燃气发电机组实现功率最大化的空燃比自动控制方法与流程

本发明涉及一种燃气发电机组实现功率最大化的空燃比自动控制方法，属于燃气发电机组控制领域。

背景技术：
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燃气发电机组空燃比自动控制系统的作用是在无人干预的前提下，可以实时控制燃气与空气的混合比例，保证混合后的气体能够在气缸内良好的燃烧做功。目前国内外的燃气发电机组空燃比自动控制系统都是通过直接测量进气浓度来控制空燃比。其工作原理是：直接利用气体浓度传感器测量发电机组进气管内的混合气浓度，然后根据测量得到的浓度信号，调节混合器的进气开度，进而将空燃比维持在理想值附近。虽然这种控制方法是最直接的，但是因为受到传感器技术的限制，至今尚未成熟。目前的气体浓度传感器有一些难以克服的缺陷：首先是响应速度慢，一般在15秒以上，使混合器无法进行实时调节；其次是对灰尘、水汽、杂质气体等非常敏感，不能长时间工作在工业环境当中；再次是价格昂贵，不能广泛采用。除此之外，对于低浓瓦斯气，电石气等不稳定气源，其燃气成分复杂，通常不仅仅含有一种可燃成分，所以只使用单一的浓度传感器往往不能满足需要，这就限制了该控制方法的适用性。

技术实现要素：
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为解决上述技术问题中的不足，本发明的目的在于，提供一种可以克服上述缺陷，满足使用需求，适用性高、响应速度快的燃气发电机组实现功率最大化的空燃比自动控制方法及系统。

本发明所提供的燃气发电机组实现功率最大化的空燃比自动控制方法，其特征是，将发电机组功率与空燃比的对应关系制定成一条功率/空燃比曲线，功率/空燃比曲线的极值点确定为极值功率，极值功率对应的为理想空燃比；控制系统通过混合器调节空燃比，在调节空燃比的过程中，当发电机组功率有增大的趋势，保持混合器调节方向继续调整；当发电机组功率有减小趋势时，改变缓和期调节方向继续调整；当发电机组功率与极值功率相对应时，将混合器调节至对应的开度，完成对空燃比的调节。

该控制系统控调节空燃比的具体步骤为：

(a)控制系统上电；

(b)读取存储器中的目标功率和最低功率下限；

(c)测量当前发电机组的功率；

(d)判断当前测量的功率是否达到目标功率，若是返回到步骤(c)，否则进入到步骤(e)；

(e)判断当前功率是否低于最小功率下限，若是进入步骤(f),否则进入步骤(l)；

(f)大幅度调节空燃比，首先增大空燃比，即增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度；

(g)对空燃比调节范围内不同区间的平均功率进行比较，比较完成后进入步骤(h)；

(h)判断发电机组功率是否有增大趋势，若是，继续增大空燃比，即增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度，进入步骤(i)；否则减小空燃比，即减小空气蝶阀开度，增大燃气蝶阀开度，进入步骤(g)；本发明为了避免机组出现回火放炮现象，首先增大空燃比。

(i)判断功率是否有减小的趋势，若是则在步骤(g)条件满足的情况下进入步骤(k)，否则继续增大空燃比(增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度)返回步骤(i)；

(g)判断功率是否有减小的趋势，若是则在(i)条件满足的情况下进入步骤(k)，否则减小空燃比(减小空气蝶阀开度，增大燃气蝶阀开度)返回步骤(g)；

(k)将空燃比调节到平均功率最大的区间内，退出大幅度调节空燃比，进入步骤(l)；

(l)小幅度调节空燃比并计算每一点数秒内的平均功率，之后进入步骤(m)；

(m)在功率/空燃比曲线上平均功率最大区间内找出极值点P1，即极值功率，同时满足P1>P2,P1>P3，其中P2,P3为P1两侧任意点的功率值，之后进入步骤(n)；

(n)功率/空燃比曲线上极值点对应极值功率P1和理想空燃比，机组维持在该功率和空燃比下稳定运行，同时控制器在对机组功率进行测量，进入步骤(c)进行循环。

使用的燃气发电机组空燃比自动控制系统，包括控制器，还包括功率测量单元，功率测量单元检测发电机组功率并通过通讯模块将发电机组功率数据发送至控制器；控制器连接人机界面、调速器和混合器；所述的调速器包括调速控制单元，调速控制单元控制发电机组的节气门；所述的混合器包括燃气蝶阀控制单元和空气蝶阀控制单元，分别通过电机控制燃气蝶阀和空气蝶阀。

通过以上步骤，该空燃比自动控制方法可以实现机组功率的最大化，并使机组在功率最大化的状态长期稳定运行。

本发明的有益效果是：

本发明控制法另辟蹊径，无需使用浓度传感器，以功率测量单元为检测元件，价格低廉，可靠性高，基本不需要维护，并且能够适用于含有多种可燃成分的燃气，适用性广。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明中功率/空燃比曲线图；

图2是本发明中方法流程图；

图3是本发明中系统方框原理图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示的燃气发电机组实现功率最大化的空燃比自动控制方法及系统中，机组控制系上电后，控制器读取存储器中的目标功率和最低功率下限(用户可以通过人机界面对机组的目标功率和最低功率下限进行设置)。机组在并入电网运行后，通过功率测量单元实时测量机组的功率，采集到的功率通过RS485通讯传送至控制器。控制器采集到的功率在没达到目标功率时，通过调速器调节发动机节气门改变总进气量来调节功率。当调速器调节发动机节气门而机组功率不在发生变化时，通过调节混合器的燃气蝶阀和空气蝶阀开度来调节燃气和空气的进气量，实现机组功率的最大化控制。

燃气发电机组并入电网后，在节气门开度不变(即总进气量不变)的情况下，功率与空燃比存在一个对应关系，如曲线L(图1所示)。该曲线有且只有一个极值点Z，极值功率对应着理想空燃比，空燃比越偏离理想值，功率越低，甚至出现逆功率。根据这种对应关系，设计了该套空燃比自动控制方法及系统。在控制系统通过混合器调节空燃比时，如果功率有增大的趋势，则说明混合器调节的方向是正确的，应当保持当前的方向继续调节；如果功率有减小的趋势，则说明混合器调节的方向是错误的，应当改变调节的方向继续调节；如果在调节的过程中，功率出现了一个极值点Z，则说明经过了理想的空燃比，将混合器调节至极值功率对应的开度，空燃比调节过程结束。无论当前的空燃比位于曲线L上的哪一个点，根据功率的变化趋势，总能找到极值点Z。该控制方法，只利用了曲线L的极值特性，不需要提供曲线L的具体坐标值，曲线L不需要提前测定，具有广泛的适用性。

图2中的该套控制方法包括以下步骤：

(a)控制系统上电；

(b)读取存储器中的目标功率和最低功率下限(用户可以通过人机界面设置目标功率和最低功率下限)；

(c)测量当前发电机组的功率；

(d)判断当前测量的功率是否达到目标功率，若是返回到步骤(c)，否则进入到步骤(e)；

(e)判断当前功率是否低于最小功率下限，若是进入步骤(f),否则进入步骤(l)；

(f)大幅度调节空燃比，首先增大空燃比(减小空燃比亦可，本发明为了避免机组出现回火放炮现象，所以首先增大空燃比)即增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度；

(g)对空燃比调节范围内不同区间的平均功率进行比较，比较完成后进入步骤(h)；

(h)判断发电机组功率是否有增大趋势，若是继续增大空燃比(增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度)进入步骤(i)，否则减小空燃比(减小空气蝶阀开度，增大燃气蝶阀开度)进入步骤(g)；

(i)判断功率是否有减小的趋势，若是则在步骤(g)条件满足的情况下进入步骤(k)，否则继续增大空燃比(增大空气蝶阀开度，减小燃气蝶阀开度)返回步骤(i)；

(g)判断功率是否有减小的趋势，若是则在(i)条件满足的情况下进入步骤(k)，否则减小空燃比(减小空气蝶阀开度，增大燃气蝶阀开度)返回步骤(g)；

(k)将空燃比调节到平均功率最大的C-D区间内，退出大幅度调节空燃比，进入步骤(l)；

(l)小幅度调节空燃比并计算每一点数秒内的平均功率，之后进入步骤(m)；

(m)在曲线L上C-D区间内找出极值点Z，同时满足P1>P2,P1>P3，其中P2,P3为P1两侧任意点的功率值，之后进入步骤(n)；

(n)曲线L上Z点对应功率极值P1和理想空燃比，机组维持在该功率和空燃比下稳定运行，同时控制器在对机组功率进行测量，进入步骤(c)进行循环。

步骤(g)对空燃比调节范围内不同区间的平均功率进行比较，即比较区间A-B、B-C、C-D、D-E、E-F(如图1所示)内的平均功率，并对比出功率的变化趋势，进而找出平均功率最大的区间C-D。步骤(l)小幅度调节空燃比，计算每一点数秒内的平均功率，即计算区间C-D内每一点数秒的平均功率并进行比较，找到平均功率最大的点就是曲线L的极值点Z，所对应的为最大功率和理想空燃比。