GPL1108GA型燃氣發(fā)電機組的控制系統(tǒng)設(shè)計

唐鋒

摘 要：控制系統(tǒng)作為燃氣機組的重要組成部分，在保證機組性能方面起著不可替代的作用。經(jīng)過多次試驗，設(shè)計出了1種適用于GPL1108GA機組的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括1個主監(jiān)控回路、1個空燃比控制回路、1個調(diào)速器控制回路和1個點火控制回路。它的研制大大提升了燃氣機組的性能。

關(guān)鍵詞：燃氣機組；控制系統(tǒng)；試驗設(shè)備；監(jiān)控回路

中圖分類號：U464.174 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.007

目前，我國火力發(fā)電在發(fā)電行業(yè)中占有較大比例，這種發(fā)電方式不僅會污染環(huán)境，還會消耗大量不可再生的煤炭等資源。因此，開發(fā)新的清潔燃料是電力行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。燃氣機組是使用天然氣、瓦斯、沼氣和生物質(zhì)氣（本文以天然氣為燃料進行試驗分析）等清潔燃料發(fā)電的，它不僅能輸出電能，還減少了有害物質(zhì)的排放，這對國家分布式能源戰(zhàn)略的實施有非常重要的意義。本文以GPL1108GA型燃氣機組的控制系統(tǒng)為例進行相關(guān)設(shè)計和分析。

1 試驗設(shè)備

1臺6缸的GPL1108GA系列燃氣機組（設(shè)計目標是額定功率為700 kW）；燃氣流量計，用于測量各個工況段的燃氣消耗率；干電阻負載，用于測試機組功率；外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，用于冷卻機組內(nèi)部的循環(huán)水；壓縮空氣系統(tǒng)，用于盤車和吹動起動馬達，為機組提供起動轉(zhuǎn)速；爆震測試儀，監(jiān)測試驗過程中是否有爆震的情況發(fā)生。

2 主監(jiān)控回路

監(jiān)控回路是由主控制板、傳感器、互感器、電磁閥和相關(guān)控制線束等構(gòu)成的。

在選擇重要的采集點時，工作人員主要考慮以下幾方面的內(nèi)容：①滑油壓力傳感器?；妥鳛闄C組運動部件的潤滑劑，它直接影響著運動件之間的摩擦，對機組的運行安全有較大的影響。②高溫水出機溫度。水冷卻機組后，水溫體現(xiàn)出了機組的整個冷卻效果。③滑油溫度。滑油溫度直接反映了滑油潤滑效果，溫度太低，表明滑油黏度大，不利于其流動，最后導(dǎo)致運動潤滑不足；溫度太高，滑油容易氧化，縮短機組的使用壽命。④各缸排氣溫度。針對各缸的燃燒情況，如果排溫不均，就表明點火系統(tǒng)或進氣系統(tǒng)有異常。⑤總管溫度。根據(jù)總管溫度可以判斷出機組的后燃情況。⑥燃氣機轉(zhuǎn)速。它能夠直接體現(xiàn)出機組的頻率值，在機組超速運行時能夠給控制器傳遞信號。⑦三相電壓。它直接體現(xiàn)了發(fā)出的三相電壓是否正常。⑧三相電流。它對負荷情況的有重要的提示。⑨起機電磁閥。它用于控制壓縮空氣的通斷，進而吹動啟動馬達。⑩燃氣電磁閥。它用于切斷或打開燃氣通路，同時，也參與了機組的正常停機命令?！?1急停開關(guān)。在緊急情況下，它可以切斷混合氣和點火電源實現(xiàn)快停。

其他的采集點即為選配，可以根據(jù)特定需求合理地配制。針對燃氣機組的控制特點，對發(fā)動機主控制板（IG-NT）進行編程，再采集相關(guān)的模擬信號和開關(guān)量信號，由內(nèi)部的編程識別發(fā)出合適的控制輸出和顯示。其運行原理如圖1所示。主監(jiān)控回路不僅滿足了對機組重要參數(shù)的監(jiān)測作用，還對機組自身和操作人員的安全起到了很好的保護作用。

圖1 主控制板的運行原理

以滑油壓力安保設(shè)計為例，圖2是滑油壓力監(jiān)控的一個編程圖。當(dāng)機組在額速（1 000 r/min）的情況下工作，滑油壓力低于3.5 bar時，控制板將發(fā)出報警信號；當(dāng)滑油壓力低于3 bar時，機組將保護性停機。如果在怠速（500 r/min）的情況下工作，滑油壓力低于1.5 bar時就會發(fā)出報警信號。經(jīng)過多次試驗，主監(jiān)控回路的各個監(jiān)控和安保功能都能正常實現(xiàn)。

3 空燃比控制回路

空燃比回路作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，它試驗的結(jié)果直接決定了機組的性能。其工作原理如圖3所示。采集轉(zhuǎn)速和混合氣的溫度壓力，以及燃燒后的氧濃度和當(dāng)時環(huán)境溫度、燃氣進機壓力（這2個參數(shù)通過空燃比控制器內(nèi)部的傳感器獲得）來控制燃氣的最終進氣量，從而達到最佳的空氣與燃氣比。其中，回路最重要的2個設(shè)計參數(shù)值就是充氣效率值和空燃比值。

充氣效率對發(fā)動機有很大的影響，它太大，可能會引起后燃，使排溫升高，發(fā)生爆震；充氣效率太小，則會導(dǎo)致點火不好或者功率拉不上去，最終影響供電。而空燃比值太小會使排溫升高，太大則會導(dǎo)致點火困難。經(jīng)過上百次的負荷試驗，不斷調(diào)試參數(shù)得出了合適的充氣效率數(shù)據(jù)。在不同的

轉(zhuǎn)速和增壓壓力的影響下，摸索出了GP1108GA型機組在各個工況下最合適的充氣效率值和空燃比值。最終的充氣效率值如表1所示，Y軸是轉(zhuǎn)速（r/min），X軸是增壓壓力（bar）。最終空燃比設(shè)定值如表2所示，Y軸是轉(zhuǎn)速（r/min），X軸是增壓壓力（bar）。

空燃比值調(diào)試好后，我們可以采用功率比環(huán)代替氧傳感器的輸入。由于空燃比控制器能夠使用4～20 mA的功率信號來控制，所以，接入1個4～20 mA的功率信號，再將原來X軸的增壓壓力改為對應(yīng)為燃氣燃燒的理論功率（kW）輸入控制器即可。試驗證明，用其替代氧傳感器能達到同樣的控制效果。

4 調(diào)速器控制回路

調(diào)速器控制回路的控制原理如圖4所示。利用采集機組轉(zhuǎn)速信號，將信號輸入調(diào)速模塊后，通過調(diào)速模塊內(nèi)部處理來控制執(zhí)行器的開度，即通過控制混合氣的進氣量來實現(xiàn)對目標轉(zhuǎn)速的控制。外部也可以通過人為的手動輸入開關(guān)量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速升降的目的。

圖4 調(diào)速器控制回路控制原理

由于執(zhí)行器的拉桿擺動速度會直接影響轉(zhuǎn)速的波動，所以，特引入了PID來對其修正控制，從而實現(xiàn)平穩(wěn)擺動。通過調(diào)整PID來修正對執(zhí)行器的控制，使機組在各個工況下的轉(zhuǎn)速保持平穩(wěn)。通過研究電動執(zhí)行器的開度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可得最終的PID基準參數(shù)，即Gain（P）：16.3，integration（I）：15，derivative（D）：5.

各轉(zhuǎn)速階段得到的的PID修正值如表3所示。Y軸為轉(zhuǎn)速，X軸為執(zhí)行器百分比開度。

5 點火控制回路

點火控制回路的工作原理如圖5所示。

圖5 點火控制回路的工作原理

在最初做試驗時，采用的是傳統(tǒng)的點火方式。從圖5中可以看出，相位傳感器采集到的信號輸入給點火控制器，進而確定曲軸旋轉(zhuǎn)的位置，然后通過控制器的內(nèi)部判斷和分析向高壓線圈發(fā)出點火指令，最終由火花塞點火。這種方式是現(xiàn)在比較常用的點火方式，但是，它的能量和點火提前角是固定的。由于GP1108GA型燃氣機缸徑大，火焰?zhèn)鞑r間長，如果點火能量小，形成的火核就小，燃燒室邊緣地帶不易燃燒到或者燃燒不好，這樣，未燃燒到的混合氣容易在排氣管中出現(xiàn)后燃或者“放炮”的情況，所以，這些制約條件的存在對相關(guān)技術(shù)人員對點火系統(tǒng)的選型和設(shè)計提出了更高的要求。

當(dāng)環(huán)境溫度低于25 ℃時，用傳統(tǒng)的點火方式進行冷起機試驗。經(jīng)過上千次的起機試驗，起機成功率為0.1（10次基本能成功一次）。后期，在試驗過程中，采用了國際先進的點火技術(shù)（MT點火控制技術(shù)），即增加了點火正時的變化控制和點火能量的變化控制功能。在調(diào)試時，通過設(shè)置不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的不同的點火提前角和能量來達到設(shè)計目的。經(jīng)過多次的點火試驗得到了圖6和圖7所示的總結(jié)參數(shù)。試驗證明，重新設(shè)計后，冷起機成功率提高到了0.5，速度較高時能夠自動降低能量，也延長了火花塞的使用壽命。

6 結(jié)論

通過對以上各回路的多次試驗，控制系統(tǒng)達到了機組額定功率700 kW的設(shè)計要求，并且在各個子系統(tǒng)參數(shù)定型后未發(fā)生爆震。機組額定功率為700 kW時的燃氣消耗為210 Nm?/h，即使按照商用天然氣的價格來算，它比柴油發(fā)電的成本要低60%～80%，更不用說在一些零成本燃料費的地區(qū)（富含瓦斯氣體的煤礦、有沼氣池的大型加工廠、有石油伴生氣的油田等）。綜上所述，該系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。目前，配制有該控制系統(tǒng)的燃氣機組已經(jīng)投入到了沼氣電站的使用中，以后有望在燃氣發(fā)電領(lǐng)域推廣。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕