本發(fā)明屬于環(huán)保與能源領(lǐng)域，尤其涉及一種燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)及控制方法
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越成為每個(gè)普通人切身關(guān)注的問(wèn)題，良好的生態(tài)環(huán)境與現(xiàn)存的化石能源越來(lái)越寶貴，而人類發(fā)展卻需要更多的能源，為了解決這一矛盾，人們開(kāi)始重視可再生能源。我國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，發(fā)展沼氣有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。使用生物質(zhì)制出沼氣，可以減少生物質(zhì)焚燒帶來(lái)的污染，且可以一定程度上代替化石能源，緩解了能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。沼氣熱值低于天然氣，且可燃?xì)怏w含量波動(dòng)大，故沼氣內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組常存在啟動(dòng)困難，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、大功率運(yùn)行時(shí)突然熄火等問(wèn)題，通過(guò)控制內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組空燃比可以很好的解決以上問(wèn)題。目前已有涉及空燃比控制的文獻(xiàn)多針對(duì)天然氣等成分穩(wěn)定的氣源，沼氣與天然氣不同，其成分受發(fā)酵情況影響，甲烷含量波動(dòng)幅度較大，從50％到80％不等。故針對(duì)天然氣的空燃比控制系統(tǒng)在一些極端情況下會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)能力不足、參數(shù)不匹配的問(wèn)題，必須研究針對(duì)沼氣的空燃比控制系統(tǒng)。例如：專利號(hào)201110124798.7，名稱為：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組空燃比快速自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該申請(qǐng)通過(guò)反饋進(jìn)氣管壓力，燃?xì)鈮翰?、燃?xì)鉁囟?、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，提前計(jì)算出燃?xì)馑枇髁?，并通過(guò)控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，但該系統(tǒng)本質(zhì)上近似于開(kāi)環(huán)控制，且使用溫度傳感器這種嚴(yán)重滯后的檢測(cè)器件作超前控制的思路不夠嚴(yán)謹(jǐn)。另外，縱觀之前所有的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組空燃比控制系統(tǒng)，幾乎全部需要添加電控閥門以調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，這種控制方法將增加進(jìn)氣阻力，消耗額外能量，且燃?xì)膺M(jìn)氣流量與閥門開(kāi)度之間屬于嚴(yán)重非線性關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍有限，控制難度大。因此，傳統(tǒng)的燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組空燃比控制系統(tǒng)難以推廣，很多內(nèi)燃機(jī)廠家更愿意選擇傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械減壓閥人工調(diào)節(jié)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確保沼氣內(nèi)燃機(jī)空燃比實(shí)時(shí)穩(wěn)定在高效運(yùn)行區(qū)。其中，空燃比指的是進(jìn)入氣缸的混合氣中空氣與燃料的體積之比，實(shí)際應(yīng)用中常用過(guò)量空氣系數(shù)λ代替空燃比(λ為燃燒時(shí)實(shí)際供給的空氣量與理論上完全燃燒需要的空氣量之比)，本發(fā)明的空燃比實(shí)際上指過(guò)量空氣系數(shù)λ。本發(fā)明的一種燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)，包括氣壓傳感器、氧傳感器、控制器、變頻器和風(fēng)機(jī)；所述氧傳感器安裝在機(jī)組尾氣管中，用于檢測(cè)實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)并傳送至控制器；所述控制器用于將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較，進(jìn)而由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值；所述氣壓傳感器安裝在機(jī)組進(jìn)氣管中，用于檢測(cè)機(jī)組進(jìn)氣壓力并傳送至控制器；所述控制器用于再將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較，進(jìn)而確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。進(jìn)一步的，所述風(fēng)機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的羅茨風(fēng)機(jī)。羅茨風(fēng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且其運(yùn)送氣體流量可近似認(rèn)為與轉(zhuǎn)速成正比。系統(tǒng)正常工作時(shí)變頻器工作在20hz到50hz之間，根據(jù)交流電機(jī)u/f變頻調(diào)速的知識(shí)，此時(shí)可近似于嚴(yán)格恒磁通控制的機(jī)械特性，變頻器頻率與羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系。結(jié)合以上兩點(diǎn)結(jié)論可知，變頻器頻率與燃?xì)饬髁靠山瞥删€性關(guān)系，換言之，傳統(tǒng)的非線性系統(tǒng)通過(guò)本發(fā)明轉(zhuǎn)為了線性系統(tǒng)。進(jìn)一步的，風(fēng)機(jī)的入口還安裝有過(guò)濾設(shè)備。進(jìn)一步的，所述過(guò)濾設(shè)備與風(fēng)機(jī)之間還串接有緩沖罐。進(jìn)一步的，所述控制器還用于：將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較之后，利用pid控制算法來(lái)由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值。進(jìn)一步的，所述控制器還用于：將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較之后，利用pid控制算法來(lái)確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。本發(fā)明還提供了燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的控制方法，包括：氧傳感器檢測(cè)實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)并傳送至控制器；控制器將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較，進(jìn)而由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值；氣壓傳感器檢測(cè)機(jī)組進(jìn)氣壓力并傳送至控制器；控制器再將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較，進(jìn)而確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。進(jìn)一步的，當(dāng)變工況或突發(fā)擾動(dòng)作用時(shí)，機(jī)組吸取燃?xì)饬扛淖?，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓波動(dòng)，此時(shí)內(nèi)環(huán)在外環(huán)動(dòng)作之前先行粗調(diào)。進(jìn)一步的，控制器根據(jù)不同工況對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)設(shè)定空氣系數(shù)閾值。進(jìn)一步的，所述工況包括：?jiǎn)?dòng)工況、空載或輕載工況和額定負(fù)荷工況。工況一：?jiǎn)?dòng)工況。此工況轉(zhuǎn)速較小，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率較大。此工況下必須提供較濃的混合氣，否則會(huì)造成啟動(dòng)困難等狀況。工況二：空載或輕載工況。此工況對(duì)外輸出功率為零，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率均很小，稀薄混合氣依然可保證內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。工況三：額定負(fù)荷工況。此工況內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速維持在1500r/min，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率均較適中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)由于甲烷濃度波動(dòng)周期長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于內(nèi)燃機(jī)的燃燒周期，故僅外環(huán)即可針對(duì)沼氣甲烷濃度變化得到滿意調(diào)節(jié)效果。當(dāng)機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)，若等待過(guò)量空氣系數(shù)反饋，所需時(shí)間較長(zhǎng)，極端情況下甚至將導(dǎo)致機(jī)組停車，此時(shí)僅使用外環(huán)即過(guò)量空氣系數(shù)反饋不能滿足要求。注意到機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)，所需燃?xì)饬繒?huì)發(fā)生瞬間變化，而燃?xì)夤艿揽臻g狹小，進(jìn)氣壓力也會(huì)發(fā)生快速變化，因此引入壓力內(nèi)環(huán)可加快響應(yīng)速度。(2)內(nèi)環(huán)具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；外環(huán)具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對(duì)于副回路沒(méi)有完全克服掉的干擾影響加以徹底克服。內(nèi)外環(huán)協(xié)調(diào)作用，達(dá)到快速精準(zhǔn)控制過(guò)量空氣系數(shù)維持在設(shè)定值的效果。雙閉環(huán)控系統(tǒng)具有如下一些特性：雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；內(nèi)環(huán)的存在提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；雙閉環(huán)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。(3)本發(fā)明不僅著眼于提升內(nèi)燃機(jī)燃燒效率，新結(jié)構(gòu)使得進(jìn)氣管路的流體阻力達(dá)到最小，從而節(jié)約了使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)附加在風(fēng)機(jī)上用來(lái)克服流體阻力的電能，在機(jī)組滿功率時(shí)，節(jié)能效果更明顯。附圖說(shuō)明構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。圖1是本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的控制原理圖；圖3是本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的控制方法流程圖。具體實(shí)施方式應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。空燃比指的是進(jìn)入氣缸的混合氣中空氣與燃料的體積之比，實(shí)際應(yīng)用中常用過(guò)量空氣系數(shù)λ代替空燃比(λ為燃燒時(shí)實(shí)際供給的空氣量與理論上完全燃燒需要的空氣量之比)，本發(fā)明的空燃比實(shí)際上指過(guò)量空氣系數(shù)λ。圖1是本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)，包括氣壓傳感器、氧傳感器、控制器、變頻器和風(fēng)機(jī)；所述氧傳感器安裝在機(jī)組尾氣管中，用于檢測(cè)實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)并傳送至控制器；所述控制器用于將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較，進(jìn)而由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值；所述氣壓傳感器安裝在機(jī)組進(jìn)氣管中，用于檢測(cè)機(jī)組進(jìn)氣壓力并傳送至控制器；所述控制器用于再將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較，進(jìn)而確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。傳統(tǒng)的空燃比控制系統(tǒng)往往需要附加電控閥支路或改變進(jìn)氣管路閥門開(kāi)度以控制空燃比，增大了進(jìn)氣阻力，造成能量浪費(fèi)，且由于恒定壓差情況下氣體流量與閥門開(kāi)度為強(qiáng)非線性關(guān)系，使得傳統(tǒng)空燃比控制系統(tǒng)控制難度大。實(shí)際系統(tǒng)中沼氣甲烷含量變化范圍較大，存在控制器參數(shù)不適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的情況，故需要相對(duì)復(fù)雜的控制算法。不同于絕大部分內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組空燃比控制系統(tǒng)，本發(fā)明的執(zhí)行原件是進(jìn)氣管道上的羅茨風(fēng)機(jī)，它屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且其運(yùn)送氣體流量可近似認(rèn)為與轉(zhuǎn)速成正比，所述風(fēng)機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的羅茨風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)正常工作時(shí)變頻器工作在20hz到50hz之間，根據(jù)交流電機(jī)u/f變頻調(diào)速的知識(shí)，此時(shí)可近似于嚴(yán)格恒磁通控制的機(jī)械特性，變頻器頻率與羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系。結(jié)合以上兩點(diǎn)結(jié)論可知，變頻器頻率與燃?xì)饬髁靠山瞥删€性關(guān)系，換言之，傳統(tǒng)的非線性系統(tǒng)通過(guò)本發(fā)明轉(zhuǎn)為了線性系統(tǒng)。其中，風(fēng)機(jī)的入口還安裝有過(guò)濾設(shè)備。所述過(guò)濾設(shè)備與風(fēng)機(jī)之間還串接有緩沖罐。如圖2所示，本發(fā)明的所述控制器還用于：將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較之后，利用pid控制算法來(lái)由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值。本發(fā)明的控制器還用于：將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較之后，利用pid控制算法來(lái)確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。針對(duì)傳統(tǒng)空燃比控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)所造成的軟件上不可逆轉(zhuǎn)的缺陷，本發(fā)明創(chuàng)新性的改進(jìn)并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，顛覆了改變進(jìn)氣阻力以控制流量的傳統(tǒng)思路，節(jié)約了原本用來(lái)克服空氣阻力的電能，化非線性為線性，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣流量的直接控制。針對(duì)全新的硬件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了過(guò)量空氣系數(shù)、沼氣進(jìn)氣壓力雙閉環(huán)控制方法。如圖3所示，本發(fā)明的燃?xì)鈮毫?尾氣氧含量雙閉環(huán)進(jìn)氣控制系統(tǒng)的控制方法，包括：氧傳感器檢測(cè)實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)并傳送至控制器；控制器將接收到的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)與當(dāng)前工況下空氣系數(shù)設(shè)定值比較，進(jìn)而由外環(huán)控制確定出內(nèi)環(huán)控制的進(jìn)氣壓力設(shè)定值；氣壓傳感器檢測(cè)機(jī)組進(jìn)氣壓力并傳送至控制器；控制器再將接收到的機(jī)組進(jìn)氣壓力與外環(huán)控制所確定的進(jìn)氣壓力設(shè)定值比較，進(jìn)而確定出變頻器工作頻率，最后通過(guò)變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來(lái)改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣量從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)控制空燃比。其中，當(dāng)變工況或突發(fā)擾動(dòng)作用時(shí)，機(jī)組吸取燃?xì)饬扛淖?，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓波動(dòng)，此時(shí)內(nèi)環(huán)在外環(huán)動(dòng)作之前先行粗調(diào)。粗略估計(jì)，內(nèi)環(huán)比外環(huán)響應(yīng)速度快約10倍。經(jīng)過(guò)一段延遲后，寬域氧傳感器檢測(cè)到過(guò)量空氣系數(shù)變化，外環(huán)根據(jù)反饋?zhàn)龀鲰憫?yīng)，改變對(duì)壓力內(nèi)環(huán)的設(shè)定值，控制器比較反饋值與設(shè)定值，開(kāi)始雙閉環(huán)控制，直到過(guò)量空氣系數(shù)恢復(fù)到設(shè)定值?？刂破鞲鶕?jù)不同工況對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)設(shè)定空氣系數(shù)閾值。所述工況包括：?jiǎn)?dòng)工況、空載或輕載工況和額定負(fù)荷工況。工況一：?jiǎn)?dòng)工況。此工況轉(zhuǎn)速較小，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率較大。此工況下必須提供較濃的混合氣，否則會(huì)造成啟動(dòng)困難等狀況。過(guò)量空氣系數(shù)λ設(shè)定為λ1。工況二：空載或輕載工況。此工況對(duì)外輸出功率為零，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率均很小，稀薄混合氣依然可保證內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。過(guò)量空氣系數(shù)λ設(shè)定為λ2。工況三：額定負(fù)荷工況。此工況內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速維持在1500r/min，節(jié)氣門開(kāi)度和輸入功率均較適中。此時(shí)可以采用經(jīng)驗(yàn)值，過(guò)量空氣系數(shù)λ設(shè)置為λ3。由于發(fā)電機(jī)組在超過(guò)額定功率后出現(xiàn)的過(guò)電壓過(guò)電流會(huì)危及機(jī)組安全，故禁止過(guò)載或重載運(yùn)行，表1給出了內(nèi)燃機(jī)組的三種工況及其運(yùn)行特點(diǎn)。表1：內(nèi)燃機(jī)組的六種工況工況轉(zhuǎn)速(r/min)節(jié)氣門開(kāi)度輸入功率過(guò)量空氣系數(shù)啟動(dòng)0～1500較大較大λ1輕載或空載1500較小較小λ2額定負(fù)載1500適中適中λ3上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12