自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)及氣包壓力控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)及氣包壓力控制方法，屬于內(nèi)燃機領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)的石油燃料相比，液化天然氣(LNG)具有低碳、高效、優(yōu)質(zhì)和清潔等特點，是內(nèi)燃機的一種理想替代燃料。由于LNG在常壓下是在_163°C低溫環(huán)境下存儲和運輸，而在實際應(yīng)用中預(yù)先汽化成氣體燃料(NG)方可燃燒作功。可是，目前市場上加氣站與加油站相比，無論是數(shù)量上還是區(qū)域分布上遠沒有后者完善，極大限制了 LNG在遠程交通工具(船舶、城際客車和載重貨車)上的使用。為了突破加氣站少且分布不均的缺點，專家學(xué)者提出在遠程交通工具上燃料以液態(tài)(I立方米LNG可轉(zhuǎn)化為標(biāo)況氣態(tài)下600-625立方米NG)形式貯存，根據(jù)交通工具內(nèi)燃機工況要求定量供給LNG進行汽化為整機供給NG，具有以LNG儲存一定量汽化一 NG供給為特點的自給型氣體燃料供給系統(tǒng)。
[0003]氣包是氣體燃料供給系統(tǒng)的重要設(shè)備，其作用為內(nèi)燃機供給穩(wěn)壓NG，以滿足形成均勻可燃混合氣的要求。而氣包壓力是影響NG供給系統(tǒng)安全及內(nèi)燃機性能(動力性和經(jīng)濟性)的一個重要參數(shù)，壓力過高易發(fā)生NG泄漏甚至爆炸的危險，而壓力過低則會影響可燃混合氣品質(zhì)導(dǎo)致內(nèi)燃機性能下降。因此，氣包壓力是內(nèi)燃機燃料供給系統(tǒng)中重要控制參數(shù)，而氣包又是一個十分復(fù)雜的控制對象，受到NG流量、LNG供給流量和傳熱介質(zhì)流量的影響，為保證提供穩(wěn)定壓力的NG以適應(yīng)燃料供給系統(tǒng)和整機性能的需要，與其配套設(shè)計的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。
[0004]氣包壓力控制的任務(wù)是根據(jù)NG流量、氣包壓力來調(diào)節(jié)LNG供給量及其對應(yīng)傳熱介質(zhì)流量，使NG產(chǎn)量能滿足NG流量和維持氣包壓力穩(wěn)定的要求。所以，影響氣包壓力量的干擾量有NG流量和氣包壓力偏差量(給定壓力和實際壓力之差)。其中，NG流量又受內(nèi)燃機工況變化，復(fù)雜的內(nèi)燃機工況經(jīng)常在怠速、小負荷、中等負荷和滿負荷等間變化。因此，影響氣包壓力穩(wěn)定的因素多且過程復(fù)雜。而調(diào)節(jié)氣包壓力穩(wěn)定的參數(shù)有LNG供給流量和傳熱介質(zhì)流量。
[0005]從以上敘述可以看出，氣包壓力這一被控對象具有大時滯、非線性和時變性等特點，會隨時間和內(nèi)燃機工況的變化而變化，大時滯更是自給型氣體燃料供給系統(tǒng)氣包壓力控制系統(tǒng)的難題。因此，自給型氣體燃料供給系統(tǒng)的氣包壓力這一大時滯系統(tǒng)的控制，成為重要的研究課題之一。
[0006]應(yīng)用于氣包壓力控制的方法有經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制。其中，經(jīng)典控制是以各種分立器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種傳感器對被控參數(shù)實時進行檢測并反饋給控制器，再根據(jù)有關(guān)控制算法完成相應(yīng)運算并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)動作，從而達到控制的目的。但是經(jīng)典控制受分立器件性能影響大，系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)相互影響大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易發(fā)生故障，不利于系統(tǒng)長期安全、高效運行。而現(xiàn)代控制適合具有線性和精確數(shù)學(xué)模型的控制對象，而對于像氣包壓力這樣的控制系統(tǒng)來說建立精確數(shù)學(xué)模型太難，因此并非理想選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)及氣包壓力控制方法，以NG流量和氣包壓力偏差量為控制輸入信號，通過采用模糊控制、Smith預(yù)估控制和人工免疫控制的綜合運算，得到與當(dāng)前狀況相適應(yīng)的LNG供給流量和傳熱介質(zhì)流量，以此來調(diào)控LNG供給栗變頻器和傳熱介質(zhì)三通閥開度，使氣包的壓力對各種外界干擾具有魯棒性。
[0008]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，一種自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)，包括LNG罐、LNG供給栗、LNG汽化器、NG壓縮機、氣包、NG噴射閥、傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)，所述LNG罐與LNG汽化器之間的LNG輸送段依次設(shè)有LNG過濾器、手動閥、前三通、前電磁閥、LNG供給栗、后電磁閥和后三通；LNG汽化器與NG噴射閥之間的氣態(tài)天然氣輸送段依次設(shè)有NG壓縮機、電控氣閥、氣包、單向閥及NG流量傳感器；傳熱介質(zhì)從內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)高溫段的傳熱介質(zhì)三通閥引出，流向LNG汽化器的管程，放熱后流出，并返回冷卻系統(tǒng)低溫段，傳熱介質(zhì)從內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)高溫段的傳熱介質(zhì)三通閥引出，流向LNG汽化器的管程，放熱后流出，并返回冷卻系統(tǒng)低溫段，重新流進內(nèi)燃機機內(nèi)水套吸熱；所述傳感器包括檢測液面高度的LNG液面?zhèn)鞲衅鳌NG流量傳感器、位于汽化器殼程內(nèi)的殼程壓力傳感器、檢測氣包壓力的氣包壓力傳感器、NG流量傳感器和檢測內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)高溫段溫度的溫度傳感器，所述LNG流量傳感器位于后三通與LNG汽化器之間的管道上，NG流量傳感器位于單向閥與NG噴射閥之間的管道上；所述執(zhí)行機構(gòu)包括LNG供給栗和傳熱介質(zhì)三通閥，LNG供給栗、傳熱介質(zhì)三通閥、LNG液面?zhèn)鞲衅?、LNG流量傳感器、殼程壓力傳感器、氣包壓力傳感器和NG流量傳感器通過信號線均與控制器連接。
[0009]作為優(yōu)選，所述前三通與后三通之間采用雙管路，前三通一路與前電磁閥、LNG供給栗、后電磁閥與后三通的一接口連接，前三通另一路與備用管路前電磁閥、備用管路LNG供給栗、備用管路后電磁閥與后三通的另一接口連接。前三通與后三通直接采用雙管路(工作管路和備用管路)設(shè)計，保障了工作管路出現(xiàn)故障時啟動備用管路。
[0010]作為優(yōu)選，所述控制器包括Smith預(yù)估器、模糊控制器及人工免疫控制器，其中Smith預(yù)估器與模糊控制器為副控制器，人工免疫控制器為主控制器。
[0011]作為優(yōu)選，還包括顯示器、排氣扇和警報燈，所述顯示器、排氣扇和警報燈均與控制器連接。
[0012]一種上述的自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)的氣包壓力控制方法，包括以下步驟:
[0013](I)接通電源，傳感器進行信號采集；
[0014](2)當(dāng)溫度傳熱器檢測到傳熱介質(zhì)三通閥處的傳熱介質(zhì)溫度<80°C，控制器判定內(nèi)燃機處于冷機狀態(tài)，控制器給LNG供給栗及傳熱介質(zhì)三通閥發(fā)送不供電指令；
[0015](3)當(dāng)溫度傳熱器檢測到傳熱介質(zhì)三通閥處的傳熱介質(zhì)溫度>80°C，控制器判定內(nèi)燃機處于熱機狀態(tài)，進而:
[0016]( i )且當(dāng)氣包壓力傳感器212檢測到氣包壓力等于或大于5MPa時，向LNG供給栗和傳熱介質(zhì)三通閥發(fā)送斷開電源指令；
[0017]( ii )且當(dāng)氣包壓力傳感器212檢測到氣包壓力小于2MPa時，為了能夠盡快恢復(fù)氣包壓力，LNG供給栗供給切換到50Hz工頻電源運行，且傳熱介質(zhì)三通閥223全開，直到氣包壓力恢復(fù)到參考壓力為止；
[0018](iii)且當(dāng)氣包壓力傳感器212檢測到氣包壓力介于2MPa和5MPa之間時，氣包壓力偏差及其變化率作為模糊控制器的輸入，經(jīng)模糊規(guī)則運算后輸出壓力波動所需LNG流量；而NG流量為Smith預(yù)估器的輸入，經(jīng)預(yù)估處理后輸出NG流量擾動所需LNG流量；模糊控制器與Smith預(yù)估器的輸出之和作為人工免疫控制器的輸入，并執(zhí)行人工免疫算法，借鑒生物免疫機理優(yōu)化出LNG供給流量及傳熱介質(zhì)流量，以此來確定LNG供給栗變頻器的電源頻率及傳熱介質(zhì)三通閥223開度，實現(xiàn)LNG供給流量及傳熱介質(zhì)三通閥開度的調(diào)節(jié)。
[0019](4)根據(jù)汽化器殼程NG壓力，調(diào)節(jié)NG壓縮機的流量，使其殼程內(nèi)維持負壓狀態(tài)。
[0020]作為優(yōu)選，所述步驟⑴至步驟⑷任意步驟中，只要甲烷傳感器222檢測到甲烷時，控制器就判定發(fā)生了燃料發(fā)生泄漏，發(fā)送關(guān)閉LNG供給栗、傳熱介質(zhì)三通閥及NG壓縮機的指令和開啟報警燈及排氣扇的指令。
[0021 ] 作為優(yōu)選，所述步驟(3)的(iii)中，首先將LNG供給流量和傳熱介質(zhì)流量均視為B細胞，目標(biāo)函數(shù)即NG流量/LNG供給流量之比看作抗體，目標(biāo)函數(shù)值最小看作抗原，對抗體、抗原及B細胞進行編碼和產(chǎn)生初始抗體，通過計算抗體與抗原、抗體與抗體之間的親和性，更新記憶/抑制細胞，同時促進和抑制B細胞的產(chǎn)生，然后利用克隆選擇、交叉和變異操作產(chǎn)生新B細胞生成新抗體，進入下一輪免疫反應(yīng)過程，直至親和性符合給定親和度為止，最終確定LNG供給流量和傳熱介質(zhì)流量。
[0022]在本發(fā)明中，系統(tǒng)模型含LNG供給栗數(shù)學(xué)模型、傳熱介質(zhì)三通閥數(shù)學(xué)模型、LNG汽化器數(shù)學(xué)模型、NG壓縮機數(shù)學(xué)模型及氣包數(shù)學(xué)模型。
[0023]在本發(fā)明中，所述的自給型內(nèi)燃機氣體燃料供給系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)電源為工頻50Hz的380V