瓦斯发动机气源波动适应性分析及改进

徐凯峰 郭进举 李治朋 夏立敏 陈毅

摘要：为解决低浓度瓦斯气源波动造成的发动机功率波动、分闸、放炮、停机等故障，进一步提高瓦斯发动机气源波动适应性，以某12缸低浓度瓦斯发动机配套机组为研究对象，分析瓦斯气源波动对发动机性能的影响；增加故障降载功能对发动机控制系统进行优化，并进行试验验证。结果表明：瓦斯中甲烷的体积分数变化率低于0.1%/min时，发动机功率波动不大，控制系统能够通过闭环控制使发动机恢复到稳定状态；瓦斯中甲烷的体积分数变化率大于1%/s时，发动机运行在额定功率的90%、50%工况时，功率波动较大，试验过程中伴有放炮现象；在瓦斯发动机控制系统中增加故障降载功能及进行参数标定后，当气源剧烈波动时，控制系统及时降低发动机功率、快速修正瓦斯流量，使发动机安全平稳度过瓦斯波动期，增强发动机瓦斯气源波动适应性。

关键词：瓦斯发动机；控制系统；标定；适应性；故障降载

中图分类号：TK437文献标志码：A文章编号：1673-6397（2024）02-0072-06

引用格式：徐凯峰，郭进举，李治朋，等.瓦斯发动机气源波动适应性分析及改进［J］.内燃机与动力装置，2024，41（2）：72-77.

XU Kaifeng，GUO Jinju，LI Zhipeng，et al.Adaptability analysis of gas source fluctuation in a gas engine and its improvement［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：72-77.

0 引言

利用瓦斯发电的燃气发电机组可以降低煤矿低浓度瓦斯直接排放导致的温室效应和环境污染，综合利用低浓度瓦斯，具有较好的市场应用前景，但受煤矿瓦斯气抽采技术制约，瓦斯气源波动不可避免^[1]。目前瓦斯发动机的控制一般采用空燃比闭环控制模式，控制系统通过设定空燃比和甲烷浓度对燃气流量进行调节，瓦斯发动机在波动的气源条件下运行时，设定的空燃比不能快速响应，甲烷传感器采集数据存在延时且有误差，不能实时反馈瓦斯中实际甲烷浓度，容易造成发动机功率波动、分闸、放炮、停机等，严重影响瓦斯电站正常运行，甚至导致设备损坏的严重事故及人身伤害。因此，控制瓦斯波动对发动机运行过程的影响，提高发动机运行的安全性和稳定性至关重要。

本文中针对瓦斯气源缓慢和剧烈波动进行发动机标定试验，分析气源波动时瓦斯发动机运行参数，针对性地对控制系统进行优化、标定，解决发动机运行过程中的分闸、放炮、停机等故障，使其恢复到稳定状态运行，提高瓦斯发动机气源波动适应性和可靠性。

1 系统配置

以某四冲程、增壓中冷瓦斯发动机为研究对象，发动机主要技术参数如表1所示。

瓦斯发动机的控制系统由大型发动机控制模块（large engine control module，LECM）控制器、人机界面、空气调节阀、燃气控制阀、节气门、点火线圈、火花塞、线束及各类传感器组成，实现发动机的调速控制、空燃比控制、点火控制、爆震控制、发电管理等功能^[2]，控制系统框图如图1所示。人机界面实现实时监测并存储发动机转速、功率、机油温度和压力、进气温度和压力、排气温度、冷却水温度等运行参数，便于进行数据分析。甲烷浓度激光传感器将管道燃气中的甲烷浓度信号发送给控制器，参与发动机控制，甲烷传感器的响应时间小于50 s。

调整系统标定能够实时调整控制参数，选择燃气控制模式，使发动机在不同模式的控制参数下运行，标定系统同时监测运行数据，及时了解发动机的运行状况。

为保证发动机安全运行，系统内设置多级保护功能。发动机保护主要包括急停保护、超速、机油压力低、高温冷却水温度高、排温高、进气温度高等保护功能，配套机组具有过电流、差动、过电压、欠电压等保护功能。试验过程中，安全保护系统在发动机出现故障隐患时，发出声光报警信号，保障发动机在运行中不损坏^[3-5]。

2 发动机标定试验及分析

2.1 发动机标定

运行试验前对发动机进行参数标定，将控制器设定在开环控制模式，根据发动机特性，在某功率运行点，根据发动机的进气压力、转速三维图表，标定空燃比和充气效率，控制器根据实时甲烷体积分数、进气温度、进气压力、空燃比及充气效率计算燃气流量，实现对燃气控制阀的精准控制，保证瓦斯进气量；由于瓦斯气内含有氧气、氮气等成分，进行空气控制阀开度标定，控制器根据设定的空气控制阀开度控制空气流量，保证发动机在一定空燃比状态下运行；标定调整调速比例积分微分（proportional integral derivative，PID）系数^[6] ，将发动机功率波动控制在合理范围。发动机在该功率稳定运行后，标定计算功率表格，使得LECM控制器的计算功率与实际功率一致、设定空燃比与实际空燃比一致，保证发动机运行在最佳状态^[7]。

标定完成后，将控制器设定为空燃比闭环控制模式，控制系统根据设定的空燃比及实测空燃比进行闭环修正，使发动机运行在设定的最佳状态^[8]。

2.2 试验方案

瓦斯发动机运行在额定转速，设定输出功率P₀分别为额定功率P_en的30%、50%、90%，研究瓦斯气源波动对发动机运行的影响，试验工况条件如表2所示。

2.3 瓦斯气源波动分析

煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丙烷、丁烷、空气及微量的惰性气体，由于抽采工艺和气源分布等原因，瓦斯内甲烷体积分数波动和瓦斯供气压力波动等气源波动不可控。

控制管道中供气压力不低于5 kPa，在瓦斯供气压力波动情况下对发动机进行试验及数据分析。供气压力波动，发动机功率出现波动^[9]，可以通过控制系统自主调节后恢复稳定运行。调节供气压力进行发动机试验，测量功率和供气压力变化率α的关系，如表3所示。

瓦斯中甲烷体积分数波动包括长期缓慢波动和瞬时剧烈波动，本文中针对这两种情况分别对发动机进行试验和数据分析。发动机起动并热机良好，机油温度不低于60 ℃，控制系统在闭环控制模式下运行，保证供气压力不低于5 kPa，设定输出功率分别为额定功率的30%、50%、90%，瓦斯中甲烷体积分数缓慢波动、瞬时剧烈波动时，发动机实际输出功率P_a如图2所示。

由图2a）可知：瓦斯中甲烷的体积分数长期缓慢波动，变化率低于0.1%/min时，发动机在各工况点的功率波动不大，控制系统能够通过闭环控制使发动机恢复到稳定状态。

由图2b）可知：瓦斯中甲烷的体积分数瞬时剧烈波动，变化率大于1%/s时，设定功率为额定功率的90%工况运行时，实际输出功率波动较大，运行5 s左右发动机突然分闸、停机，试验过程中伴有放炮现象^[8]；设定功率为为额定功率的50%工况运行时，实际输出功率波动较大，运行15 s左右后发动机分闸、停机，试验过程中没有出现放炮现象；设定功率为额定功率的30%工况运行时，初期实际输出功率波动较大，随着时间延长，通过控制系统自主调节，发动机运行趋于稳定，持续运行。

综上可知，发动机低功率时抗瓦斯气源瞬时剧烈波动性能较强，中高功率时抗瓦斯气源瞬时剧烈波动性能较弱。

3 控制系统优化与验证

3.1 原理分析

基于速度密度法进行燃气发动机的燃气控制，从而控制燃气流量和空氣流量，瓦斯作为燃气时，需要根据甲烷的体积分数对燃气流量进行修正，甲烷传感器将检测到的燃气内甲烷体积分数发送给控制器，由控制器对燃气流量进行修正计算，进而控制燃气控制阀，使得发动机在合适的空燃比状态下运行^[10-11]。

空气体积流量

q_V，air=q_V，gasλ_stλ_des，（1）

式中：q_V，gas为天然气的体积流量，L/s；λ_st为理论空燃比；λ_des为设定空气系数。

混合气体积流量

q_V，mix=q_V，gas＋q_V，air=nVp_mapT₀η/（k₁k_tp₀T_map），（2）

式中：n为发动机转速，r/min；V为发动机排量，L；p_map为进气压力，kPa；T₀为标准状态下的气体热力学温度，T₀=273 K；η为充气效率；k₁为调节因数，本文中为四冲程发动机，k₁=2；k_t为时间因数，k_t=60；p₀为标准状态下的大气压力，p₀=101.3 kPa；T_map为进气热力学温度，K。

瓦斯体积流量

q_V，gas1=q_V，gas/φ=nVp_mapT₀η/[（1+λ_stλ_des）k₁k_tp₀T_map]。（3）

当发动机以闭环模式稳定运行在某功率时，根据式（3），瓦斯气源不变时，发动机需要的瓦斯流量基本不变，进气压力、进气温度、空燃比基本保持不变。一旦瓦斯气源中甲烷的体积分数波动，发动机在该功率下运行时的需求瓦斯流量变化，如果此时能够快速修正，发动机能够继续稳定运行，否则发动机的进气压力波动，导致功率波动^[12]。

气源波动时，由于甲烷传感器采集的信号存在延迟，易引起控制系统对瓦斯流量修正不及时，造成发动机功率波动、分闸、停机等故障。功率越高，需要修正的瓦斯流量就越多，也是中高功率时抗瓦斯气源瞬时剧烈波动性能弱的原因^[13-14]。

3.2 控制系统优化

基于前文分析结果对控制策略进行优化，增加故障降载功能，在瓦斯气源瞬时剧烈波动时，主动降低功率，降低控制系统需要修正的瓦斯流量，使发动机通过控制系统快速修正到稳定运行，增强瓦斯发动机气源波动适应性。故障降载模型如图3所示，图中，t₁、t₂、t₃为功能块有效后的持续时间，当持续时间大于t₁、t₂、t₃后功能块输出。

发动机起动运行后，当发动机实际功率超出设定的功能启用功率（降载功能启用时的功率）且持续时间超过t₁后，控制系统启用故障降载功能。

瓦斯气源发生剧烈波动时，如果闭环控制系统无法修正，发动机不能稳定运行，功率出现波动，此时控制系统根据实时功率、设定功率计算的差与设定的功率-波动曲线中的对应数据比较，当波动超出功率-波动曲线对应结果且持续时间大于t₂，经延时模块延时t₃后，降载功能触发。

控制系统按照预设的降载斜坡、降载数值进行降低功率，保证发动机能够稳定运行。降载斜坡指故障降载触发后，降低功率的斜率，标定值过高，发动机因为进气腔内多余的燃气造成放炮；标定值过低，发动机可能在降载过程中分闸、停机，无法起到保护作用。降载数值指故障降载触发后降低的功率，标定值过高，降低发动机工作效率；标定值过低，发动机功率没有降低到稳定工作区间，不能起到保护作用。故障降载功能还预留转速过高、排气温度过高等其他易造成机械损坏的降载保护功能。当发动机实际功率超出设定的功能启用功率且持续时间超过t₁，控制系统接收到其他降载指令后，同样执行故障降载操作。

3.3 参数标定及验证

功率-波动功率表格、降载数值、降载斜坡、功能启用功率、时间等参数均影响故障降载功能的应用，需要根据运行情况对这些参数进行标定。

功率-波动功率表格影响故障降载功能的开启，如果标定过高，无法起到降载保护效果；如果标定过低，导致发动机频繁降载，影响发动机的工作效率。

标定降载参数时，应该设定初始降载参数基准并使基准留有较大的裕量，保证发动机在气源瞬时剧烈波动时不发生故障；瓦斯气源瞬时剧烈波动时，观察瓦斯发动机运行参数变化并记录；修改降载参数，减小降载、增大波动、加大降载斜坡等参数后，观察瓦斯气源瞬时剧烈波动时运行参数的变化；经多次试验，找到各参数的临界结果；在留有10%裕量的基础上，设定功率-波动功率变化表格、降载数、降载斜坡等参数，为保证故障降载功能的快速响应性，t₁、t₂、t₃均设置为0。

控制系统故障降载参数标定完成后，瓦斯发动机进行运行试验验证，以额定功率的90%为运行工况，开展瓦斯气源剧烈波动时发动机试验，与未开启故障降载功能对比，试验结果如图4所示。

由图4可知：控制系统标定故障降载参数、开启故障降载功能后，瓦斯发动机在气源剧烈波动时，控制系统通过快速及时降低功率，快速修正瓦斯流量使发动机在低功率区持续运行；待气源稳定后，逐步提升功率至高功率区运行。

控制系统标定故障降载参数、开启故障降载功能，增强了瓦斯发动机气源波动适应性，节约了发动机重新准备起动到运行的时间和工作量，提高了发动机工作效率，避免发动机因突然分闸、停机造成的机械损伤及人身伤害。

4 结束语

1）通过对某瓦斯发动机控制系统标定，使发动机在各工况下稳定运行后，进行瓦斯气源波动试验和数据分析，瓦斯气源瞬时剧烈波动时，发动机在中高功率工况运行时，无法通过控制系统闭环调整快速修正瓦斯流量，出现分闸、放炮、停机等故障。

2）增加故障降载功能对控制系统优化，通过在瓦斯波动引起功率波动超出设定阈值后，主动降低功率，减小控制系统需要修正的瓦斯流量，使瓦斯发动机能够安全平稳地度过瓦斯波动期，增强发动机瓦斯气源波动适应性。

3）控制系统功能优化后进行数据标定、试验验证，瓦斯发动机能够适应瓦斯瞬时剧烈波动，未出现原有故障，优化方案有效；该优化方案简单易实现，可应用于其他型号瓦斯发动机控制系统。

参考文献：

[1]谢东海.我国煤矿瓦斯抽采技术现状与发展前景[J].科技视界，2013（2）：24-26.

[2]张晖，郭进举，董占春，等.E6控制系统在天然气发动机上的应用[J].内燃机，2020（2）：51-53.

[3]张晖.JC15T型天然气机控制系统标定与性能试验[D].济南：山东大学，2016.

[4]战麒羽.燃气浓度瞬态变化下的气体燃料发动机空燃比控制系统设计及应用[D].郑州：郑州大学，2019.

[5]张树梅.基于模型控制的电喷发动机虚拟标定系统的研究[D].天津：天津大学，2008.

[6]刘健，郭依军.YZDZ-80/100型移動电站发动机保护装置的研制与应用[J].工程机械与维修，2020（1）：67-68.

[7]王以飞，李辉春，康雷朋，等.浅谈PID控制对气体发动机瞬态响应的影响[C]//中国内燃机学会.中国内燃机学会第六届青年学术年会论文集.上海：中国内燃机学会，2015：311-313.

[8]刘晓群，何太碧，王意东.天然气发动机电控系统及标定过程的研究[J].内燃机，2012（6）：24-27.

[9]张晖，白莹，李全武，等.EGStrim控制系统在JC15T型天然气机上的应用[J].内燃机与动力装置， 2017， 34（5）：17-21.

[10]张明豪.瓦斯输送压力对瓦斯发电机组发电功率的影响研究[J].机电工程技术，2020，49（6）：45-47.

[11]何青海，马云，郝崇志，等.Waukesha天然气发动机转速波动故障诊断与处理[J].中国设备工程，2015（10）：67-68.

[12]李全武，刘东，孙成香，等.H16V190气体发电机组[J].石油科技论坛，2016，35（增刊1）：182-184.

[13]高松，郎华，谭德荣，等.煤层气发动机供气系统流量控制策略研究[J].计算机仿真，2011，28（11）：179-184.

[14]董稳军，阳廷孝，于志军，等.废弃煤矿低浓度瓦斯发电效率影响因素及提效措施[J].能源与节能，2022（1）：12-14.

Adaptability analysis of gas source fluctuation in

a gas engine and its improvement

XU Kaifeng， GUO Jinju， LI Zhipeng， XIA Limin， CHEN Yi

CNPC Jichai Power Company Limited， Jinan 250306， China

Abstract：In order to enhance the adaptability of gas source fluctuations in a gas engine， reduce engine load fluctuation， tripping， blasting， shutdown and other faults caused by fluctuation in low concentration gas sources， a 12 cylinder low concentration gas engine matching unit is selected as the research object. The impact of gas source fluctuation on engine operation is analyzed and studied， and the control system function is optimized by adding fault load reduction function and experimental verification is carried out. The results show that when the change rate of methane volume fraction in gas is less than 0.1%/min， the engine power fluctuation is not significant and the control system can restore the engine to a stable state through closed-loop control; when the change rate of methane volume fraction in gas is greater than 1%/s， the engine operates at 90% and 50% of the rated power， resulting in significant power fluctuations and accompanied by blasting during the test process. After adding fault load reduction function and parameter calibration in the gas engine control system， when the gas source fluctuates violently，the control system promptly reduces the engine power and quickly corrects the gas flow rate，which enable the engine to safely and smoothly pass through the gas fluctuation period and enhance the adaptability of the engine to gas source fluctuation.

Keywords：gas engine; control system; calibration; adaptability; fault load reduction

（責任编辑：刘丽君）