基于分段线性化算法的文丘里混合器控制系统设计

宋泉训 李奇 陈洪刚 孙福建

摘要：沼气发电机组配套使用文丘里混合器，用户对沼气发电机组性能及自动化控制程度提出要求，设计了基于分段线性化算法的文丘里混合器控制系统。本文主要介绍了该自动化控制系统的硬件设计、分段线性化控制方法和验证试验研究。试验结果表明：基于分段线性化算法的控制系统满足沼气发电机组文丘里混合器的使用要求，燃气发电机组功率响应迅速，且控制系统构造不繁琐，能够很好的提高沼气发电机组的效率和性能。

关键词：沼气;分段线性化算法;文丘里;混合器;控制系统

引言

随着政策环境的日益完善以及能源价格的市场化改革，我国沼气分布式能源市场迎来重要机遇。与此同时，用户对燃气发电机组的自动化要求越来越高，沼气发电机组性能及自动化控制程度已直接影响到产品的市场竞争力。对于配套文丘里混合器的预混燃气发电机组而言，设计一种构造简单、自动化程度高、调节实时性好的混合器控制系统，保证机组能够在不同工况下性能稳定，且能够满足大功率机组需求，无论是在实现机组全自动化控制还是孤网运行来说，都已迫在眉睫。

基于分段线性化的算法，设计了一套能够实现空气、燃气的混合以及空燃比实时调整的自动化电气控制系统，实现空燃比的闭环控制，提高机组性能和效率。

1 控制系统的硬件组成

图1所示为基于分段线性化算法的控制系统构造图。控制系统有PLC中央处理单元（SMART 200）、模拟量模块（EM AM06）、触摸屏（1000IE）、蝶阀控制器（TOP4221）、电子调速器（TOP1302）。

（1）处理器模块：是控制蝶阀开度和调速器开度的核心控制器，通过调节阀体开度，实现空燃比闭环控制和功率调节。

（2）模拟量模块：通过4-20mA的电流信号控制调速器和蝶阀开度，并计算当前阀体的实际开度。

（3）燃气蝶阀控制器：控制伺服电机，调节燃气蝶阀开度，实现燃气进气量的调节。

（4）电子调速器：由控制器、驱动器、执行器组成，控制混合后的燃气总进气量。

（5）触摸屏：通过触摸屏的人机界面可以手动控制蝶阀开度，并实时显示燃气蝶阀和调速器的当前开度。

2 控制方法设计

根据文丘里混合器的混合特性，燃气发电机组的功率与燃气蝶阀的开度成一定的线性关系。基于分段线性化的控制方法，就是通过手动标定蝶阀开度与机组功率对应关系的方法，然后在控制系统中设定指定功率对应的蝶阀开度，实现不同功率段对应蝶阀开度的控制，从而达到文丘里混合器进气系统自动化控制的目的。

2.1手动标定

通过自复位开关S1手动调节燃气蝶阀开度来控制空燃比，使8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）燃气发电机组在0kW～1000kW负荷之间稳定运行。每隔100kW对蝶阀开度进行记录和标定，标定完成后，保存数据，降负荷停机。标定结果及试验数据见表1。

2.2 分段线性化处理

根据手动标定所记录的有效功率（kW）对应的蝶阀开度（°）数据，形成分段线性曲线，曲线图见图2。

2.3自动控制程序设计

根据分段线性曲线，设计自动化控制程序。通过触摸屏设定配套文丘里混合器的燃气发电机组有功功率对应的燃气蝶阀开度值，控制系统将拟合一条趋于标定曲线一致的蝶阀开度控制曲线，从而实现任意功率对应蝶阀开度的控制。设定界面见图3。

2.4自动控制试验验证

将机组切换为“自动控制”模式，重新开机，按照负荷特性试验下负荷率进行加载，自动控制模式下，机组运行数据见表2。

由试验数据可以看出，随着目标功率的增加，控制系统能够准确地找到该工况所对应的蝶閥开度且实现有功功率的快速响应，机组各工况参数与标定时基本一致。机组在自动化控制模式下运行稳定。

3.结论

（1）基于分段线性化的文丘里混合器控制系统设计，满足8300ZLD/Z（600r/min，1000kW）型增压机组的使用要求。

（2）不同功率段对应的蝶阀开度为可设定值，在气源发生变化时，可以人为更改蝶阀设定开度，从而匹配新的线性特性。

（3）孤网运行时，现场可能没有逐渐增大的稳定负载进行标定，可能无法达到精确控制。

参考文献：

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