燃气发动机组控制系统方法探究

史书臣

(天津信达自动化工程有限公司，天津 300461)

燃气发动机组控制系统方法探究

史书臣

(天津信达自动化工程有限公司，天津 300461)

以船用四冲程天然气燃料发动主机为参考模型，研究分析了以天然气为燃料的发动主机系统启动、主机系统状态监测、主机系统调速控制、机械设备安全保护控制等；在满足船级社“天然气燃料动力装置”技术规范与相关国家标准的前提下，通过对发动机组控制系统框架的介绍、控制系统的软硬件设计的分析、控制系统的各控制功能的解析、燃气发动机的调速控制以及在调速控制下的燃烧控制等方面的阐述，探究一种以天然气为燃料的发动主机控制系统优化设计模型与方法，实现对以天然气为燃料的发动机组的可靠准确控制，提高了其工作稳定性、可靠性以及经济性。

发动主机 天然气 优化设计 控制系统

天然气燃料发动机组是适应国际海事组织海上排放控制要求和市场环境而开发的新型动力设备，目前世界上正在研发的天然气燃料船用发动机主要有两种类型： 在柴油机机型上改进的双燃料发动机和采用天然气作为燃料的奥托循环全新发动机，前者既可以用柴油又可以用天然气作为船舶动力燃料，后者只使用天然气作为燃料。国外知名厂商已开发出天然气发动机组，国内对天然气船用发动主机的研究还处于起步阶段。

天然气燃料主机取代燃油或双燃料主机，将较大程度降低发动主机和燃料系统的维护要求，设备保养周期长，机舱更加清洁，操作上无需燃料切换，具有一定的维护使用优势，天然气发动机组在结构和管理上有鲜明的独特性。

天然气燃料具有易燃、易爆、危险性高的特点，所以在满足船级社船用设备相关规范标准的前提下，控制系统设计必须考虑更可靠的逻辑关系，更高等级的安全控制，提高系统冗余配置，应用现代工业自动化技术实现气体燃料主机的自动控制，更好地实现以天然气作为气体燃料发动机的燃烧控制的准确性。

下面以船用四冲程天然气燃料发动主机为模型，结合相应的船级社规范标准，探究一种天然气燃料主机的控制方法。

1 气体发动机控制系统功能构架

气体燃料使用的安全性是天然气燃料动力船舶的一个重要关注点，该类发动机组的控制系统部分又是机组实现安全可靠运转的核心组成部分，天然气燃料(LNG燃料甲烷值高于70%的甲烷气体)具有易燃易爆危险性特征，按照船级社《气体燃料动力船检验指南》特殊规范要求，船用天然气主机一般要达到本安型设计要求；天然气主机本安型设计能较好地适应船舶布置，可在正常和非正常状态均处于可燃气体安全模式，整套燃气供气设备结构上使用双层管或带套管保护装置，导管空间及供气管线内部设有可靠的气体探测设备，实现实时气体安全监控，天然气主机结构特点和船级社规范要求决定了天然气主机的控制系统不同于柴油燃料主机控制系统。

气体燃料发动机组在结构和燃烧理论上不同于传统的柴油内燃机，如气体燃气发动机组应用先进的“共轨技术电控加执行机构”取代了“机械高压油泵及正时机构”等，气体燃料发动机组一般在气体燃料和空气进入机组前进行预混合，每缸需附带点火机构或系统，设置先导燃气预燃室，以便在“做功冲程”阶段快速和完全点燃主燃室压缩燃气，为各缸单独提供燃料气供应以及进行单独燃料气流量定量调节，故气体燃料动力机组可实现稀薄燃烧。

结合天然气主机启动、停车、运转控制、安全监测、报警保护等不同工况要求，可将其控制系统划分为四部分功能控制区，以完成机组的各个操作和监控功能，控制区包括安全保护控制功能块、机组状态监测控制功能块、调速控制功能块和启动程序控制功能块四部分，各控制功能块被组合集成在统一的控制系统内，形成一个完整的控制系统，各控制块有各自的内部逻辑功能特点并相互独立，故天然气主机控制系统在设计和配置上是一种集散控制系统模式，其系统框架如图1所示。

图1 天然气主机控制系统架构示意

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件基本构成

控制系统结构由以下几部分组成：

1) 控制系统。主要由具有SIL3等级的PLC控制单元、I/O模块等组成。

2) 监控终端。可以实现机旁监控屏和控制室远程监控屏独立和切换完成监控操作，主要由操作面板单元、单元报警指示单元、监控机组参数、机组运行监测、机组启动控制、机组安全监测报警、机组辅助设备管理等构成。

3) 探测及执行机构单元。主要由点火系统、速度、温度、压力、负荷探测传感设备和执行机构等构成。

4) 传输单元。主要由信号转换设备和信号传输设备等构成。

2.2 硬件连接

发动机组和控制室内的状态监测系统以通信的方式相连接，基于信号总线和以太网的二层网络结构的网络化船舶主机控制系统设计理念，构成了控制系统的关键技术，该系统具有较好的扩展性和较高的可靠性。

基本模块单元控制系统采用硬线连接方式，机组控制器间和操作监控系统通过RS-485总线Modbus协议的主从式高速通信技术实现通信。

3 系统控制功能解析

机组集散控制系统以安全控制为首要控制，机组安全保护控制和状态监测控制分别采取独立的数据采集和控制模式；机组调速控制和启动程序控制分别包含有针对机组应对负荷变化和多种程序的应用软件包，确保精确灵活地调节机组各种工况下燃料气的供给，满足可靠高效性要求，最大限度地发挥动力机组有效功率。

3.1 安全保护控制

鉴于天然气主机的特殊性要求，为天然气主机设置了独立的安全保护控制模块，执行重要的安全保护功能，因而控制系统要求有较高安全等级的硬件配置，整套安全保护控制系统应选用高于SIL3等级硬件，以降低控制系统的事故发生风险概率；控制系统电源，中央处理器及通信网络，执行模块控制环路采用双机热备冗余配置，进一步提高了系统的工作可靠性。控制器后备供电由满足容量要求的USP系统进行保障；安全保护报警系统可自动识别检测监测传感器的断线故障、控制器的电源故障及系统内部故障，控制系统中电源故障可直接在显示终端上显示；通过双回路探头实时采集机组关键参数数据进行比较，反馈到安全控制器，进行监控安全保护机组。

安全控制保护功能主要包括： 机组转速超速报警保护停车；缸套水温高高报警停车；润滑油压力低低压报警停车；齿轮机构低低油压报警保护停车；启动设备低低油压报警保护停车；手动紧急按钮触发停车；点火系统失败停车；调速器故障停车；火焰监测报警停车；排烟温度高高温报警保护停车；天然气泄漏浓度高报警停车。

由于天然气的易燃易爆性，对于天然气供气系统应进行全面的安全监控，如果发生低量泄漏时，进行报警提示并通过控制逻辑手动或自动进行主机降速；如果天然气供气系统严重泄漏时，安全控制系统通过安装于供气系统的联锁阀，自动关闭主机供气阀，开启通向大气的放气阀，采用惰性气体迅速驱散天然气，将供气系统内的燃气驱入大气，将供气系统惰化，以确保天然气不进入外套管路或溢出，并发出报警指示。

3.2 启动及程序控制

机组收到启动指令后，控制系统对系统和执行单元(包括联锁阀气密检查)状态进行扫描自检，只有当所有装置处于启动状态时才允许解除启动联锁进入触发启动程序，当发动机依靠压缩空气启动达到最低点火转速时，点火系统通过连接到各气缸的火花塞高压打火，然后打开发动机的气体燃料供应联锁阀，按低负荷模式以给定燃料气量进入机组。

燃气机组的启动及程序控制执行功能主要包括： 机组启停功能，启动锁定和三次启动失败报警自动锁定功能；远程遥控启动或机旁本地启动功能；机组辅助设备主/备用的启停与选择功能；自动启停缸套水加热控制；机舱通风系统和曲轴箱通风系统联锁控制；天然气燃料阀自动锁定和气密检测功能；应急电源及控制系统后备电源控制；停车程序控制。

3.3 机组状态监测控制

机组状态监测功能模块通过完整实时的状态监测和准确的故障诊断，及时发现机组的每个安全隐患，保证机组的平稳运行；机组的状态监测主要依据机组的当前状态实时数据进行，监控数据主要包括： 机组缸体、排烟、流体介质各点温度监测；机组润滑油与冷却水液位监测；机组转速监测；燃气供应系统压力点监测；机组振动矢量和矢量变化监测；调速器状态信号监测；机组润滑油压力监测。

机组状态监测控制器通过采集机组转速、排烟温度，振动矢量(包含监测机组喘振)等相关数据到控制系统的I/O采集卡，传送至远程遥控系统中进行监控显示，并预测各机组状态数据变化趋势与相关报警提示。

3.4 机组调速控制

天然气主机依靠电子调速控制器实现机组的燃烧控制、速度调节和负荷控制功能；调速控制单元的负荷限制模块用于限制机组负荷过速，调速单元具有时间延时功能，根据油门调节指令和燃烧排烟检测结果实现准确的燃料供应给定值；电子调速器附带机械与液压执行单元，执行单元通过可调连杆机构调节控制燃料气流量。

燃气机组的调速控制功能包括： 机组不同阶段和指令下的速度调节；机组过载荷限制控制；燃气、空气比例控制；燃气压力调节控制；燃气机预燃室压力调节；空气流量调节控制；燃料定时调节程序负荷极限控制；滑油和冷却水介质温度和压力调节。

3.5 调速燃烧控制

1) 执行启动程序天然气发动主机进入启动阶段，控制系统自检完成后，触发压缩空气启动装置进行驱动，当发动机组达到点火转速且满足点火条件时，启动程序允许输入低流量启动燃料气，每缸按正时顺序自动点火，燃气机组达到正常转速后，程序退出启动控制，发送机组转入负荷控制阶段。

2) 气体燃料发动机燃烧控制应用“共轨技术理论”进行燃料控制，实现精确燃料供给，高压共轨系统实现燃料压力建立和喷射过程的分离，使过程控制实现精确的油量调整，使燃料定时定量输入以达到对发动机组的负荷控制；负荷程序控制主要是通过电子调速器PLC内置的PID功能控制模块实现无扰动的快速调整；燃烧控制分为主/从调节系统，以机组速度调节为主控回路，主燃料进气及空气流量调节为辅助环回路，辅以天然气燃料进气流量单交叉限幅，以实现天然气发动机组燃烧控制回路程序设计目标，使燃料气流量控制阀(快速电磁阀开度)的调节量在限定范围内，从而使燃料气产生的过程负荷在小范围内波动，避免使主控回路调节器产生调节饱和。因此，可加快滞后较大的主环动态响应，提高系统调节平稳性，使主燃气以最佳配比燃烧，输出柔性平稳动力。

3) 主环程序内备份有理论计算出的各种工况下负荷变化率和负荷限制控制，经过机组具体试验和调试得出的满足机组安全和经济的投运情况下燃机负荷变化率，作为负荷变化率曲线，主燃料进气流量的设定值不单纯取决于调速调节器输出信号，而且受到主燃气回路流量的瞬时值的限制，即按天然气燃料热焦理论配比值求出应配燃气流量值，作为上、下限幅值，实现不同阶段燃料与空气混合物达到最佳配比控制，同时也引入机组尾气氧含量作为优化参考参数，提高燃烧调速精确控制。

4) 天然气经减压后进入电控调压器，电控调压器根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量。天然气与空气在混合室内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧，火花塞的点火时刻由调速控制器通过24 V电源输出控制，氧传感器监控即时燃烧后的尾气氧浓度，推算出空燃比，控制器根据氧传感器的反馈信号和控制MAP及时修正天然气喷射量，逐缸供应燃气、空气流量。

5) 当出现发动机组温度过高等情况时，控制系统会自动降低加负荷速度。控制系统通过遥控操作单元监控发动机组的各实时参数，并接受包括负荷指令在内的各种实时控制指令，控制系统接受负荷控制指令后，根据机组的运行方式和工况，平衡控制实际负荷完成对机组负荷加减载，使整个机组负荷精确追踪负荷指令。调速燃烧控制工作原理如图2所示。

图2 天然气主机调速燃烧控制工作原理示意

4 结束语

由四部分有机构成的控制系统能够完成天然气燃料机组状态安全检测，平稳启动，天然气发动机组完整的负荷过程控制(燃料空气比例控制、速度控制、超速保护等)，机组运行控制，安全联锁保护控制等各项功能。控制系统在满足船级社规范要求的基础上，使天然气燃料主机能较好地利用“稀薄燃烧”技术，使发动机的效率和动态响应性能更加优越，同时在如下方面进行了优化：

1) 改善发动机机组负荷控制的稳定性和响应性能。

2) 通过快速响应的信息化集成平台实现控制过程的灵活性。

3) 防止机组喘振和过负荷现象。

4) 启动和停车多点安全保护控制。

5) 控制结构简单明了，故障点检查方便。

控制系统方法适合在负荷多变的船舶上使用，实现良好的调速特性，在机组小负荷状态下可使燃料/空气混合物达到最佳燃烧控制，保证发动机的良好动力输出，机组控制稳定可靠，具有较好的经济性。

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Discussion on Control System Methods for Fuel Gas Engine Unit

Shi Shuchen

(Tianjin Sinoda Automation Engineering Co. Ltd.， Tianjin， 300461， China)

Taking four stroke natural gas host engine as a reference， the system startup， host engine system state monitoring， speed regulating， safety protection control and so on are investigated for host engine with natural gas as fuel. Under premise of meeting technical specifications of “natural gas fuel power plant” of ship classification society and related national standards， one kind of design model and method of optimization of control system for launch host using natural gas as fuel is explored through introduction control system framework， analysis of hardware and software design of control system， analysis of each functions of control system， speed regulation and combustion under speed control etc. to achieve reliable and accurate control for engine using natural gas as fuel， and to improve stability， reliability and economic efficiency.

start main engine； natural gas； optimal design； control system

史书臣，男，1989年毕业于沈阳化工学院生产过程自动化及计算机应用专业，现就职于天津信达自动化工程有限公司，主要从事过程控制、机电设备控制设计及大型工程项目管理等工作，任高级工程师、总工程师。

TP273

B

1007-7324(2015)01-0039-04

稿件收到日期： 2014-10-31。