基于瓦斯发电空燃比的PID调节技术研究.pdf

2023 年 28 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application基于瓦斯发电空燃比的 PID 调节技术研究李海灥，钟漍标（广东宏大欣电子科技有限公司，广州 510050）煤层气是一种俗称煤矿瓦斯的能源，加快煤层气的开发和利用对于确保煤矿安全生产和增加清洁能源供应至关重要。煤层气的规模快速增长，成为补充天然气供应的重要来源。全国已建成 2 万多口煤层气井。2022 年一季度，全国煤层气产量达到 23 亿 m3，同比增长约 20.8%，占国内天然气供应量的 4.1%。2021 年至2022 年采暖季，煤层气日均供气量达 2 360 万 m3。煤层气在能源领域具有广泛的应用价值，被誉为“地下煤气库”1，其开采技术是煤炭工业的重要组成部分。近年来，煤层气开采技术得到了迅速发展，但其开采效率、安全性和环保性仍面临一些挑战。因此，煤层气开采技术的研究和改进具有重要的意义。煤层气是在煤炭地质演化过程中形成的，在有机质埋藏时，由于温度、压力和时间等因素的作用，其逐渐分解产生气体，其中以甲烷和一氧化碳为主要成分。煤层气的分布主要受煤层储层性质、煤层埋深、煤层构造和地质构造等因素影响。一般来说，煤层气主要分布在近地表的浅层煤层和构造简单的区域，储层性质好的煤层气丰度高，储层性质差的煤层气丰度低。煤层气的运移方式主要是吸附运移和天然气发电，在国外被广泛使用。鲁尔集团每年从德国萨尔州获得甲烷浓度为 50%的煤矿瓦斯，用于火电运营。发电技术用燃气轮第一作者简介：李海灥（1998-），男，电气工程师。研究方向为电力系统及其自动化。摘要：近年来，随着瓦斯开采技术的发展，煤矿在瓦斯防治上取得良好的效果。大量的瓦斯排放不但造成严重的环境污染，而且还浪费宝贵的清洁能源。在国内外，煤矿发电技术也取得很大的进步，利用瓦斯发电对全球节能减排和环境发展具有重要意义。该文主要结合瓦斯电站现有的技术，升级并实施适用于低浓度瓦斯发电的总体方案，采用灵活性强、安全性高的分布式控制系统（DCS）。针对煤矿瓦斯的特点，应用瓦斯管道进气和排空阀门调节、空燃气阀门 PID 调节、冷却水循环系统等技术，以解决发电机控制系统自动化程度较低，工况波动时需要人为操作，电站无法实现无人化管理，辅助系统为就地小系统独立控制等问题。根据设计要求，调试安装后与电厂 10 kV 电网成功并网。经过实践证明，该瓦斯发电技术在项目中取得显著的成效。在经济、环境、社会效益方面，具有广阔的发展前景。关键词：瓦斯发电；DCS；PID；空燃比；效益中图分类号院TD712.67文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-0164-06Abstract:In recent years,with the development of gas mining technology,coal mines have achieved good results in gasprevention and control,but a large number of gas emissions not only cause serious environmental pollution,but also waste valuableclean energy.At home and abroad,coal mine power generation technology has also made great progress,the use of gas powergeneration is of great significance to global energy saving and emission reduction and environmental development.Based on theexisting technology of gas power station,this paper upgrades and implements the overall scheme suitable for low concentration gaspower generation,and adopts the distributed control system(DCS)with strong flexibility and high security.According to thecharacteristics of coal mine gas,some technologies are applied,such as gas pipeline intake and emptying valve regulation,air gasvalve PID regulation,cooling water circulation system and so on.It solves the problems that the automation degree of thegenerator control system is low,the human operation is needed when the working condition fluctuates,the unmanned managementof the power station can not be realized,and the auxiliary system is the independent control of the local small system.Accordingto the design requirements,after debugging and installation,it is successfully connected to the 10 kV power grid of the powerplant.It has been proved by practice that this gas power generation technology has achieved remarkable results in the project,with broad development prospects in terms of economic,environmental and social benefits.Keywords:gas power generation;DCS;PID;air-fuel ratio;benefitDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.041164-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期机和蒸汽机发电。2003 年研制出新型集装箱结构的矿用瓦斯采暖制冷耦合设备。本论文将结合国内瓦斯抽采量增多的趋势，将充分利用能源作为目标。阐述一个安全、可靠的瓦斯发电系统应具备的、前瞻性的技术要点和新颖观点。同时，设计集散控制系统，即 DCS 系统更好地统筹兼顾分散的系统，以提高资源利用、节约人力、集中系统、创造效益。1瓦斯发电技术要点与措施贵州能源集团苞谷山煤层气发电站投产后，开始利用煤矿建设的低浓度瓦斯（10%左右）进行发电。以减少温室效应气体排放，降低环境污染为目的，同时项目的建设，也提高了当地的就业率。本项目集瓦斯发电、自动控制及 DCS 系统为一体，包括瓦斯抽排、瓦斯管道输送系统、冷却系统、热水循环系统、变配电系统及其他系统。1.1发电机组技术方案实施苞谷山瓦斯电站是位于贵州省盘县红果镇挪湾村的一座发电厂。该项目第一阶段包括 8 台 700 kW 的低浓度瓦斯发电机组，采用 700GFZ-RWD-TEM2-4 发电机型号，由胜利油田胜利动力机械集团有限公司生产。该电站于 2014 年 6 月投入运行。第二阶段包括 2台700 kW 和 2 台 1 000 kW 的低浓度淄柴瓦斯发电机组，与第一阶段发电机型号相同，于 2018 年 6 月投入运行。瓦斯电站有一条 10 M 的联通专线连接到六盘水区域集控中心。DCS 系统和升级后的发电系统于 2022年完成并投入运行。电站的总体结构如图 1 所示。图 1总体结构1.2瓦斯抽排技术要点1.2.1瓦斯抽排的目的瓦斯是煤矿安全生产中的隐形安全威胁。然而，其也是一种可再生能源，被称为“第二煤炭资源”，具有很高的利用价值。为了消除瓦斯对煤矿安全生产和采矿人员生命财产的威胁，现在采用瓦斯抽排技术。这项技术通过利用各种机械设备和专用管道产生负压，将煤层中存在或释放出的瓦斯提炼和抽取，并将其输送到地面或其他安全地点2。其目的是减少和消除瓦斯的威胁，从而保障煤矿的生产安全。该技术的重要意义主要有以下 3 点。第一，预防煤矿事故：抽排瓦斯可以减少煤矿开采时的瓦斯涌出量，从而减少瓦斯隐患和事故的发生，是保证煤矿安全生产的一项重要预防性措施。第二，降低成本：抽排瓦斯可以减少矿井内通风负担，降低通风费用，同时还能够解决通风难以解决的一些技术难题，有助于降低生产成本。第三，利用资源：煤层中的瓦斯同煤炭一样是地下资源，将瓦斯抽取出来作为原料或燃料加以利用，“变害为利”“变废为宝”，可以起到节约煤炭、保护环境和提高经济效益的作用。1.2.2瓦斯气体的输送为了预防瓦斯爆炸事故，必须遵循一系列安全规定，包括管道设计优化、管道内壁保持清洁、漏气隐患的排除、适当加压防止瓦斯泄漏、使用防雨和防静电的管道材料等。同时，必须加强矿井内的火源控制和防火措施，禁止随意使用明火和电器，严格禁止吸烟和投掷易燃物品。在必要时，还要采取相应的防火措施，如喷水灭火和使用惯导型灭火器等。因此，需要采取一系列安全措施，包括安装管路三防装置、定期检查、规范管道运输安全操作要求、加强矿区火源控制和做好防火措施等。这些措施的贯彻执行可以有效地减少瓦斯爆炸事故的贵阳集控中心盘州集控中心发电中心数据中心远程终端控制工程师站路由器HMIHMIHMIAI*8 AI*8AI*8 AI*8AO*2孕蕴悦员（杂苑原员圆员缘）AI*8 AI*8 AI*8AI*8 AI*8AO*2孕蕴悦员（杂苑原员圆员缘）孕蕴悦 N（杂苑原员圆员缘）AIAODIDOHSPIHSPO发电机 1AIAODIDOHSPIHSPO发电机 2发电机 N按钮元源、限位元远、（员园 个）指示灯元源、内燃机启动元造、内燃机点火元员（远 个）转速元1缸温温度检测*16排气温度检测*16油压检测*1油温检测*1水温检测*1机转速控制*1空燃比阀门元员（员 个）按钮元源、限位元远、（员园 个）指示灯元源、内燃机启动元造、内燃机点火元员（远 个）转速元1缸温温度检测*16排气温度检测*16油压检测*1油温检测*1水温检测*1内燃机转速控制*1空燃比阀门元员（员 个）AI*8165-2023 年 28 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application发生，保障人员和设备的安全。目前，通常采用的三防装置按其结构大致分为水封式（图 2）、铜网式（图 3）。注：1-进气管；2-箱体；3-排气管；4-注水管；5-水；6-安全盖（胶皮板制作）；7-放水口；8-玻璃管水位表。图 2水封式注：1-挡圈；2-铜丝网；3-活法兰盘接头遥图 3铜网式1.2.3湿式液位自控水封阻火技术湿式液位自控水封阻火技术是一种防火防爆技术，通过水位自动控制系统来调节水位，使火焰在经过水层时被吸收、消散并消除自由基，从而实现防火、防爆的效果。水位自控水封阻火防爆器利用雷达监测水位和计算机自动控制，实现自动补水和放水，保证水位在设定的安全高度，适用于低浓度瓦斯输送。1.2.4低浓度瓦斯安全输送工艺技术采用“3+4伊1”的安全工艺流程，其中“3”是指采用 3种防火、阻火技术，包括细水雾阻火、金属波纹带阻火和雷达控制水位的水封卸爆阻火技术的串联；“4伊1”的技术有机组合，包括一级脱水器、细水雾供水系统、瓦斯输送压力控制机构和煤矿瓦斯细水雾输送电子管理系统。该工艺流程能够从根本上保证系统的安全可靠性，确保瓦斯输送过程中不会发生意外事故。同时，该系统还能自动控制瓦斯的压力、温度、流量及浓度等参数，确保瓦斯输送的安全与稳定性，具有环保节能的优点。1.2.5瓦斯输送控制系统该控制系统应符合国家相关标准，具有自动控制和手动控制 2 种控制方式，能实时显示系统运行状态并监控多种参数，如瓦斯压力、温度、流量、浓度、水池水位、水雾发生器水压、成雾水泵流量、湿式阻火泄爆装置内的水位及泄压溢流阀工作状态等，输送装置参数超限时能够声光报警并输出控制信号，能控制输送装置管道控制阀门的开启与关闭，并能在主水泵出现故障时，自动投入备用水泵正常运行。1.3瓦斯发电控制技术煤矿瓦斯发电关键技术3主要分为瓦斯混合、自动控制和安全阻火三大类。具体分为以下几项。等真空度膜片混合技术：主要用于瓦斯体积分数大于 75%的煤层气，可以实现空燃比随功率变化的匹配特性。无法自动适应瓦斯浓度变化，但由于煤层气成分稳定且变化缓慢，适用于高浓度煤层气应用场合。电控混合器混合技术：采用文丘里管原理，可适应体积分数为 30%耀55%和 45%耀75%的瓦斯混合需要。当瓦斯浓度变化时，控制系统自动进行控制，从而使混合气浓度保持稳定。双蝶门混合器电控技术4：针对低浓度瓦斯混合需求。采用电动控制的蝶阀进行调节流量，并通过 TEM控制系统进行闭环控制，保持混合气的浓度不变。可用于体积分数为 6%耀30%的瓦斯混合。瓦斯低压进气混合技术：采用增压后混合方式，增压器旋转产生的强大气流流动导致火星熄灭，可直接应用于煤矿抽排瓦斯发电。低压大流量先导调压控制技术：通过导阀对调压阀出口进行放大，形成控制气压加到主阀的调压腔，使调压阀实现精细调整。可满足低浓度瓦斯发动机的使用要求。TEM 电子管理技术：实现计算机数据采集、控制、显示、报警保护、通信、数据记录保存和打印功能。根据发动机的功率、转速和缸温的变化自动发出调整信号，使混合气的浓度保持不变。瓦斯阻火技术：采用瓦斯管道阻火器，当火焰通过狭窄的金属板通道时，通过自由基和自由原子与狭缝的冷壁相碰撞释放能量，形成熄火层，从而熄灭火焰。1.4低浓度瓦斯发电技术要点本项目瓦斯电站自动化系统建设工作完成后，数据接入贵州公司集控中心的远程监控系统并实现对电站设备的远监视和最优控制等功能，满足建设方对远程集控系统软件二次开发功能需求。包括但不限于在就地监控中心及远程集控中心实现对电站机组及辅助系统满足电站无人值守、一键启停、设备单操、设备运行顺控、设备自动、设备电气联锁保护、设备工艺过程38657124166-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期调节策略、设备最优化运行、设备故障统计分析、电站日常报表统计分析和设备状态监测与预警等生产数据统计分析功能。本项目将采集的模拟量信号进行滤波处理，同时，在缸温排温闭环调节空燃比的基础上引入了 PID 算法，做出了前瞻性的探索与验证，根据数据验证并取得了不错的效果。1.4.1系统噪声分析及数据处理影响控制系统的干扰源，大多产生在电流、电压剧烈变化的位置，电荷的剧烈移动产生了干扰源。压力、氧传感、缸温及排温这些传感器是 420 mA 的电流信号，在系统运行期间不可避免地会产生干扰。本工程为满足电站无人值守、一键启停、设备单操、设备运行顺控、设备自动、设备电气联锁保护、设备工艺过程调节策略和设备最优化运行，要求测量系统具有较高灵敏度，所以提高抗干扰性至关重要。环境因素、采集设备以及瓦斯本身等因素在整个系统运行过程中都会混合各种噪声。这些噪声的来源主要分为以下几类。1）基线漂移噪声。这是因为在信号采集过程中，设备导线松动、有积灰，会导致热传导等失效。2）工频干扰。经常使用 50 Hz 的频率，在空中产生的电磁波会辐射到电子元件、设备导线和传感器上，从而对各种电子设备产生干扰噪声。3）系统噪声。这种噪声随机性较强，不可避免。电子元件内部噪音，在采集过程中，环境的温度、湿度都会产生噪声。由于带有噪声的原始数据会直接作用于功率，倘若滤波处理放在传感器采集的数据侧，这样整个过程显得很繁杂，并且 PLC 模拟量模块具备降噪过程，这样会导致信号衰减，从而降低数据的准确性。本系统采用一阶滞后滤波和巴特沃斯滤波器。1.4.2一阶滞后滤波一阶滞后滤波的公式是：本次滤波结果=滤波系数（a）伊本次采集结果+（1-滤波系数（a）伊上次滤波结果。假设上次的滤波结果是 600，这次的采集结果是 620，产生了一个 20 的突变，如果使用一阶滞后滤波后，假设滤波系数是 a=0.5，本次的滤波值=0.5伊600+0.5伊620=610，使得突变没有那么严重，在滤去脉冲干扰的时候有很好的效果，一阶滞后滤波会使得到的数据波形比原波形更加平缓。利用 MATLAB 设计原始信号为20、25 Hz 的信号，随着系数 a 的不同，展现出来的效果也不同，如图 4 所示。由上述内容可以看出，一阶滞后系统的优点：对周期干扰有良好的抑制作用，适用于波动频率比较高的场合。图 4不同 a 值下的滤波图1.4.3PID 控制原理PID 是一种常用的反馈控制算法，用于调节系统的输出使其与期望值相匹配。PID 算法基于 3 个参数：比例（P）、积分（I）和微分（D），这些参数的组合会产生一个控制输出。比例项（P）通过将误差信号乘以一个比例系数来产生输出。积分项（I）将误差信号累积起来，并乘以一个积分系数，用于纠正系统存在的稳态误差。86420-2-4-6-8-10伊10-135040302010600时间/s渊a冤a=0.386420-2-4-6-8-10伊10-13滤波前滤波后86420-2-4-6-8-105040302010600时间/s渊c冤a=0.7伊10-13滤波前滤波后5040302010600时间/s渊b冤a=0.5滤波前滤波后167-2023 年 28 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application微分项（D）通过测量误差变化率并乘以一个微分系数，来消除系统中的过冲和震荡。PID 控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，以控制输出。在工业过程中，连续控制系统的理想 PID 控制规律为，（1）式中：Kp-比例增益，Kp与比例度成倒数关系；Tt-积分时间常数；TD-微分时间常数；u（t）-PID 控制器的输出信号；e（t）-给定值。如图 5 所示。图 5PID 图解闭环控制，是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式。如果想要控制电机的转速，就需要用传感器测量转速并将结果反馈到控制路线上。闭环控制算法中最简单的一种即为 PID 控制，通过比例、积分和微分 3 个算法的组合，可以有效地纠正被控制对象的偏差，使其达到一个稳定的状态。1.4.4PID 控制应用本项目采用低浓度瓦斯输送技术，结合专用防爆装置、燃气空气 PID 算法调节等技术，使燃气发电机安全运行。最后，经过 DCS 系统统一调度，实现瓦斯发电系统与其他系统高度智能化的自检功能。同时，煤矿的瓦斯浓度极其不稳定，经过研究，虽使用比较灵敏的传感器来消除浓度突变所带来的空燃比突变的问题，但是当浓度急剧波动时，系统调节过于频繁，无法使整个闭环系统稳态运行。PID 控制算法的运算结果是一个数，利用这个数来控制被控对象在多种工作状态工作，一般输出形式为 PWM，满足了按需输出控制信号，根据情况随时改变输出的目的。本工程以功率作为目标值，经过比例、积分、微分环节进行调节，执行单元为空气阀门和燃气阀门开度的调节，输出量经过数据处理作用于目标值，最终实现闭环系统的稳态运行，如图 6 所示。图 6PID 闭环系统结合可编程控制器，系统按以下公式进行工作，（2）式中：y-PID 算法的输出值；Kp-比例增益；s-拉普拉斯运算符；b-比例作用权重；w-设定值；x-过程值；TD-积分作用时间；TI-微分作用时间；a-微分延迟系数；c-微分作用权重。图 7 是 PLC 中具体所使用的 PID 算法块的一部分程序块，本工程将各种相关量之间的 PID 调节，将各个输出量整合后进行数据处理，然后细化各个参数影响功率的权重，进而干预输出量的调节，使得整个系统进行有效的闭环控制。图 7PID 程序块经过 PID 算法得出的数据，不能直接作用于空气和燃气阀门的开度控制上，因为数据的相关性不是定性的，权重比分配也较困难。将数据进行整定分析，再结合大量的时间观察设备运行情况，将参数系数作为开放式接口，可以结合实际的运行情况做修改，只参与权重比的分配，不影响闭环系统达到稳态的趋势。本工程中数据的集中处理在开度计算块内，结合燃气开度给定度 PID 调节、燃气开度给定功率 PID 调节、燃气开度给定压力 PID 调节、空气开度给定缸温PID 调节和空气开度给定氧含量 PID 调节等，将所有相关的数据量以输出量的形式作用于目标值，进而提高功率闭环的抗干扰性，使得整个系统可以满足功率的整定，如图 8 所示。1.4.5样本数据分析随后，将应用 PID 调节并进行滤波处理的数据和只靠设备自身缸排温形成闭环调节的数据进行采样。两者各采集相同数量的样本数据，控制其他变量，将大部分时间的设定功率控制在 680 kW，从而测试机组高功率运行的设备稳定性。后使用 MATLAB 将样本数据进行分析，如图 910 所示。DPID1()()()T syKbwxwxcwxT saT sPID 运算作差误差目标值反馈量采样测量数据处理求和微分环节积分环节比例环节输出量发电机组当前状态控制器被控对象则（贼）藻（贼）怎（贼）赠（贼）阅（泽）pD01()()()()ttde tu tKe te t dtTTdt168-技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期图 8PID 调节图 10PID 和滤波处理调节通过上述结果，可直观地看出采用 PID 调节和滤波处理的数据趋于设定值稳定运行，相较于普通的闭环调节更能很好地解决突变的甲烷浓度引起阀门调节不当，最终导致功率不稳定的问题。这个探索对于本行业来说是一个很好的起点，可以适应复杂的环境，不再过分依赖叠加传感器的方式，用过多的数据去注入数量较少的执行单元。本工程在国内的瓦斯发电技术领域具有前瞻性和创新性。此项瓦斯发电技术结合 DCS系统，达到了瓦斯电站少人值守目的，提高了自动化水平，推动了瓦斯行业发展，提高了社会影响力。2效益分析苞谷山瓦斯电站机组控制系统成功实施，并经过一年多的持续运行，发电机组的安全性和稳定性得到显著提高，并得到了当地政府和同行业的广泛认可，目前已经有多个瓦斯电站引进或借鉴了本技术方案。据预测在未来的 35 年内，将会有 80%的瓦斯电站采用本方案。平均一年累计发电量 2 035.19 万 kW h，年供电量 1 929.79 万 kW h，年营业收入 842.99 万元，年净利润 109.65 万元。通过煤层气瓦斯发电，节能减排，减轻了大气污染，为煤矿保障了安全，为社会增加了上岗机会，为职工增加了福利，为企业创造了利润。其次，甲烷和二氧化碳均为温室效应气体，且甲烷的温室效应约为二氧化碳的 21 倍，本项目将瓦斯气体经发电机组燃烧发电后，以二氧化碳的形式排放到大气中，每年可节约标煤 6 655 t。每年可相应减少二氧化硫排放量约 134.51 t，一氧化碳约 1.83 t，碳氢化合物约 0.73 t，氮氧化物约 76.43 t，二氧化碳约11.31万t，还可减少灰渣排放量约2 433.23 t。3结束语瓦斯发电符合国家能源产业政策，DCS 系统的推广顺应煤矿发展的趋势。瓦斯发电技术的升级，提高了矿井瓦斯抽放的积极性，同时有利于矿井安全生产。瓦斯发电项目的实施，不但安全、环保，同时为国家、社会、企业带来了收益。瓦斯发电技术的不断升级顺应时代的变化。经过多年的信息化建设和信息化系统接入，为各大中小型企业的可视化数据分析积累了经验。DCS 系统的部署对于与大数据接轨奠定了夯实的基础。这个方向适用于所有煤矿的发展，集中化、可视化是能源行业的发展方向和前进目标。参考文献院1 程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展J.采矿与安全工程学报，2009，26（2）：127-139.2 高炯.煤矿瓦斯发电技术J.中国煤层气，2006（1）：44-46.3 芦学忠.低浓度瓦斯发电技术及应用分析J.内蒙古煤炭经济，2013（2）：121,130.4 张国昌.煤矿瓦斯发电技术综述J.车用发动机，2008（5）：9-15.1 00090080070060050040030020010001 0009008007006005004003002001000图 9缸温排温闭环系统调节500时间/s1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 5000500时间/s1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 5000实际功率设定功率实际功率设定功率169-