自给型内燃机气体燃料供给系统及气包压力控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自给型内燃机气体燃料供给系统及气包压力控制方法，属于内燃机领域。
【背景技术】
[0002]与传统的石油燃料相比，液化天然气(LNG)具有低碳、高效、优质和清洁等特点，是内燃机的一种理想替代燃料。由于LNG在常压下是在_163°C低温环境下存储和运输，而在实际应用中预先汽化成气体燃料(NG)方可燃烧作功。可是，目前市场上加气站与加油站相比，无论是数量上还是区域分布上远没有后者完善，极大限制了 LNG在远程交通工具(船舶、城际客车和载重货车)上的使用。为了突破加气站少且分布不均的缺点，专家学者提出在远程交通工具上燃料以液态(I立方米LNG可转化为标况气态下600-625立方米NG)形式贮存，根据交通工具内燃机工况要求定量供给LNG进行汽化为整机供给NG，具有以LNG储存一定量汽化一 NG供给为特点的自给型气体燃料供给系统。
[0003]气包是气体燃料供给系统的重要设备，其作用为内燃机供给稳压NG，以满足形成均匀可燃混合气的要求。而气包压力是影响NG供给系统安全及内燃机性能(动力性和经济性)的一个重要参数，压力过高易发生NG泄漏甚至爆炸的危险，而压力过低则会影响可燃混合气品质导致内燃机性能下降。因此，气包压力是内燃机燃料供给系统中重要控制参数，而气包又是一个十分复杂的控制对象，受到NG流量、LNG供给流量和传热介质流量的影响，为保证提供稳定压力的NG以适应燃料供给系统和整机性能的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。
[0004]气包压力控制的任务是根据NG流量、气包压力来调节LNG供给量及其对应传热介质流量，使NG产量能满足NG流量和维持气包压力稳定的要求。所以，影响气包压力量的干扰量有NG流量和气包压力偏差量(给定压力和实际压力之差)。其中，NG流量又受内燃机工况变化，复杂的内燃机工况经常在怠速、小负荷、中等负荷和满负荷等间变化。因此，影响气包压力稳定的因素多且过程复杂。而调节气包压力稳定的参数有LNG供给流量和传热介质流量。
[0005]从以上叙述可以看出，气包压力这一被控对象具有大时滞、非线性和时变性等特点，会随时间和内燃机工况的变化而变化，大时滞更是自给型气体燃料供给系统气包压力控制系统的难题。因此，自给型气体燃料供给系统的气包压力这一大时滞系统的控制，成为重要的研究课题之一。
[0006]应用于气包压力控制的方法有经典控制、现代控制。其中，经典控制是以各种分立器件的应用为基础，利用各种传感器对被控参数实时进行检测并反馈给控制器，再根据有关控制算法完成相应运算并驱动执行机构完成相应动作，从而达到控制的目的。但是经典控制受分立器件性能影响大，系统内各子系统相互影响大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易发生故障，不利于系统长期安全、高效运行。而现代控制适合具有线性和精确数学模型的控制对象，而对于像气包压力这样的控制系统来说建立精确数学模型太难，因此并非理想选择。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自给型内燃机气体燃料供给系统及气包压力控制方法，以NG流量和气包压力偏差量为控制输入信号，通过采用模糊控制、Smith预估控制和人工免疫控制的综合运算，得到与当前状况相适应的LNG供给流量和传热介质流量，以此来调控LNG供给栗变频器和传热介质三通阀开度，使气包的压力对各种外界干扰具有鲁棒性。
[0008]技术方案:为实现上述目的，一种自给型内燃机气体燃料供给系统，包括LNG罐、LNG供给栗、LNG汽化器、NG压缩机、气包、NG喷射阀、传感器、控制器和执行机构，所述LNG罐与LNG汽化器之间的LNG输送段依次设有LNG过滤器、手动阀、前三通、前电磁阀、LNG供给栗、后电磁阀和后三通；LNG汽化器与NG喷射阀之间的气态天然气输送段依次设有NG压缩机、电控气阀、气包、单向阀及NG流量传感器；传热介质从内燃机冷却系统高温段的传热介质三通阀引出，流向LNG汽化器的管程，放热后流出，并返回冷却系统低温段，传热介质从内燃机冷却系统高温段的传热介质三通阀引出，流向LNG汽化器的管程，放热后流出，并返回冷却系统低温段，重新流进内燃机机内水套吸热；所述传感器包括检测液面高度的LNG液面传感器、LNG流量传感器、位于汽化器壳程内的壳程压力传感器、检测气包压力的气包压力传感器、NG流量传感器和检测内燃机冷却系统高温段温度的温度传感器，所述LNG流量传感器位于后三通与LNG汽化器之间的管道上，NG流量传感器位于单向阀与NG喷射阀之间的管道上；所述执行机构包括LNG供给栗和传热介质三通阀，LNG供给栗、传热介质三通阀、LNG液面传感器、LNG流量传感器、壳程压力传感器、气包压力传感器和NG流量传感器通过信号线均与控制器连接。
[0009]作为优选，所述前三通与后三通之间采用双管路，前三通一路与前电磁阀、LNG供给栗、后电磁阀与后三通的一接口连接，前三通另一路与备用管路前电磁阀、备用管路LNG供给栗、备用管路后电磁阀与后三通的另一接口连接。前三通与后三通直接采用双管路(工作管路和备用管路)设计，保障了工作管路出现故障时启动备用管路。
[0010]作为优选，所述控制器包括Smith预估器、模糊控制器及人工免疫控制器，其中Smith预估器与模糊控制器为副控制器，人工免疫控制器为主控制器。
[0011]作为优选，还包括显示器、排气扇和警报灯，所述显示器、排气扇和警报灯均与控制器连接。
[0012]一种上述的自给型内燃机气体燃料供给系统的气包压力控制方法，包括以下步骤:
[0013](I)接通电源，传感器进行信号采集；
[0014](2)当温度传热器检测到传热介质三通阀处的传热介质温度<80°C，控制器判定内燃机处于冷机状态，控制器给LNG供给栗及传热介质三通阀发送不供电指令；
[0015](3)当温度传热器检测到传热介质三通阀处的传热介质温度>80°C，控制器判定内燃机处于热机状态，进而:
[0016]( i )且当气包压力传感器212检测到气包压力等于或大于5MPa时，向LNG供给栗和传热介质三通阀发送断开电源指令；
[0017]( ii )且当气包压力传感器212检测到气包压力小于2MPa时，为了能够尽快恢复气包压力，LNG供给栗供给切换到50Hz工频电源运行，且传热介质三通阀223全开，直到气包压力恢复到参考压力为止；
[0018](iii)且当气包压力传感器212检测到气包压力介于2MPa和5MPa之间时，气包压力偏差及其变化率作为模糊控制器的输入，经模糊规则运算后输出压力波动所需LNG流量；而NG流量为Smith预估器的输入，经预估处理后输出NG流量扰动所需LNG流量；模糊控制器与Smith预估器的输出之和作为人工免疫控制器的输入，并执行人工免疫算法，借鉴生物免疫机理优化出LNG供给流量及传热介质流量，以此来确定LNG供给栗变频器的电源频率及传热介质三通阀223开度，实现LNG供给流量及传热介质三通阀开度的调节。
[0019](4)根据汽化器壳程NG压力，调节NG压缩机的流量，使其壳程内维持负压状态。
[0020]作为优选，所述步骤⑴至步骤⑷任意步骤中，只要甲烷传感器222检测到甲烷时，控制器就判定发生了燃料发生泄漏，发送关闭LNG供给栗、传热介质三通阀及NG压缩机的指令和开启报警灯及排气扇的指令。
[0021 ] 作为优选，所述步骤(3)的(iii)中，首先将LNG供给流量和传热介质流量均视为B细胞，目标函数即NG流量/LNG供给流量之比看作抗体，目标函数值最小看作抗原，对抗体、抗原及B细胞进行编码和产生初始抗体，通过计算抗体与抗原、抗体与抗体之间的亲和性，更新记忆/抑制细胞，同时促进和抑制B细胞的产生，然后利用克隆选择、交叉和变异操作产生新B细胞生成新抗体，进入下一轮免疫反应过程，直至亲和性符合给定亲和度为止，最终确定LNG供给流量和传热介质流量。
[0022]在本发明中，系统模型含LNG供给栗数学模型、传热介质三通阀数学模型、LNG汽化器数学模型、NG压缩机数学模型及气包数学模型。
[0023]在本发明中，所述的自给型内燃机气体燃料供给系统，其特征在于，系统电源为工频50Hz的380V