基于分段線性化算法的文丘里混合器控制系統(tǒng)設計

宋泉訓 李奇 陳洪剛 孫福建

摘要：沼氣發(fā)電機組配套使用文丘里混合器，用戶對沼氣發(fā)電機組性能及自動化控制程度提出要求，設計了基于分段線性化算法的文丘里混合器控制系統(tǒng)。本文主要介紹了該自動化控制系統(tǒng)的硬件設計、分段線性化控制方法和驗證試驗研究。試驗結果表明：基于分段線性化算法的控制系統(tǒng)滿足沼氣發(fā)電機組文丘里混合器的使用要求，燃氣發(fā)電機組功率響應迅速，且控制系統(tǒng)構造不繁瑣，能夠很好的提高沼氣發(fā)電機組的效率和性能。

關鍵詞：沼氣;分段線性化算法;文丘里;混合器;控制系統(tǒng)

引言

隨著政策環(huán)境的日益完善以及能源價格的市場化改革，我國沼氣分布式能源市場迎來重要機遇。與此同時，用戶對燃氣發(fā)電機組的自動化要求越來越高，沼氣發(fā)電機組性能及自動化控制程度已直接影響到產品的市場競爭力。對于配套文丘里混合器的預混燃氣發(fā)電機組而言，設計一種構造簡單、自動化程度高、調節(jié)實時性好的混合器控制系統(tǒng)，保證機組能夠在不同工況下性能穩(wěn)定，且能夠滿足大功率機組需求，無論是在實現(xiàn)機組全自動化控制還是孤網運行來說，都已迫在眉睫。

基于分段線性化的算法，設計了一套能夠實現(xiàn)空氣、燃氣的混合以及空燃比實時調整的自動化電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制，提高機組性能和效率。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

圖1所示為基于分段線性化算法的控制系統(tǒng)構造圖?？刂葡到y(tǒng)有PLC中央處理單元（SMART 200）、模擬量模塊（EM AM06）、觸摸屏（1000IE）、蝶閥控制器（TOP4221）、電子調速器（TOP1302）。

（1）處理器模塊：是控制蝶閥開度和調速器開度的核心控制器，通過調節(jié)閥體開度，實現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制和功率調節(jié)。

（2）模擬量模塊：通過4-20mA的電流信號控制調速器和蝶閥開度，并計算當前閥體的實際開度。

（3）燃氣蝶閥控制器：控制伺服電機，調節(jié)燃氣蝶閥開度，實現(xiàn)燃氣進氣量的調節(jié)。

（4）電子調速器：由控制器、驅動器、執(zhí)行器組成，控制混合后的燃氣總進氣量。

（5）觸摸屏：通過觸摸屏的人機界面可以手動控制蝶閥開度，并實時顯示燃氣蝶閥和調速器的當前開度。

2 控制方法設計

根據(jù)文丘里混合器的混合特性，燃氣發(fā)電機組的功率與燃氣蝶閥的開度成一定的線性關系?；诜侄尉€性化的控制方法，就是通過手動標定蝶閥開度與機組功率對應關系的方法，然后在控制系統(tǒng)中設定指定功率對應的蝶閥開度，實現(xiàn)不同功率段對應蝶閥開度的控制，從而達到文丘里混合器進氣系統(tǒng)自動化控制的目的。

2.1手動標定

通過自復位開關S1手動調節(jié)燃氣蝶閥開度來控制空燃比，使8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）燃氣發(fā)電機組在0kW～1000kW負荷之間穩(wěn)定運行。每隔100kW對蝶閥開度進行記錄和標定，標定完成后，保存數(shù)據(jù)，降負荷停機。標定結果及試驗數(shù)據(jù)見表1。

2.2 分段線性化處理

根據(jù)手動標定所記錄的有效功率（kW）對應的蝶閥開度（°）數(shù)據(jù)，形成分段線性曲線，曲線圖見圖2。

2.3自動控制程序設計

根據(jù)分段線性曲線，設計自動化控制程序。通過觸摸屏設定配套文丘里混合器的燃氣發(fā)電機組有功功率對應的燃氣蝶閥開度值，控制系統(tǒng)將擬合一條趨于標定曲線一致的蝶閥開度控制曲線，從而實現(xiàn)任意功率對應蝶閥開度的控制。設定界面見圖3。

2.4自動控制試驗驗證

將機組切換為“自動控制”模式，重新開機，按照負荷特性試驗下負荷率進行加載，自動控制模式下，機組運行數(shù)據(jù)見表2。

由試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著目標功率的增加，控制系統(tǒng)能夠準確地找到該工況所對應的蝶閥開度且實現(xiàn)有功功率的快速響應，機組各工況參數(shù)與標定時基本一致。機組在自動化控制模式下運行穩(wěn)定。

3.結論

（1）基于分段線性化的文丘里混合器控制系統(tǒng)設計，滿足8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）型增壓機組的使用要求。

（2）不同功率段對應的蝶閥開度為可設定值，在氣源發(fā)生變化時，可以人為更改蝶閥設定開度，從而匹配新的線性特性。

（3）孤網運行時，現(xiàn)場可能沒有逐漸增大的穩(wěn)定負載進行標定，可能無法達到精確控制。

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