徐凱峰 郭進舉 李治朋 夏立敏 陳毅

摘要：為解決低濃度瓦斯氣源波動造成的發(fā)動機功率波動、分閘、放炮、停機等故障，進一步提高瓦斯發(fā)動機氣源波動適應(yīng)性，以某12缸低濃度瓦斯發(fā)動機配套機組為研究對象，分析瓦斯氣源波動對發(fā)動機性能的影響；增加故障降載功能對發(fā)動機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，并進行試驗驗證。結(jié)果表明：瓦斯中甲烷的體積分數(shù)變化率低于0.1%/min時，發(fā)動機功率波動不大，控制系統(tǒng)能夠通過閉環(huán)控制使發(fā)動機恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；瓦斯中甲烷的體積分數(shù)變化率大于1%/s時，發(fā)動機運行在額定功率的90%、50%工況時，功率波動較大，試驗過程中伴有放炮現(xiàn)象；在瓦斯發(fā)動機控制系統(tǒng)中增加故障降載功能及進行參數(shù)標定后，當氣源劇烈波動時，控制系統(tǒng)及時降低發(fā)動機功率、快速修正瓦斯流量，使發(fā)動機安全平穩(wěn)度過瓦斯波動期，增強發(fā)動機瓦斯氣源波動適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：瓦斯發(fā)動機；控制系統(tǒng)；標定；適應(yīng)性；故障降載

中圖分類號：TK437文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）02-0072-06

引用格式：徐凱峰，郭進舉，李治朋，等.瓦斯發(fā)動機氣源波動適應(yīng)性分析及改進［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（2）：72-77.

XU Kaifeng，GUO Jinju，LI Zhipeng，et al.Adaptability analysis of gas source fluctuation in a gas engine and its improvement［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：72-77.

0 引言

利用瓦斯發(fā)電的燃氣發(fā)電機組可以降低煤礦低濃度瓦斯直接排放導致的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染，綜合利用低濃度瓦斯，具有較好的市場應(yīng)用前景，但受煤礦瓦斯氣抽采技術(shù)制約，瓦斯氣源波動不可避免^[1]。目前瓦斯發(fā)動機的控制一般采用空燃比閉環(huán)控制模式，控制系統(tǒng)通過設(shè)定空燃比和甲烷濃度對燃氣流量進行調(diào)節(jié)，瓦斯發(fā)動機在波動的氣源條件下運行時，設(shè)定的空燃比不能快速響應(yīng)，甲烷傳感器采集數(shù)據(jù)存在延時且有誤差，不能實時反饋瓦斯中實際甲烷濃度，容易造成發(fā)動機功率波動、分閘、放炮、停機等，嚴重影響瓦斯電站正常運行，甚至導致設(shè)備損壞的嚴重事故及人身傷害。因此，控制瓦斯波動對發(fā)動機運行過程的影響，提高發(fā)動機運行的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

本文中針對瓦斯氣源緩慢和劇烈波動進行發(fā)動機標定試驗，分析氣源波動時瓦斯發(fā)動機運行參數(shù)，針對性地對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化、標定，解決發(fā)動機運行過程中的分閘、放炮、停機等故障，使其恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)運行，提高瓦斯發(fā)動機氣源波動適應(yīng)性和可靠性。

1 系統(tǒng)配置

以某四沖程、增壓中冷瓦斯發(fā)動機為研究對象，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

瓦斯發(fā)動機的控制系統(tǒng)由大型發(fā)動機控制模塊（large engine control module，LECM）控制器、人機界面、空氣調(diào)節(jié)閥、燃氣控制閥、節(jié)氣門、點火線圈、火花塞、線束及各類傳感器組成，實現(xiàn)發(fā)動機的調(diào)速控制、空燃比控制、點火控制、爆震控制、發(fā)電管理等功能^[2]，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。人機界面實現(xiàn)實時監(jiān)測并存儲發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率、機油溫度和壓力、進氣溫度和壓力、排氣溫度、冷卻水溫度等運行參數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)分析。甲烷濃度激光傳感器將管道燃氣中的甲烷濃度信號發(fā)送給控制器，參與發(fā)動機控制，甲烷傳感器的響應(yīng)時間小于50 s。

調(diào)整系統(tǒng)標定能夠?qū)崟r調(diào)整控制參數(shù)，選擇燃氣控制模式，使發(fā)動機在不同模式的控制參數(shù)下運行，標定系統(tǒng)同時監(jiān)測運行數(shù)據(jù)，及時了解發(fā)動機的運行狀況。

為保證發(fā)動機安全運行，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多級保護功能。發(fā)動機保護主要包括急停保護、超速、機油壓力低、高溫冷卻水溫度高、排溫高、進氣溫度高等保護功能，配套機組具有過電流、差動、過電壓、欠電壓等保護功能。試驗過程中，安全保護系統(tǒng)在發(fā)動機出現(xiàn)故障隱患時，發(fā)出聲光報警信號，保障發(fā)動機在運行中不損壞^[3-5]。

2 發(fā)動機標定試驗及分析

2.1 發(fā)動機標定

運行試驗前對發(fā)動機進行參數(shù)標定，將控制器設(shè)定在開環(huán)控制模式，根據(jù)發(fā)動機特性，在某功率運行點，根據(jù)發(fā)動機的進氣壓力、轉(zhuǎn)速三維圖表，標定空燃比和充氣效率，控制器根據(jù)實時甲烷體積分數(shù)、進氣溫度、進氣壓力、空燃比及充氣效率計算燃氣流量，實現(xiàn)對燃氣控制閥的精準控制，保證瓦斯進氣量；由于瓦斯氣內(nèi)含有氧氣、氮氣等成分，進行空氣控制閥開度標定，控制器根據(jù)設(shè)定的空氣控制閥開度控制空氣流量，保證發(fā)動機在一定空燃比狀態(tài)下運行；標定調(diào)整調(diào)速比例積分微分（proportional integral derivative，PID）系數(shù)^[6] ，將發(fā)動機功率波動控制在合理范圍。發(fā)動機在該功率穩(wěn)定運行后，標定計算功率表格，使得LECM控制器的計算功率與實際功率一致、設(shè)定空燃比與實際空燃比一致，保證發(fā)動機運行在最佳狀態(tài)^[7]。

標定完成后，將控制器設(shè)定為空燃比閉環(huán)控制模式，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的空燃比及實測空燃比進行閉環(huán)修正，使發(fā)動機運行在設(shè)定的最佳狀態(tài)^[8]。

2.2 試驗方案

瓦斯發(fā)動機運行在額定轉(zhuǎn)速，設(shè)定輸出功率P₀分別為額定功率P_en的30%、50%、90%，研究瓦斯氣源波動對發(fā)動機運行的影響，試驗工況條件如表2所示。

2.3 瓦斯氣源波動分析

煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，還有少量的乙烷、丙烷、丁烷、空氣及微量的惰性氣體，由于抽采工藝和氣源分布等原因，瓦斯內(nèi)甲烷體積分數(shù)波動和瓦斯供氣壓力波動等氣源波動不可控。

控制管道中供氣壓力不低于5 kPa，在瓦斯供氣壓力波動情況下對發(fā)動機進行試驗及數(shù)據(jù)分析。供氣壓力波動，發(fā)動機功率出現(xiàn)波動^[9]，可以通過控制系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)后恢復(fù)穩(wěn)定運行。調(diào)節(jié)供氣壓力進行發(fā)動機試驗，測量功率和供氣壓力變化率α的關(guān)系，如表3所示。

瓦斯中甲烷體積分數(shù)波動包括長期緩慢波動和瞬時劇烈波動，本文中針對這兩種情況分別對發(fā)動機進行試驗和數(shù)據(jù)分析。發(fā)動機起動并熱機良好，機油溫度不低于60 ℃，控制系統(tǒng)在閉環(huán)控制模式下運行，保證供氣壓力不低于5 kPa，設(shè)定輸出功率分別為額定功率的30%、50%、90%，瓦斯中甲烷體積分數(shù)緩慢波動、瞬時劇烈波動時，發(fā)動機實際輸出功率P_a如圖2所示。

由圖2a）可知：瓦斯中甲烷的體積分數(shù)長期緩慢波動，變化率低于0.1%/min時，發(fā)動機在各工況點的功率波動不大，控制系統(tǒng)能夠通過閉環(huán)控制使發(fā)動機恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖2b）可知：瓦斯中甲烷的體積分數(shù)瞬時劇烈波動，變化率大于1%/s時，設(shè)定功率為額定功率的90%工況運行時，實際輸出功率波動較大，運行5 s左右發(fā)動機突然分閘、停機，試驗過程中伴有放炮現(xiàn)象^[8]；設(shè)定功率為為額定功率的50%工況運行時，實際輸出功率波動較大，運行15 s左右后發(fā)動機分閘、停機，試驗過程中沒有出現(xiàn)放炮現(xiàn)象；設(shè)定功率為額定功率的30%工況運行時，初期實際輸出功率波動較大，隨著時間延長，通過控制系統(tǒng)自主調(diào)節(jié)，發(fā)動機運行趨于穩(wěn)定，持續(xù)運行。

綜上可知，發(fā)動機低功率時抗瓦斯氣源瞬時劇烈波動性能較強，中高功率時抗瓦斯氣源瞬時劇烈波動性能較弱。

3 控制系統(tǒng)優(yōu)化與驗證

3.1 原理分析

基于速度密度法進行燃氣發(fā)動機的燃氣控制，從而控制燃氣流量和空氣流量，瓦斯作為燃氣時，需要根據(jù)甲烷的體積分數(shù)對燃氣流量進行修正，甲烷傳感器將檢測到的燃氣內(nèi)甲烷體積分數(shù)發(fā)送給控制器，由控制器對燃氣流量進行修正計算，進而控制燃氣控制閥，使得發(fā)動機在合適的空燃比狀態(tài)下運行^[10-11]。

空氣體積流量

q_V，air=q_V，gasλ_stλ_des，（1）

式中：q_V，gas為天然氣的體積流量，L/s；λ_st為理論空燃比；λ_des為設(shè)定空氣系數(shù)。

混合氣體積流量

q_V，mix=q_V，gas＋q_V，air=nVp_mapT₀η/（k₁k_tp₀T_map），（2）

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；V為發(fā)動機排量，L；p_map為進氣壓力，kPa；T₀為標準狀態(tài)下的氣體熱力學溫度，T₀=273 K；η為充氣效率；k₁為調(diào)節(jié)因數(shù)，本文中為四沖程發(fā)動機，k₁=2；k_t為時間因數(shù)，k_t=60；p₀為標準狀態(tài)下的大氣壓力，p₀=101.3 kPa；T_map為進氣熱力學溫度，K。

瓦斯體積流量

q_V，gas1=q_V，gas/φ=nVp_mapT₀η/[（1+λ_stλ_des）k₁k_tp₀T_map]。（3）

當發(fā)動機以閉環(huán)模式穩(wěn)定運行在某功率時，根據(jù)式（3），瓦斯氣源不變時，發(fā)動機需要的瓦斯流量基本不變，進氣壓力、進氣溫度、空燃比基本保持不變。一旦瓦斯氣源中甲烷的體積分數(shù)波動，發(fā)動機在該功率下運行時的需求瓦斯流量變化，如果此時能夠快速修正，發(fā)動機能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行，否則發(fā)動機的進氣壓力波動，導致功率波動^[12]。

氣源波動時，由于甲烷傳感器采集的信號存在延遲，易引起控制系統(tǒng)對瓦斯流量修正不及時，造成發(fā)動機功率波動、分閘、停機等故障。功率越高，需要修正的瓦斯流量就越多，也是中高功率時抗瓦斯氣源瞬時劇烈波動性能弱的原因^[13-14]。

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

基于前文分析結(jié)果對控制策略進行優(yōu)化，增加故障降載功能，在瓦斯氣源瞬時劇烈波動時，主動降低功率，降低控制系統(tǒng)需要修正的瓦斯流量，使發(fā)動機通過控制系統(tǒng)快速修正到穩(wěn)定運行，增強瓦斯發(fā)動機氣源波動適應(yīng)性。故障降載模型如圖3所示，圖中，t₁、t₂、t₃為功能塊有效后的持續(xù)時間，當持續(xù)時間大于t₁、t₂、t₃后功能塊輸出。

發(fā)動機起動運行后，當發(fā)動機實際功率超出設(shè)定的功能啟用功率（降載功能啟用時的功率）且持續(xù)時間超過t₁后，控制系統(tǒng)啟用故障降載功能。

瓦斯氣源發(fā)生劇烈波動時，如果閉環(huán)控制系統(tǒng)無法修正，發(fā)動機不能穩(wěn)定運行，功率出現(xiàn)波動，此時控制系統(tǒng)根據(jù)實時功率、設(shè)定功率計算的差與設(shè)定的功率-波動曲線中的對應(yīng)數(shù)據(jù)比較，當波動超出功率-波動曲線對應(yīng)結(jié)果且持續(xù)時間大于t₂，經(jīng)延時模塊延時t₃后，降載功能觸發(fā)。

控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的降載斜坡、降載數(shù)值進行降低功率，保證發(fā)動機能夠穩(wěn)定運行。降載斜坡指故障降載觸發(fā)后，降低功率的斜率，標定值過高，發(fā)動機因為進氣腔內(nèi)多余的燃氣造成放炮；標定值過低，發(fā)動機可能在降載過程中分閘、停機，無法起到保護作用。降載數(shù)值指故障降載觸發(fā)后降低的功率，標定值過高，降低發(fā)動機工作效率；標定值過低，發(fā)動機功率沒有降低到穩(wěn)定工作區(qū)間，不能起到保護作用。故障降載功能還預(yù)留轉(zhuǎn)速過高、排氣溫度過高等其他易造成機械損壞的降載保護功能。當發(fā)動機實際功率超出設(shè)定的功能啟用功率且持續(xù)時間超過t₁，控制系統(tǒng)接收到其他降載指令后，同樣執(zhí)行故障降載操作。

3.3 參數(shù)標定及驗證

功率-波動功率表格、降載數(shù)值、降載斜坡、功能啟用功率、時間等參數(shù)均影響故障降載功能的應(yīng)用，需要根據(jù)運行情況對這些參數(shù)進行標定。

功率-波動功率表格影響故障降載功能的開啟，如果標定過高，無法起到降載保護效果；如果標定過低，導致發(fā)動機頻繁降載，影響發(fā)動機的工作效率。

標定降載參數(shù)時，應(yīng)該設(shè)定初始降載參數(shù)基準并使基準留有較大的裕量，保證發(fā)動機在氣源瞬時劇烈波動時不發(fā)生故障；瓦斯氣源瞬時劇烈波動時，觀察瓦斯發(fā)動機運行參數(shù)變化并記錄；修改降載參數(shù)，減小降載、增大波動、加大降載斜坡等參數(shù)后，觀察瓦斯氣源瞬時劇烈波動時運行參數(shù)的變化；經(jīng)多次試驗，找到各參數(shù)的臨界結(jié)果；在留有10%裕量的基礎(chǔ)上，設(shè)定功率-波動功率變化表格、降載數(shù)、降載斜坡等參數(shù)，為保證故障降載功能的快速響應(yīng)性，t₁、t₂、t₃均設(shè)置為0。

控制系統(tǒng)故障降載參數(shù)標定完成后，瓦斯發(fā)動機進行運行試驗驗證，以額定功率的90%為運行工況，開展瓦斯氣源劇烈波動時發(fā)動機試驗，與未開啟故障降載功能對比，試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：控制系統(tǒng)標定故障降載參數(shù)、開啟故障降載功能后，瓦斯發(fā)動機在氣源劇烈波動時，控制系統(tǒng)通過快速及時降低功率，快速修正瓦斯流量使發(fā)動機在低功率區(qū)持續(xù)運行；待氣源穩(wěn)定后，逐步提升功率至高功率區(qū)運行。

控制系統(tǒng)標定故障降載參數(shù)、開啟故障降載功能，增強了瓦斯發(fā)動機氣源波動適應(yīng)性，節(jié)約了發(fā)動機重新準備起動到運行的時間和工作量，提高了發(fā)動機工作效率，避免發(fā)動機因突然分閘、停機造成的機械損傷及人身傷害。

4 結(jié)束語

1）通過對某瓦斯發(fā)動機控制系統(tǒng)標定，使發(fā)動機在各工況下穩(wěn)定運行后，進行瓦斯氣源波動試驗和數(shù)據(jù)分析，瓦斯氣源瞬時劇烈波動時，發(fā)動機在中高功率工況運行時，無法通過控制系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)整快速修正瓦斯流量，出現(xiàn)分閘、放炮、停機等故障。

2）增加故障降載功能對控制系統(tǒng)優(yōu)化，通過在瓦斯波動引起功率波動超出設(shè)定閾值后，主動降低功率，減小控制系統(tǒng)需要修正的瓦斯流量，使瓦斯發(fā)動機能夠安全平穩(wěn)地度過瓦斯波動期，增強發(fā)動機瓦斯氣源波動適應(yīng)性。

3）控制系統(tǒng)功能優(yōu)化后進行數(shù)據(jù)標定、試驗驗證，瓦斯發(fā)動機能夠適應(yīng)瓦斯瞬時劇烈波動，未出現(xiàn)原有故障，優(yōu)化方案有效；該優(yōu)化方案簡單易實現(xiàn)，可應(yīng)用于其他型號瓦斯發(fā)動機控制系統(tǒng)。

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Adaptability analysis of gas source fluctuation in

a gas engine and its improvement

XU Kaifeng， GUO Jinju， LI Zhipeng， XIA Limin， CHEN Yi

CNPC Jichai Power Company Limited， Jinan 250306， China

Abstract：In order to enhance the adaptability of gas source fluctuations in a gas engine， reduce engine load fluctuation， tripping， blasting， shutdown and other faults caused by fluctuation in low concentration gas sources， a 12 cylinder low concentration gas engine matching unit is selected as the research object. The impact of gas source fluctuation on engine operation is analyzed and studied， and the control system function is optimized by adding fault load reduction function and experimental verification is carried out. The results show that when the change rate of methane volume fraction in gas is less than 0.1%/min， the engine power fluctuation is not significant and the control system can restore the engine to a stable state through closed-loop control; when the change rate of methane volume fraction in gas is greater than 1%/s， the engine operates at 90% and 50% of the rated power， resulting in significant power fluctuations and accompanied by blasting during the test process. After adding fault load reduction function and parameter calibration in the gas engine control system， when the gas source fluctuates violently，the control system promptly reduces the engine power and quickly corrects the gas flow rate，which enable the engine to safely and smoothly pass through the gas fluctuation period and enhance the adaptability of the engine to gas source fluctuation.

Keywords：gas engine; control system; calibration; adaptability; fault load reduction

（責任編輯：劉麗君）