瓦斯發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

周 克，王 霄，胡周達，王 坤

(1.茅臺學院釀酒工程自動化系，貴州遵義 564507；2. 貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽 550004；3. 粵電集團貴州有限公司，貴州貴陽 550028)

1 引言

瓦斯發(fā)電系統(tǒng)是集氣體-熱力-機械-電氣為一體的設備整體，利用煤礦的廢棄瓦斯進行發(fā)電，不但可以變廢為寶，滿足煤礦的部分用電要求，還可以減少溫室氣體的排放，提升煤礦井下的安全系數。

瓦斯發(fā)電作為一項快速發(fā)展的先進技術，已經具備了較為成熟的技術積累和應用案例，已被很多大型煤礦安裝使用，用以幫助煤礦達到“以抽保用，以用促抽”的生產目標。針對瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的研究，很多文獻多從如何提升效率出發(fā)，針對不同的外界條件對發(fā)電系統(tǒng)的效率影響進行研究[1，2]；而針對瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的研究多從模擬整個系統(tǒng)著手或從某一具體發(fā)電環(huán)節(jié)進行研究[3-6]，這些研究為人們研究瓦斯發(fā)電系統(tǒng)奠定了重要基礎。隨著瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的普及，針對瓦斯發(fā)電系統(tǒng)故障的研究逐漸被關注[7，8]，這些研究主要從工程實踐角度，對瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的故障原因進行分析，并給出指導性防范意見，屬于事后處理的手段。有鑒于此，文章通過對已有研究文獻的梳理，針對瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中易出故障部分-發(fā)動機部分進行了研究，從發(fā)動機的工作原理出發(fā)，搭建了發(fā)動機核心工作單元的數學模型，并混合使用Simulink和Stateflow工具箱，搭建了仿真模型，實現了瓦斯發(fā)電系統(tǒng)常見故障的仿真。

2 工作原理及數學建模

真空泵將瓦斯從井下抽采出后，即進入裝有加壓泵的瓦斯泵房對抽出的瓦斯進行加壓，以便于遠距離傳輸，經過加壓后的瓦斯由專用瓦斯輸送管道進行輸送，由于瓦斯被壓縮，其溫度較高，故加壓后的瓦斯在進入瓦斯發(fā)電機組之前，需要利用預冷機組對其進行降溫處理，然后才能滿足瓦斯內燃機的需求。發(fā)電機組在吸入加壓瓦斯同時，控制系統(tǒng)會根據瓦斯的濃度調整空氣的進氣量，以確保瓦斯和空氣達到最佳的燃燒混合比，最大化的提升瓦斯燃燒效率。經混合后可燃氣體瓦斯通過進氣歧管送至燃燒氣缸內進行燃燒，燃燒時產生的壓力推動活塞做往復運動，活塞再推動曲軸做旋轉運動，曲軸與發(fā)電機通過聯軸器連接，曲軸帶動發(fā)電機轉子轉動，發(fā)電機發(fā)出的電能經過變壓器后，輸送給用電設備，至此完成整個發(fā)電流程，該流程是一個涉及化學能、機械能以及電能轉化的復雜過程。

根據內燃機的工作原理，瓦斯發(fā)電機的輸出功率與內燃機缸內可燃氣體的空氣質量流率、歧管的熱力學參數、可燃混合氣體濃度以及外界負荷等因素都有著密切的聯系，這些因素的關聯性可由下述公式描述：

(1)

(2)

(3)

節(jié)氣門處的有效截面積由節(jié)氣門角度決定，該角度根據外界的負荷變化和可燃氣體濃度進行適當調整。為了簡化Athreff分析，在建模時，采用四次多項式(4)來近似描述有效流通截面積與節(jié)氣門角度之間的關系[10]，公式中的系數項可由出廠時的測試試驗數據確定。

(4)

其中：αthr—為節(jié)氣門開度(%)。

(5)

Φc=βn0+βn1n+βn2n2+βp1(pm-p0)

(6)

由上式可見對于任意給定的轉速n，充量系數與歧管絕對壓力成正比；對于給定的歧管絕對壓力，充量系數依賴于轉速的平方。式中的系數可以利用穩(wěn)態(tài)工況中的實驗數據通過最小二乘法獲得。

發(fā)動機燃料燃燒產生的轉矩可由下式計算得到

(7)

其中：CT為發(fā)動機常數；AFR(φa，Pm，n)—空燃比對發(fā)動機轉矩的影響；SPI(δ，Ttq，n)—點火角對發(fā)動機轉矩的影響；在本文的后續(xù)仿真參數設置中，上述兩個參數根據文獻[12]給出的數據進行計算得出；φa—充氣的過量空氣系數。

發(fā)動機實際輸出轉矩可以由下式計算得到

Ttq=Ttqcomp-Ttqpump-Ttqfric

(8)

其中，Ttqpump是發(fā)動機進排氣過程需求的轉矩；Ttqfric為發(fā)動機的摩擦阻力矩，以上二者可以通過測量發(fā)動機出廠時的技術參數獲得。

3 仿真模型搭建

通過對上述公式的分析，以及結合實際發(fā)動機的工作過程，系統(tǒng)的仿真過程如下：首先空氣經過空氣濾清器進入混合器，燃氣和空氣經混合器混合后，再通過調速節(jié)氣門(對應仿真模型的：Throttle)進入發(fā)動機進氣歧管(對應仿真模型的：MAP)。調速節(jié)氣門的開度由轉速控制系統(tǒng)來控制，當速度指令需求改變后，轉速控制系統(tǒng)通過某種控制策略計算出調速節(jié)氣門的目標開度，從而使得發(fā)動機速度達到目標轉速(對應仿真模型的：SPEED)?；旌蠚膺M入進氣歧管后會分散開來進入每個氣缸，點火系統(tǒng)通過凸輪軸和曲軸位置信號獲取發(fā)動機當前所處的角度信息，從而控制點火線圈的充放電時刻，使得每個氣缸在正確的時間點火?；旌蠚庠跉飧變热紵瓿珊?，在排氣沖程通過排氣門將廢氣排入排氣管，再通過三元催化器將廢氣中的 CO、HC、NOX 等有害氣體通過氧化-還原反應轉化為二氧化碳、水和氮氣等無害氣體排入大氣中。排氣管上裝有氧傳感器(對應仿真模型的：EGO)，可以測量空燃比值反饋給空燃比控制系統(tǒng)，空燃比控制系統(tǒng)通過某種控制策略調節(jié)燃料節(jié)氣門開度使得混合氣空燃比達到目標值，根據此流程搭建的仿真模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電機故障模擬系統(tǒng)

燃油控制系統(tǒng)作為整個仿真模塊的核心，其工作流程的設計是否合理直接關系到整個仿真結果的準確性。在本文的仿真模型中，燃油控制系統(tǒng)分別由控制邏輯單元、空氣流量控制單元以及燃油控制單元按著一定的控制邏輯共同完成。

圖2 燃油控制系統(tǒng)

控制邏輯單元由一組六個并行狀態(tài)組成的單個狀態(tài)流圖完整地實現了控制邏輯。圖3頂部顯示的四個并行狀態(tài)對應于四個單獨的傳感器，分別為空氣、壓力、速度以及節(jié)氣門的角度，通過這些傳感器實時采集外部的工作狀態(tài)，底部剩余的兩個并行狀態(tài)將同時監(jiān)控四個傳感器的狀態(tài)，根據傳感器的狀態(tài)以及預設的工作狀態(tài)轉移條件確定整個系統(tǒng)的工作模式。在運行過程中，該模型以0.01秒的定期采樣時間間隔同步調用整個狀態(tài)流圖，以便該控制模塊可以及時跟蹤外部工作狀態(tài)的變化，及時調整到最佳的工作模式。

圖3 控制邏輯單元

發(fā)動機空氣流量是一個與發(fā)動機轉速、歧管壓力以及節(jié)氣門角度、燃燒倉體積、溫度都相關的一個時變物理量。在仿真中，為了實現工作狀態(tài)的快速計算，可事先根據式(5)計算出各種工作狀態(tài)的空氣流量值(圖4中的Pumping constant模塊)，然后采用查找表的方法進行快速計算，然后乘以速度和壓力以形成初始流量估算值。在瞬態(tài)過程中，節(jié)氣門率(由高通濾波器估算出的導數)會校正空氣流以實現動態(tài)參數的補償。

圖4 空氣流量控制單元

燃燒控制系統(tǒng)的模型搭建如圖5所示，該模型的搭建主要根據發(fā)動機的物理工作特性，動態(tài)調整空氣-燃料比，以確保燃料的充分燃燒，其數學模型的實現將空氣質量流量(從進氣歧管泵出)除以燃料質量流量(在閥門處注入)。理想的(即化學計量的)混合比例為空燃比為[12]14.6。通常，傳感器決定廢氣中殘余氧傳感器 (EGO)的數值可以用來指示燃燒的效果，為閉環(huán)控制提供了一個反饋測量。

圖5 燃燒控制單元

在正常運行情況下，該模型估算氣流速度，并將估算結果乘以期望比率的倒數，從而得到燃料速度。從氧傳感器反饋提供了一個閉環(huán)調整率估計，以保持理想的混合比例。

4 仿真研究

為了驗證模型的有效性，選取了勝動集團生產的燃氣發(fā)電機組12V190機型作為仿真對象，該機型由于以其良好的性價比和發(fā)電性能，被大量發(fā)電集團選用。該機組的發(fā)動機部分使用了1FC6發(fā)動機，其主要參數有：活塞行程210mm，熱耗率11.5MJ/kWh；活塞平均速度7 m/s；空氣密度取1.223kg/m3，轉動慣量取0.089kg·m2，發(fā)動機的性能參數如圖6的MAP所示。在本文的仿真中，首先由搭建的仿真模型仿真出不同節(jié)氣門張開度時，發(fā)動機的輸出性能，并將該實驗數據與MAP圖中的數據進行對比，以驗證仿真模型參數選取的正確性，在完成該階段的校驗后，通過預設的傳感器故障，模擬各種故障條件下的發(fā)動機的性能變化。

圖6 發(fā)動機MAP曲線圖

圖7，8為不同節(jié)氣門張開角度與發(fā)動機轉速，發(fā)動機轉速與轉矩之間關系，仿真時，節(jié)氣門的角度范圍從10度到18度的范圍進行變化，隨著節(jié)氣門張開角度的變化，發(fā)動機的轉速在1000/min轉至2000轉/min、轉矩在65/ft-lb到315/ft-lb的范圍內進行變化，其變化規(guī)律與MAP圖中的變化規(guī)律相一致。

圖7 節(jié)氣門與轉速關系圖

圖8 轉速與轉矩關系圖

圖9為節(jié)氣門關閉時，轉速的變化特點，從圖中可以看出，當節(jié)氣門關閉時，轉速也發(fā)生了相應的變化，此變化為非線性變化，并且在響應時間上有1.4s的時間滯后，該變化的原因是由于發(fā)動機的轉動慣性造成，通過多次仿真得知，對于不同的最高轉速，本文搭建的仿真模型的最大響應滯后時間可控制在2.3s以內。

圖9 節(jié)氣門關閉時發(fā)動機響應

由文獻[13]可知，通過對某煤礦的發(fā)電機組故障統(tǒng)計占比可知，機組故障率占比接近70%，在這70%的故障中，進氣系統(tǒng)占了多數，由于進氣系統(tǒng)的故障，導致 “爆機”頻發(fā)，嚴重影響了生產的效率。在本文的仿真中，選取與故障關系密切的空燃比指標作為監(jiān)控仿真對象，仿真了多種故障情況下的空燃比的變化過程。

由圖10可知，正常情況下，仿真模型可以按照預設的理想空燃比14.6運行，空燃比運行在14.54至14.8之間，基本在理想之間波動，此時發(fā)動機對外做功一切正常。

圖10 正常情況下的空燃比

圖11為進氣歧管發(fā)生故障時，由于故障，導致瓦斯氣體不能正常進入壓縮氣缸，此時空燃比發(fā)生劇烈波動，達到正常值的10倍以上，此時，壓縮氣缸由于缺少可燃氣體，導致“爆機”故障發(fā)生，在控制器的控制下，發(fā)電機組被執(zhí)行停機操作。

圖11 進氣歧管故障

從圖12是節(jié)氣門發(fā)生故障時，此時由于節(jié)氣門不受控制器控制，導致空燃比在一定時間范圍內保持一定的恒定值，此時，控制器檢測到故障，立即減少瓦斯氣體的供給，以確保燃燒氣缸內的可燃氣體壓力逐漸降低，直至停機。

圖12 氣門故障

5 結論

文章針對瓦斯發(fā)電機組的動力傳遞過程進行數學建模，并在在此基礎上基于Simulink和Stateflow 工具箱搭建了仿真模型。仿真模型選取了勝動集團的燃氣發(fā)電機組12V190作為模擬研究對象，利用發(fā)動機提供的MAP圖，首先通過對MAP圖的量化為數據表格，形成控制邏輯依據。仿真過程中，通過調用表格中的數據，實現相關參數的變化，該方法避免了復雜的解析式的求解，可以簡單、快速地實現控制參數的改變，模型仿真結果表明，文章建立的模型可以較好模擬真實發(fā)動機的工作狀態(tài)，在此基礎上，針對瓦斯的三種典型故障進行了模擬仿真，仿真過程中，通過監(jiān)測空燃比的變化，得出不同故障情況下，空燃比的變化范圍和時間曲線，該結果可為今后瓦斯電站的故障診斷提供基礎數據。