燃气压力‑尾气氧含量双闭环进气控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃气压力‑尾气氧含量双闭环进气控制系统及控制方法，其中，该控制系统包括气压传感器、氧传感器、控制器、变频器和风机；氧传感器安装在机组尾气管中，用于检测实际过量空气系数并传送至控制器；所述控制器用于将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较，进而由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值；气压传感器安装在机组进气管中，用于检测机组进气压力并传送至控制器；所述控制器用于再将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较，进而确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。

The oxygen content of gas pressure exhaust inlet double closed-loop control system and control method

The invention discloses a exhaust oxygen content of the gas pressure inlet double closed-loop control system and control method, wherein, the control system includes a pressure sensor, oxygen sensor, controller, inverter and fan; oxygen sensor installed in the exhaust pipe unit, for detecting the actual excess air coefficient and transmitted to the controller; the controller is used for the excess air coefficient and received air coefficient under the current condition setting value, and then by the outer loop to determine the inlet pressure inner loop control set value; pressure sensor installed in the intake pipe unit for detecting unit, inlet pressure and transmits it to the controller; the controller is used for setting the intake pressure then receive set the inlet pressure and outer loop control value determined by comparison, then determine the frequency converter, finally through the inverter Frequency conversion of fan is adopted to change the air intake, so as to realize the inner loop control of air fuel ratio.

【技术实现步骤摘要】
燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统及控制方法
本专利技术属于环保与能源领域，尤其涉及一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统及控制方法
技术介绍
近年来，能源问题与环境问题越来越成为每个普通人切身关注的问题，良好的生态环境与现存的化石能源越来越宝贵，而人类发展却需要更多的能源，为了解决这一矛盾，人们开始重视可再生能源。我国是一个传统的农业大国，发展沼气有着得天独厚的优势。使用生物质制出沼气，可以减少生物质焚烧带来的污染，且可以一定程度上代替化石能源，缓解了能源问题和环境问题。沼气热值低于天然气，且可燃气体含量波动大，故沼气内燃发电机组常存在启动困难，转速不稳定、大功率运行时突然熄火等问题，通过控制内燃发电机组空燃比可以很好的解决以上问题。目前已有涉及空燃比控制的文献多针对天然气等成分稳定的气源，沼气与天然气不同，其成分受发酵情况影响，甲烷含量波动幅度较大，从50％到80％不等。故针对天然气的空燃比控制系统在一些极端情况下会出现调节能力不足、参数不匹配的问题，必须研究针对沼气的空燃比控制系统。例如：专利号201110124798.7，名称为：燃气发电机组空燃比快速自动调节系统，该申请通过反馈进气管压力，燃气压差、燃气温度、转速等信号，提前计算出燃气所需流量，并通过控制阀门进行调节，但该系统本质上近似于开环控制，且使用温度传感器这种严重滞后的检测器件作超前控制的思路不够严谨。另外，纵观之前所有的燃气内燃发电机组空燃比控制系统，几乎全部需要添加电控阀门以调节进气量，这种控制方法将增加进气阻力，消耗额外能量，且燃气进气流量与阀门开度之间属于严重非线性关系，导致系统调节范围有限，控制难度大。因此，传统的燃气内燃发电机组空燃比控制系统难以推广，很多内燃机厂家更愿意选择传统的串联机械减压阀人工调节。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，该系统能够确保沼气内燃机空燃比实时稳定在高效运行区。其中，空燃比指的是进入气缸的混合气中空气与燃料的体积之比，实际应用中常用过量空气系数λ代替空燃比(λ为燃烧时实际供给的空气量与理论上完全燃烧需要的空气量之比)，本专利技术的空燃比实际上指过量空气系数λ。本专利技术的一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，包括气压传感器、氧传感器、控制器、变频器和风机；所述氧传感器安装在机组尾气管中，用于检测实际过量空气系数并传送至控制器；所述控制器用于将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较，进而由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值；所述气压传感器安装在机组进气管中，用于检测机组进气压力并传送至控制器；所述控制器用于再将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较，进而确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。进一步的，所述风机为恒转矩负载的罗茨风机。罗茨风机恒转矩负载，且其运送气体流量可近似认为与转速成正比。系统正常工作时变频器工作在20Hz到50Hz之间，根据交流电机U/f变频调速的知识，此时可近似于严格恒磁通控制的机械特性，变频器频率与罗茨风机转速近似成线性关系。结合以上两点结论可知，变频器频率与燃气流量可近似成线性关系，换言之，传统的非线性系统通过本专利技术转为了线性系统。进一步的，风机的入口还安装有过滤设备。进一步的，所述过滤设备与风机之间还串接有缓冲罐。进一步的，所述控制器还用于：将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较之后，利用PID控制算法来由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值。进一步的，所述控制器还用于：将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较之后，利用PID控制算法来确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。本专利技术还提供了燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统的控制方法。本专利技术的燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统的控制方法，包括：氧传感器检测实际过量空气系数并传送至控制器；控制器将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较，进而由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值；气压传感器检测机组进气压力并传送至控制器；控制器再将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较，进而确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。进一步的，当变工况或突发扰动作用时，机组吸取燃气量改变，风机风压波动，此时内环在外环动作之前先行粗调。进一步的，控制器根据不同工况对过量空气系数来设定空气系数阈值。进一步的，所述工况包括：启动工况、空载或轻载工况和额定负荷工况。工况一：启动工况。此工况转速较小，节气门开度和输入功率较大。此工况下必须提供较浓的混合气，否则会造成启动困难等状况。工况二：空载或轻载工况。此工况对外输出功率为零，节气门开度和输入功率均很小，稀薄混合气依然可保证内燃机稳定运行。工况三：额定负荷工况。此工况内燃机运行稳定，转速维持在1500r/min，节气门开度和输入功率均较适中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)由于甲烷浓度波动周期长，远大于内燃机的燃烧周期，故仅外环即可针对沼气甲烷浓度变化得到满意调节效果。当机组变工况运行时，若等待过量空气系数反馈，所需时间较长，极端情况下甚至将导致机组停车，此时仅使用外环即过量空气系数反馈不能满足要求。注意到机组变工况运行时，所需燃气量会发生瞬间变化，而燃气管道空间狭小，进气压力也会发生快速变化，因此引入压力内环可加快响应速度。(2)内环具有先调、粗调、快调的特点；外环具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响加以彻底克服。内外环协调作用，达到快速精准控制过量空气系数维持在设定值的效果。双闭环控系统具有如下一些特性：双闭环系统对进入内环的扰动有很强的克服能力；内环的存在提高了系统的响应速度；双闭环系统具有一定的自适应能力。(3)本专利技术不仅着眼于提升内燃机燃烧效率，新结构使得进气管路的流体阻力达到最小，从而节约了使用传统结构时附加在风机上用来克服流体阻力的电能，在机组满功率时，节能效果更明显。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术的燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统结构示意图；图2是本专利技术的燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统的控制原理图；图3是本专利技术的燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统的控制方法流程图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。空燃比指的是进入气缸的混合气中空气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气压力‑尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，包括气压传感器、氧传感器、控制器、变频器和风机；所述氧传感器安装在机组尾气管中，用于检测实际过量空气系数并传送至控制器；所述控制器用于将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较，进而由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值；所述气压传感器安装在机组进气管中，用于检测机组进气压力并传送至控制器；所述控制器用于再将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较，进而确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。

【技术特征摘要】
1.一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，包括气压传感器、氧传感器、控制器、变频器和风机；所述氧传感器安装在机组尾气管中，用于检测实际过量空气系数并传送至控制器；所述控制器用于将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较，进而由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值；所述气压传感器安装在机组进气管中，用于检测机组进气压力并传送至控制器；所述控制器用于再将接收到的机组进气压力与外环控制所确定的进气压力设定值比较，进而确定出变频器工作频率，最后通过变频器对风机进行变频调速来改变燃气进气量从而实现内环控制空燃比。2.如权利要求1所述的一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，所述风机为恒转矩负载的罗茨风机。3.如权利要求1所述的一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，风机的入口还安装有过滤设备。4.如权利要求3所述的一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，所述过滤设备与风机之间还串接有缓冲罐。5.如权利要求1所述的一种燃气压力-尾气氧含量双闭环进气控制系统，其特征在于，所述控制器还用于：将接收到的实际过量空气系数与当前工况下空气系数设定值比较之后，利用PID控制算法来由外环控制确定出内环控制的进气压力设定值。6.如权利要求5所述的一种燃气压力-尾气氧含量双闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙波，匡冀源，张承慧，张良，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37