并在在此基礎(chǔ)上基于Simulink和Stateflow 工具箱搭建了仿真模型。仿真模型選取了勝動(dòng)集團(tuán)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組12V190作為模擬研究對(duì)象，利用發(fā)動(dòng)機(jī)提供的MAP圖，首先通過(guò)對(duì)MAP圖的量化為數(shù)據(jù)表格，形成控制邏輯依據(jù)。仿真過(guò)程中，通過(guò)調(diào)用表格中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的變化，該方法避免了復(fù)雜的解析式的求解，可以簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的改變，模型仿真結(jié)果表明，文章建立的模型可以較好模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)瓦斯的三種典型故障進(jìn)行了模擬仿真，仿真過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)空燃比的變化，得出不同故障情況下，空燃比的變化范圍和時(shí)間曲線，該結(jié)果可為今后瓦斯電站的故障診斷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。