（机械工程专业论文）天然气发电机组系统设计与频率控制.pdf

同济七学硕士学位论支摘监 摘要 随着社会生产力水、r 的提高和经济的迅速增长，对于能源的需求电在快速增 加。面对当前世界范围的煤、石油等资源的严重危机和同益严峻的环境污染，优 化能源结构，提高能源利用率已成为各国研究的热点之一。实践证明，利用天然 气发电在补充电力不足，合理利用资源以及推动经济发展等方面能起到重要作 _ j 。囚此，研究天然气发电具有积极的经济效益和社会效益。 本文从天然气发电机组实验台架的设计入手，对天然气发动机进行了选择、 改装，同时根据匹配原则选取了发电机，并组建了实验台架 基于c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机，设计了控制系统软硬件，榆测发电机输出电压、电流、频率、发动机转 速，同时控制节气门开度，从而控制频率稳定；分析了传统的通过研究系统原理 从而建立模型方法的局限性，尝试通过实验数据，并以b p 神经网络为工具，对 所研究的天然气发电机组进行了建模，并做出了系统的稳态特性曲线；在频率控 制方面，分析了传统的p i d 控制的优缺点，将模糊控制运用到p i d 参数的调整 中，室现模糊p i d 控制，又将扰动直接控制与反馈控制相结台，形成复合控制。 通过实验证明，本次所研究的天然气发电机组已经达到预期目标。随着研究 的深入发展，此种发电机组在将来的实际应用中必将发挥重要的作用。 关键词：天然气发电机组，模型，b p 神经网络，频率控制，模糊p i d 控制 同济大学硕士学位论文a b s t r a c l a b s t r a c t a l o n gw i t hr a i s i n gt h el e v e lo fs o c i a lp r o d u c t i v i t ya n dr a p i de c o n o m i cg r o w t h , t h ed e m a n df o re n e r g yi sr a p i d l yi n c r e a s i n g f a c i n gt h ec u r r e n tw o r l d w i d ec o a l ，o i l a n do t h e rr e s o u r c e si nas e r i o u sc r i s i sa n di n c r e a s i n g l ys e v e r ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， o p t i m i z ee n e r g ys t m c t a r e ，i m p r o v i n ge n e r g yu t i l i z a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t i s s u e so fn a t i o n a lr e s e a r c h p r a c t i c e sh a v ep r o v e nt h a tt h eu s eo fn a t u r a lg a sf o rp o w e r g e n e r a t i o nc a np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea s p e c t so fs u p p l e m e n t a r yp o w e rs h o r t a g e s ， r a t i o n a lu s eo fr e s o u r c e sa n dp r o m o t ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e t h es t u d yo f n a t u r a lg a sf o rp o w e rg e n e r a t i o nh a sp o s i t i v ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h ep a p e rb e 茸n sw i t hd e s i g no fn a t u r a lg a sg e n e r a t i n gu n i t ，c h o o s ea n dm o d i f y t h en a t u r a lg a se n g i n e ，c h o o s et h eg e n e r a t o ro nt h eb a s eo fm a t c h i n gp r i n c i p l e ， e s t a b l i s ht h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；b a s i n go nt h ec 8 0 5 1 f 0 4 0m c u ，d e s i g n st h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hm e a s u r et h ev o h a g e ，e l e c l r i cu a r f e n t ， f r e q u e n c y ，e n g i n er o t a t i o n a ls p e e d ，c o n t r o lt h r o t t l eo p e n i n ga n g l ea n dt h u sc o n t r o l f r e q u e n c ys t a b i l i t y ；a n a l y s e st h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a lm o d e l i n gm e t h o d sw h i c h t h r o u g hm a y t h es y s t e mt h e o r i e s ，a t t e m p t st ou s eb pn e r v en e t w o r ka n de x p e r i m e n t a l d a t at ob u i l dt h em o d e l ，t h e np a i n t st h es t a b l es t a t u sm o d e lc u r v e s ；a n a l y s e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a l 艘c o n t r o l ，a p p l i e sf u z z yc o n t r o lt ot h e p i dc o n t r o lp a r a m e t e r sa d j u s t m e n t ，a n df o r m st h ef u z z y - p 1 dc o n t r 0 1 e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a t t h i sn a t u r a lg a sg e n e r a t i n gu n i th a sr e a c h e di t s t a r g e t w i t hi n d e p t hs t u d y , i nt h ef u t u r es u c hu n i tw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr o l e i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：n a t u r a lg a sg e n e r a t i n gu n i lm o d e l ，b pn e r v en e t w o r k ，f i e q u e n c yc o n t r o l ， f u z z y p i dc o n t r o l 玎 学位论文版权使用授权书 本人完全了解j 司济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关郝门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者躲更竣武 姗占年；月如日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名嫩苁 弘年3 月曰 同济人学顶士学位论义 第一章绪论 第一章绪论 11 天然气发电的现状与前景 随着经济的发展，能源消耗量不断的增大，由此造成的环境污染越来越严重， 已成为人类亟待解决的难题之一。面对当前世界范围的煤、石油等资源的严重危 机和日益严峻的环境污染，寻求其替代能源己成为各国研究的热点之一。天然气 因其优质、高效、安全、清洁、储量丰富等特点，而得到学术界广泛推祟。实践 证明，利用天然气发电在补充电力不足，提高电网调峰能力以及推动经济发展等 方面能起到重要作用。因此，研究天然气发电具有积极的经济效益和社会效益。 1 1 1 世界天然气发电的发展概况 随着社会生产力水平的提高和经济的迅速增长，对于能源的需求也在快速增 k 。目前世界火电站汽轮机长期占统治地位的局面已开始动摇，大型电站以联合 循环为主，巾、小型机组咀热电并供居多已是许多工业发达国家电站发展的主要 格局。利用天然气发电，是当今世界电力工业的重要走向。上世纪8 0 年代以来， 世界大然气消费量快速攀升，从1 5 1 8 0 亿立方米增至1 9 9 9 年的2 3 4 8 4 亿立方米， 年增长率达到2 3 。其中用于发电的天然气消费量增长更为迅速，1 9 8 0 年，全 i ! ； 界电力部门的天然气用量为3 1 0 0 亿立方米，而1 9 9 7 年达到了7 6 9 2 亿立力米， 年增长率达到5 5 ，占同期世界新增天然气消费量的5 7 以h l l 】 2 1 ，可以说， 世界灭然气消费量的增长在很大程度上是受天然气发电量用气量增氏的推动。 在西方主要国家近年来新增装机容量中，天然气发电装机量占新增容量的8 0 - - 9 0 1 3 i 。在美国电力发展规划中天然气发电增长晶快，到2 0 1 0 年，天然气发电 量将超过核电的发电量，成为仅次子煤发电的第二位主要发电方式。欧洲许多国 家，如英国、意大利，已不再发展核电，而转向发展天然气发电。泰国建设新的 火电时以天然气发电为土。韩国、日本都在利用天然气发电。香港的龙鼓滩电 是目前世界上最大的联合循环电厂之一，其总装机容量为2 5 6 万千瓦。 r 世纪8 0 年代以柬，天然气在发电业中的广泛应用主要是以f 儿个方面的 结果。首先，天然气资源丰富。过去2 0 年问，天然气探明储量翻了一番。有关 专家介绍，2 0 0 1 年全球探明的天然气储量为1 5 2 万亿立方米，按1 3 前的生产水 平町以丌采6 5 年，而且储量还有可能增加1 4 j 。丰富的天然气资源已完全消除了 以前人们对它的供应可持续性的忧虑。天然气储量的地理分布比较广，这有利于 同济人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 11 天然气发电的现状与前景 随着经济的发展，能源消耗量不断的增大，由此造成的环境污染越来越严重， 已成为人类亟待解决的难题之一。面对当前世界范围的煤、石油等资源的严重危 机和日益严峻的环境污染，寻求其替代能源己成为各国研究的热点之一。天然气 因其优质、高效、安全、清洁、储量丰富等特点，而得到学术界广泛推祟。实践 证明，利用天然气发电在补充电力不足，提高电网调峰能力以及推动经济发展等 方面能起剑重要作用。因此，研究天然气发电具有积极的经济效益和社会效益。 1 1 1 世界天然气发电的发展概况 随着社会生产力水平的提高和经济的迅速增长，对于能源的需求也在快速增 k 。目前世界火电站汽轮机长期占统治地位的局面已开始动摇，大型电站以联合 循环为主，叶l 、小型机组以热电并供届多已是许多工业发达国家电站发展的主要 格局。利用天然气发电，是当今世界电力工业的重要走向。上世纪8 0 年代以来， 世界大然气消费量快速攀升，从1 5 1 8 0 亿立方米增至1 9 9 9 年的2 3 4 8 4 亿立方米， 年增长率达到2 3 。其中用于发电的天然气消费量增长更为迅速，1 9 8 0 年，全 世界电力部i 、j 的天然气用量为3 1 0 0 亿立方米而1 9 9 7 年达到了7 6 9 2 亿立力米， 年增长率达到5 5 ，占同期世界新增天然气消费量的5 7 以上1 1 i 吐可以说， 世界天然气消费量的增长在很大程度上是受天然气发电量用气量增长的推动。 在西方主要国家近年来新增装机容量中，天然气发电装机量占新增容量的8 0 - 9 0 1 。在美国电力发展规划中天然气发电增长最快，到2 0 1 0 年，天然气发电 量将超过核电的发电量，成为仅次于煤发电的第二位主要发电方式。欧湘许多围 家，如英国、意大利，已不再发展核电，而转向发展天然气发电。泰围建设新的 火电时以天然气发电为丰。韩国、日本都在利用天然气发电。香港的龙鼓滩电厂 是目前世界上最大的联台循环电厂之，其总装机容量为2 5 6 万千瓦。 上世纪8 0 年代以来，天然气在发电业中的广泛应用主要是以下几个方面的 结果。首先，天然气资源 二富。过去2 0 年问，天然气探明储量翻了一番。有关 专家介绍，2 0 0 1 年全球探明的天然气储量为1 5 2 万亿立方米，按日前的生产：水 平町以丌采6 5 年，而目储量还有可能增) j 1 1 1 4 1 。丰富的天然气资源己完全消除了 以前人们对它的供应可持续性的忧虑。天然气储量的地理分布比较广，这有利于 以前人们对它的供应可持续性的忧虑。天然气储量的地理分布比较广，这有利丁 同济大学硕十学位论文 第一章绪论 避免区域市场垄断的风险。此外，技术进步带来了产量的增加并降低了牛产成奉。 其次，能源环境有利于天然气利用。随着世界原油价格的引高，石油进口国 特别是o e c d ( 经济合作与发展组织) 成员国明显降低了石油在能源结构中的份 额，从而启动了甘能规划，促进了能源多元化并增加了天然气在能源结构中的份 额。上世纪末以来，而对成品油发电减少和巨大的电力需求，水电、核电、煤电 和天然气发电得到了长足的发展，争世界水电增长了2 1 ，核电增长占了世界 电力增长量的3 2 ，煤在新增发电量中约占3 8 ，天然气发电增长了1 9 。由 于核电面临社会公众的压力，水电受条件限制，再加上强烈的环保要求，天然气 成为与煤竞争的首要发电燃料。 第三，燃气联合循环发电具有技术经济优势。燃气轮机与蒸汽轮机联合循环 发电技术的进步对天然气的发电具有决定性的作川。在上世纪8 0 年代初期，常 规火电厂和燃气联合循环发电厂之问的效率差异相对较小，但是现在，联合循环 发电厂的效率已达5 0 - - 5 5 ，而常规发电一的效率最大不过4 0 一4 5 1 ”。 而且，燃气轮机容量的改善( 目前以达3 2 万千瓦) 已使之能达到常规电厂的发 电能力，由承担峰荷发电而成为基荷和半基荷电厂。这一重大技术进步也使天然 气成为煤电和核电的竞争对手。除了能源效率这一优势之外，联合循环发电还具 有极其出色的环保优势，而且投资比核电和新型煤电低得多。 此外，热电联产的发展也是天然气在发电业中的广泛应用的一个主要的推动 力。热电联产既发电又产生蒸汽，总热效率可达8 0 ，包括3 0 的电效率和5 0 的热效率。在美国、欧洲等地区，这种主要以满足热需求为目的的热屯配置 法发展较快，早在1 9 9 6 年在拿世界发电所消费的7 4 0 0 亿立方米天然气中，热电 联产就消耗了2 7 0 0 亿立方米。 种种迹象表明，天然气发电将是2 1 世纪里世界天然气的主要消费方向。 11 2 我国天然气发电的现状与展望 我国的天然气资源丰富，根据第二轮全国油气资源评价结果，我国常规天然 气的总资源量为3 8 4 万亿立方米，晟终可探明天然气地质储量约1 3 2 万亿立方 米。此外，我国海上天然气资源开发进展较快。海南岛以南的崖域1 3 一l 气田每 年以2 9 亿立方米的输气量供应香港地区，5 亿立方米供应海南省。东海油气田 目前已年产气4 亿立方米，由一条长3 6 6t _ 米的海底输气管道向上海浦东送气， 目前主要供民用。东海油气州已加大开发力度，年产气将提高到1 0 g 亿立方米。 “阳气东输”工程的实施，一期输气1 2 0 亿立方米，一期增加到1 8 0 亿立方米， 届时犬然气占我国一次能源比重将由2 提高到4 。 然而另一方面，我国天然气发电尚处a 起步阶段，发电项目还很少。目前的 同济人学硕士学位论文 第章绪沦 燃气机组技术与国际先进水平相比尚有一定距离。2 0 0 0 年，巾国天然气发电装 机容量仅9 6 万千儿，仅占全国电力总装机容量的0 3 。 与此同时，我国的用电形势曰趋严峻。就在1 9 9 8 年到2 0 0 2 年的短短四年阃， 电力消耗增长率由2 6 激增至1 0 5 。而电力供应能力增长则由1 9 9 8 年的8 4 r 降到2 0 0 2 年的4 4 n 。根据国家电网公司统计的数据显示，2 0 0 4 年是近 年来全国电力缺口最大的一年，全国电力缺口达3 0 0 0 万千瓦。到7 月下旬，菇 有2 4 个省级电网拉闸眼电，仅国家电网公司系统就累训拉限电8 4 3 7 万条次， 损失电量2 2 4 1 7 亿千瓦时【”。全国大面积缺电，最紧张的莫过于长江三角洲地 区。2 0 0 4 年夏天整个长三角的用电缺u 超过1 9 0 0 万千瓦时，普遍缺电的态势非 常明显。以上海为例，2 0 0 4 年夏上海用电频频告急。夏季极端最高用电负荷达 到1 6 7 0 万千瓦，同比增长1 5 2 。 为适应中国经济快速发展以及应对能源需求量不断增长的要求，天然气发电 有望同时也必须在中国开拓巨大的发展市场。我国政府已经确定把天然气的开发 利用作为能源发展的。项重要政策，“十五”期间，中国将建设一批天然气发电 项目总装机容量为7 9 3 0 m w 。与此同时，国家科技部等正在组织相关行业加强研 究，努力降低机组造价，以便为天然气利用提供较好的装各条件。伴随着西气东 输工程的启动，我国的天然气发电所占份额可咀争取在2 0 1 0 年达到电力生产燃 烧结构的5 左右，2 0 2 0 年达到1 0 。 1 2 国内外对天然气发电的研究现状及发展动态 天然气的热电联产是指利用天然气资源有效地提供屯能和热能两种能源，它 的热量回收可达5 5 ，所以其总的利用效率可以达到8 0 以h 。热电联产是开 发和利用天然气的最佳途经。 目前国外热l i = ! _ 联产天然气发电机组主要采用大型的燃气轮机或蒸汽轮机联 合循环机组。其中，以蒸汽轮机为原动机的热电联产系统其发电效率为1 5 - - 3 3 ，热电综合利用率约为7 5 ；以燃气轮机为原动机的热电联产系统其发电效 率为2 0 - - 3 5 ，热电综合利用率约为8 0 。国外对燃气轮机循环机组的研究比 较深入，单机功率可以达到4 0 0 m w ，简单循环效率3 8 3 9 ，联合循环效率 5 7 5 9 吼我国燃气轮机发电近年来有所发展，但与国外发达国家相比还有 很大差距。我国现有的燃气轮机和联合循环机组的性能仅是国外七八十年代的水 平，性能水下还差得很远p j 。 小型热电联产天然气发电机组由于是能源就地转换、就地供应，般不发电 上网，避免了7 - 8 的网损，提高_ ：r 电力供应的安全性，还p j 大大减少输电、变电、 同济大学硕+ 学位论文第一章绪论 热力管网、换热站的投资，也可以减少燃气管网的调峰系统、降低环境污染治理 等项目的费用，对保障诸如医院，学校，宾馆，楼宇等供电的安全町靠具有重要意 义【l 。目前，美国、日本、德国、荷兰等国家非常重视这项技术的发展与应用， 纷纷加强了小型热电联产天然气发电机组关键技术及可靠性的研究。 目前国内小型天然气发电机组一般在柴油机发电机组的基础上改造发展起 来的，经过多年的改进与实践，其性能基本趋于稳定。机组大修周期已经大于 1 0 0 0 0 小时以上，发电效率为3 0 以上。开式循环与闭式冷却水系统均有产品， 发电机组容量已系列化。但从整体上来看，生产厂家不多，可选择的范围较小。 天然气发电机组整体性能仍不如柴油发电机组稳定，废气排放温度较高，在n o x 排放水平及适应性上有待于不断的改进与提高。 国外也有此类产品，一般为双燃料型机组，即以天然气作为燃料以外，还需 要一部分柴油作为点火燃料。阱美国f a t r b a n k sm o r e s 公司产品较为先进， 功率系列有3 1 6 5 k w 、2 3 7 0 k w 、1 5 8 0 k w 三个等级。该系列机组需t 的柴油做 点火燃料，在失去天然气燃料的情况下，可直接崩柴油做发电机组的燃料，不影 响发电机组的出力( 但发电机组的效率要下降，n o x 排放水平要升高) 。该发 电机组的综台性能较好，适用于对机组性能要求较高的地区。 小型天然气发电机组具有发电效率高，调节能力强，应用灵活，便于小型化 或形成规模化的成套装置，容易形成独立的能源系统。 小型天然气发电机组技术已日趋成熟，工艺趋于稳定，因此其关键技术的着 重于提高机组的发电质量和提高热利用效率。目前，同步发电机都自带快速励磁 调钍系统，通过调节励磁电流来维持输出电压的稳定。出此，对小型天然气发电 机组晌研究与开发就集中于对频率控制和余热的控制与利用两方面。 我国标准规定，电网额定频率值为5 0 h z ，在3 0 0 0 m w 以下允许的偏差是 - - - 0 5 h z ，在3 0 0 0 m w 以上允许的偏差是1 0 2 1 - i z 。目前发电机组的频率控制研究 主要是对柴油发电机组展考，利用各种控制理论提出了多种相应的控制方法。柴 油发电机组的频率控制通常采用调速器来调节发动机，使其转速保持存定的范 围内，从而使发电机的输出频率稳定。 对于调速器的研究，目前基本上是针对柴油发动机的，还没有针对天然气发 动帆调速器的研究，大然气发动机电子调速器基本都是夺柴油机发动机调速器的 基础上改进的。 调速器分为机械式调速器、模拟式调速器以及数字式调速器。传统的机械式 调速器或模拟式调速器的优点是可靠性好，但其控制精度较低，势必会导致发动 机转速波动大，影响供电质量，缀短发动机的寿命。此外，工作方式单一，结构 复杂，体积较大也是其弊病。数宁式电子凋速器具有控制精度高，响应灵敏、适 同济大学硕十学位论文第章绪论 席性广、抗干扰能力强、电路简单、性能可靠、体积小等优点，受到了国内外的 普遍关注，电是今后调速器发展的必然方向。 目前，国内外有多家生产柴油发电机组用电子调速器的厂家，其产品多为模 拟电路构成的电子调速器，通过手动调节可变电阻的阻值来调节p i d 参数，从而 实现其调速功能。若环境条件或运行工况发生变化，其调节性能就会下降，此时 须靠绎验重新调整参数大小，如果参数调整不当或产生温漂，常常引起发动机“游 车”( 转速不稳引起振荡) 现象，从而影响供电质量。生产柴油机模拟电子调速器 的虽典型的两家公司是美国伍德沃德公司和德国海园兹曼公司。这两家公司产品 均采用模拟电路实现了p i d 运算。其具体实现上又有所区别：伍德沃德公司的比 例环节上采用了锁相环技术，其输入为频率量【l “。而海因兹曼公司则采用频压转 换技术将电磁传感器的频率信号转换为电压，再进行比较放大。对于数字电子调 速器，据悉美国新格斯达公司有商业化产品，其控制采用的是普通p i d 运算，各 参数整定须用配套设备进行相应调整。 随着计算机技术的发展，特别是单片机( m c u ) 技术的发展，大量功能强大 价格低廉的微处理芯片的出现，使得将微处理器应用于柴油机电控系统成为目前 的主流。由纯模拟器件组成的模拟式电子调速器，它存在着电路复杂、体积人、 可靠性差、控制精度低等缺点，并且产品通用性较差，难以扩展到不同型号小同 系列柴油机应用。相比之下，以微处理器为核心的数字式电子调速器电路简单可 靠，体积小，控制精度高，通用性好。由于这种类型的调速器主要咀软件实现功 能，故调速器升级和改型方便简单，可以不断加入新的功能，能实现不| 司工作调 速模式。更为重要的是，它能方便地控制、检测柴油机的其它状态参数，并能有 机地与其它系统集成在一起，构成统一的柴油发电机组集中控制系统，咀满足不 断严格的摔制精度、实时性和人们对安全性、易操作性、舒适性方面不断增长的 需求。 由于数字调速器的诸多优点，因而受到国内外的普遍重视。国外已有部分厂 家研制出商品化的通用电子调速器，国内尚且没有同类产品。随着国外柴油机电 控技术的飞速发展，我国也越来越重视电控柴油机产品的开发，并要在吸收和引 进国外先进技术设备的基础上，自主研制和开发柴油机电控系统，努力提高柴油 机电控技术水甲，缩短同发达国家间的差距。 对于已有的电子调速器，一般都是由模拟式p i d 或p i 调节器为核心的转速 控制器、比例型执行器以及磁电式转速传感器等几部分组成【l l 】n 2 1 ，控制策略采 用的是传统p i d 控制，各参数需用配套设备进行相应的整定。采用普通p i d 摔 制的电子调速器调节时间较长，超调量大，当系统启动或负载变化较大时，由于 短叫问内出现人的偏差以及系统本身的滞后、积分饱和等使系统容易出现超调和 同济人学硕士学位论文 第章绪论 振荡，因此单纯的p i d 控制很难获得满意的控制效果。许多柴油机电子调速系统 不同程度地存在空载或低负荷下稳定性变坏，难以兼顾系统动态和稳态性能的现 象。 现代控制理论、白适应控制、自学习系统等理论研究的进展使电子调速器的 研究具备了更完善的理论基础。为了克服传统p i d 控制的不足，进一步提高控制 性能，国内外学者对电子调速器传统的p i d 控制策略进行了改进研究，研究有关 参数的整定、校正等，更多学者研究了最优控制、自适应控制、模糊控制等在调 速器控制中的应用，提出了各种调速控制策略，如基于位置控制式的积分p i e ) 算 法，白适应调速系统，p i d 型模糊控制器，基于模糊数学与灰色系统理论与方法 的速度控制算法等。这些控制策略是单纯以转速的变化量或变化率为基准进行摔 制的，而且这些研究停留在仿真阶段的较多，真正配机试验甚至形成产品的还较 少。 13 选题意义及主要研究内容 我国天然气发电尚处在起步阶段，天然气发电项目的实施一方面可以合理的 利用天然气资源，另一方面可以缓解城乡用电紧张局面，适应经济发展需求。此 外，天然气发电还对环境保护起到积极作用。城市小型天然气热、电、冷联供， 具有很好的节能、环保和经济效益，前景广阔。因此对小型的天然气发电设备研 究和丌发具有很强的实际意义。 天然气发电本身足一个复杂动态系统，它集气体流动、燃烧、膨胀、机械往 复式运动、电磁感应等多个过程于一体，对其输出频率控制有很大的难度。目前 所聚用的多数控制方法难以达到很好的效果。因此，寻求适应能力强、鲁棒性好 的控制方法是输出频率控制亟待解决的问题。 沦文主要研究内容有以下方面： 1 天然气发电机组的设计：设计天然气发电机组实验台架，选择和改袈天 然气发动桃，选择同步发电机，并与发动机实现联接。 2 天然气发电机组监控系统的研究与设计：针对天然气发电机组运行状态， 设计其监控系统，检测运行参数，控制频率稳定。 3 建立天然气发电机组系统模型：分析传统建模方法的弊端，通过实验数 据，以神经刚络为工具对系统进行辨汉，并做出系统的特性曲线。 4控制算法设计：引对天然气发电机组运行特点，为其设计一种适应能力 强、鲁捧性好的频率控制算法。 同济大学硕+ 学位论文第一二章天然气发电机组系统 第二章天然气发电机组系统 天然气发电机组主要由兀然气发动机子系统利同步发电机予系统组成。合理 的选配及改装发动机和发电机对整个系统正常运行起着至关重要的作用。本章将 从建立天然气发电机组实验台架入手，介绍天然气发电机组各个重要组成模块的 选型与改装。 21 天然气发电机组实验台组成 本课题所研究的热电联产天然气发电机组系统丰要出六部分组成：天然气进 气系统、天然气发动机、发电机系统、余热回收系统、负载系统以及自动控制系 统，如图2 1 、图2 2 所示。 图2 1 天然气发电机纽结构原理斟 1 压缩天然气：2 调慷器：卜流量计：4 一混台器；5 无然气 发动机：6发电机；7 热电阻；8 热交换器 天然气进气系统主要包括气源、调压器、阀门、流量计等附属设备。实验气 源为2 0 m p a 的压缩天然气，压力很高，经过调瓜器使进气压力稳定，再通过燃 同济人学硕士学伊沦文 帮二章火然气发电机组系统 气表后进八发动帆。 图2 2 天然气发电机组系统实验台 负载系统由4 组5 7 0 、7 5 k w 采用2 ：角形连接的热电阻组成，如图2 3 a 。 余热回收系统主要负责回收发动机的冷却水余热和尾气余热，其中尾气余热的吸 收通过在排气管处安装热交换器来实现，如图2 - - 3 b 。 圈2 3 实验台热电阻与热交换器 同济大学顿士学位论文 第二章天然气筮电机纽系统 2 2 天然气发动机子系统 2 21 天然气发动机的选型 如何合理选择天然气发动机是发电机组系统设计中及其关键的课题之一。发 动机选择恰当与否，不仅直接影响到系统的动力性能，而且与发电机组的经济技 术指标以及其使用可靠性息息相关。恰当地选择天然气发动机足一个综合评估的 过秤，要考虑到机器的性能、价格、可靠性、维修保障和备件供应等诸多因素。 目前，国内外的小型天然气发动机大致有两种类型：一是工业发动机，二是 车用发动机。工业发动机通常被设计用于长时间运行的领域中，它的最大转速一 般达1 8 0 0 r m p 。两次大修之间的运行时间超过2 0 0 0 0 小时。工业发动机经过特殊 设计，所有磨损的零部件都可以被替换。由于通过大修可以延长发动机的使用寿 命，因此，工业发动机的寿命通常远远超过其设计寿命。但是工业发动机的价格 要比车用发动机高得多。车用发动机被设计运用在高转速下( 超过3 0 0 0 r p m ) ， 经过适当改装后即可用作发电机组的动力源。车用发动机相对工业发动机价格便 宜，凶而可以降低投资成本。此外，车用发动机具有体积小，重量轻，部件成本 低且容易获得等优点。但是，车用发动机使用寿命明显较工业发动机短，在达到 使用寿命后通常是整体被换掉。因此考虑成本时，除了安装之初设各费用的差别 外，还需计入今后运行过程中定期更换发动机或零部件的费用，同时也要考虑到 更换车用发动机与大修工业发动机的停工期的区别i l 。 本课题所使用的发动机为3 3 0 i ( ；b 】l o l 型支列四缸汽油发动机，投资少，节 约开支，更为经济，具体参数如表21 所示： 表2 - 1 发动机参数 型号3 3 0 k 8 8 1 0 1 形式型支列殴缸汽油发动机 排量 1 7 8 1 l 缸径行程8 1 0 8 6 4 m m 压缩比 8 5 最大功率6 6 k w ( 5 2 0 0 r r a i n ) 最大扭矩1 3 8 m i l ( 3 3 0 0 r m i n ) 经济比油耗 = 2 8 5 w ( k w h ) 怠速转速 8 0 0 d r a i n 点火顺序l3 4 2 剧济人学硕士学位论文 第= 章天然气发屯机组系统 2 2 2 天然气发动机的改装 桑塔纳3 3 0 k 8 b l o l 型发动机以汽油为燃料，现作为天然气发动机使用，因此 需要对其进行改装。对发动机的改装保留其内部结构不变，仅拆除燃油供给系统 中的化油器，换成带有调节机构的天然气空气混合器，同时重新修正点火提前角， 火花塞保持不变，将汽油箱、油耗仪换成燃气瓶和燃气流量计，这也是目前c n g 汽车中最常用的改装方式f “。 、混合器的选择 掘台器是发动机改装时的主要加装部件。混合器的作用是将天然气和空气按 一定比例混合，形成一定浓度的叫燃混合器。并能根据发动机转速和负载的变化 增减混合器的供应量，以适应发动机在不同运行工况f 的正常运行的需求。目前 所使用的混合器有两种类型：一种是文丘景式混合器，一种是比例调节式混合器。 两种混合器的原理和工作特性各有特点。 文丘里式混合器结构如图2 4 所示1 1 5 j ，它是根据流体力学中文丘里原理制 成的混合器，即“流体在管道中流动时，截面积越小之处，其流速越大，而静压 力越低”。在发动机工作时，整个进气管路中产生一定的真空度，将空气和天 然气吸入，在混合器的喉l | 处混合【l q 。 图24 文丘里式混台器 文丘罩式混台稀一方丽要使喉u 处产生真空度来调节减压调节器的天然气 同济人学硕十学位论文第二章犬然气发电机组系统 流量，另一力而又要将大然气与空气混台。该混台器虽然结构简单但其设计参 数直接影响发动机的性能：混合器喉口直径过大，真空度小，不灵敏；直径过小， 吸入空气量少，影响空燃比，降低发动机功率。 比例调节式混合器是目 前大多数天然气发动机所使 用的混合器，其工作原理是 用进气管真空度来同时控制 空气和天然气的通道截面， 进而捧制泥台气浓度，其培 丰勾如图2 5 所示。它由两个 节流阀串联固接，分别控制 天然气和空气流量，控制发 动机的空燃比约9 5 ：1 ，负 荷的大小由环状节气门调整 图2 5 比例调节式握合器 串聩式节流阔实现。c 腔与进气口对接。当发幼机起动运转时，发动机进气歧管 产生真空，进而使混合器下部也形成真空，当真空度高于一o 2 k p a 时，混合器腔 室b 的空气通过气孔进入发动机进气管；腔室b 产生真空，而腔a 与空气滤清罄 相连，混合器膜片在大气的压力下克服膜片组的重力和掘台器弹簧的弹力上行， 打开天然气进气阀和混台器空气阀，天然 气和空气在c 控混合后进入发动机，发动 机工作时，混合器膜片根据发动机化油器 进气管的真窄麈变化上下运动，天然气进 气阀口和空气阀口的开度也就随之大小 变化，而向发动机提供适量的天然气与空 气彤成近似按理想混合气特性曲线变化 的混合气。 奉课题所使用的混合器为比例调节 式混合器，型号为i m p c o 公司的1 0 0 系列 中的比例调节混合器，如图2 6 所示。 幽261 系列眈例混台嚣 二、点火提前角的调整 汽油发动机的正常运转需要高压电或脉冲束点燃混合气，由于需要在活塞运 行到上止点时气缸内的可燃气燃烧完，并使气缸中的气体加热膨胀剜最大体积需 要一定的时间，因此，必须在活塞到达j = l e 点2 前一定的角度就开始点火，这个提 同济大学硕士学位论文第璋天然气发电机组系统 前的角度，通常被称为点火提前角。由汽油机改装而成的天然气发动机也是通过 火花塞点燃的。由十天然气的燃点为6 5 0 。c ，比汽油的燃点( 1 2 7 。c ) 高，天然气 燃烧火焰在汽缸中的传播速度也比汽油慢，因此汽油机改装天然气发动机后必须 重新训节点火提前角。通常情况下天然气与汽油相比较，晶住点火提i i i 角存外特 性上增大8 1 0 。，在负载特性上( i s 0 0 r r o ir 1 ) 增大1 0 1 4 。1 1 7 1 【1 8 】。存本课题实 验中，将发动机处于空载状态，并将节气门开至最大，通过观察转速的变化来调 节点火提前角，取转速最大时的点火提前角为最佳点火提前角。 2 3 同步发电机子系统 2 3 1 同步发电机运行原理 、同步发电机结构 同步发电机中，静止部分由定于、端盖和交流励磁机定子组成。定子由机座、 定子铁一f i , 、定子绕组所组成。定子铁心和定子绕组是产生感应电势、电流的部分， 故又称为电枢，交流励磁机产生的交流电，经旋转整流器整流后，供同步发电机 励磁用。 发电机转动部分称为转子。它包括转子铁心、磁极绕组、转轴、轴承、风扇、 交流励磁机电抠和旋转整流器等组成。磁极绕组分为隐极式磁极绕组和凸极式磁 极绕组。隐极式磁极一般均采用单层同心式绕组，用漆包铜线绕制。凸极式磁极 一般采用矩形截面的高强度聚酷漆包扁铜线绕剖向成。 同步发电机是将机械能转化为交流电能的设备。它工作时，既有电磁运动， 又有机械运动，在设计同步发电机时，若适当选择磁极的形状，使得励磁绕组通 直流电后，定子、转子之间的磁感应强度近似于按正弦规律分布。同步发电机所 谓“同步”，就是说发电机的转子由发动机拖动旋转后，再定子和转子之间的气 隙罩便产生一个旋转磁场，这个旋转磁场是发电机的主磁场，又称转子磁场。当 丰磁场切割定子三相绕组的线圈时，就会产生三相感应电势，接通负载后，在电 桁绕组中流过感应电流，这个交变电流也在发电机的气隙中产生个旋转碰场。 这个旋转磁场称为电枢磁场，又称为定子磁场。根据右手螺旋法则，【a 枢磁场的 等效磁极n s ，如图2 - - 7 ( a 1 所示。当主磁场由发动机拖动旋转到个新的位置时， 电枢磁场的等效磁极n s 也随之旋转到另一位置，如图27 f b ) 所示。 同济大学硕士学位论文第二章天然气发电机组系统 ( a )( b ) 图2 7 发屯机的同步示意国 由图可知，主磁场被发动机拖动旋转时，它带动电枢旋转，就象两块磁铁之 间其有互相吸引力样。也就是说，发电机的转子带动电枢磁场以同一转速旋转， 两者之间保持同步，故称为同步发电机。电概磁场的转速称为同步转速。 由于定子三相绕组在空问内的位置是对称的，彼此相差1 2 0 度电角，崮此定 f 绕组切割磁力线时，将产生对称三相感应电势： e j = e 。s i nwt(2-1) e e 一s i n ( f o t 一1 2 0 。) ( 2 2 ) e c = e 。s i n ( “+ 1 2 0 。) ( 2 - 3 ) 定子每相绕组感应电势的有效值为： e 。= 4 4 4 k i i n | 9 ( 2 - - 4 1 如果将电枢绕组接成星形，并且接r 三相对称负载后，在感应电势的作用下， 电路中产生对称的三柏电流，向负载输出交流电能。 一、同步发电机的励磁调节 励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是向同步发电机的 励磁绕组提供一个町调的直流电流( 电压) ，控制机端电压恒定，满足发电机正 常发电的需要，同时在多台发电机组并网发电时，控制发电机组蚓无功功率的合 理分配，提高同步发电机组并联运行的稳定性，阻满足电力系统安全运行的需要。 无论在稳态还是在暂态运行过程中，同步发电帆运行状态都在很大程度上与励磁 同济大学硕士学位论文 第二章失然气发电机绀系统 有关。对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发 n 机及电力系统运行的 可靠性，安全性和稳定性，而且可以提高发电机及r 乜力系统的技术经济指标。因 此，励磁控制系统的主要作用就是控制发电机端电压和无功功率分配【。 从发电机的励磁方式来看，现在基本r 有两种类型；有刷励磁和无刷励磁。 有刷励磁又称为静止励磁，它从发电机定予获得励磁能量，经过整流，再通过电 刷和集电环，激励发电机磁场。无刷励磁实际上是一种交流励磁机，它的输出电 流经安装在同轴上的整流器整流之后，馈电给发电机转子磁场，而发电机磁场电 流则受控于交流励磁机的励磁磁场，后者的调压是由调压器来完成的，因此控制 功率比较小，可直接由发电机供电。由于革除了电刷、换向器和集电环，提高了 可靠性，减少了维护，免除了碳刷接触造成的非线形影响，特别适用于易燃易爆 和自动发电。但是，由于多了一级电磁惯性，灭磁速度较慢，不利十高速切断故 障电网。图2 8 是一种常用的无刷励磁调节器。 图2 8 是一种常用的无刷励磁调仃器 2 32 同步发电机选型 为了保证机组各项计数要求的实现，在选择发电机时，必须使天然气发动机 和发电机鏖好的配合，它包括功率和转速两方面的问题。 、功率匹配1 2 1 】 众所同知，内燃机的功率是指曲轴输出的机械功率，改装后的天然气发动机 同济人学硕士学位论文第二章必然气发电机组系统 的功率依照柴油机的功率标定规范进行标定，即在标准t 况( 1 标准大气压、环 境j 空气温度为2 0 。c 、相对空气湿度为5 0 ) 下，柴油机以额定转速连续1 2 小时 正常运转时，可以达到的有效功率，用符号n e 表示。 同步发电机的额定功率是指在额定转速下长期连续运转时由输出端子上得 到的额定电功率，用符号p n 表示。 根据发电机组的使用环境条件和技术要求，机组输出的额定功率，即同步发 电机的额定功率按以下公式计算： p n = 7 ( q k 撙：一np、(2-5) 式中：p 。一同步发电机的额定功率( 千瓦) ； n e 天然气发动机的额定功率( 千瓦) ； k 1 发动机的功率修正系数； k 2 环境条件修正系数； n 同步发电机的效率； n r发动机内部、联轴器等消耗的功率( 千瓦) 。 在柴油发动机与发电机的匹配中，通常把柴油机功率与同步发电机的功率之 比叫做“匹配比”，通常用k 表示，即： k = n 。r t 2 - - 6 ) k 值受许多因素影响，通常对于在平原上使用的一般要求的机组，k 值可取为 1 6 1 ；对于一些要求较高的移动电站k 值应取为2 1 。在发电机组的设计中， 根据匹配比计算结果来选配发电机，并且使其功率数值圆整到标准所规定的功率 等级。 二、转速匹配 同步发电机的额定转速是个要求不变的数值，例如_ 二极发电机是 3 0 0 0 r r a i n ，四极发电机是1 5 0 0r m i n 等。当把天然气发动机与发电机进行连接的 时候，在满足功率匹配的同时，它们的额定转速必须实现匹配。通过适当的选择 或辅以其他措施，使发动机的额定转速或经过机构传输的转速等于发电机的额定 转速。 发动机与发电机的连接可以采用直接联接的方式，也可以通过变速器的装 置。变速器可以是齿轮变速箱或皮带传动装置，如果采用皮带传动方式，应当考 虑因皮带打滑而引起的转速比的变化，同利安装横向拖动轴承支架，以免