一种智能控制的燃气发电机组及控制系统

本发明涉及燃气发电，具体为一种智能控制的燃气发电机组及控制系统。

背景技术：

1、燃气发电机组作为一种高效环保的发电设备，被广泛应用于电力供应、应急备用电源和分布式能源系统中。与传统的煤炭或柴油发电机组相比，燃气发电机组在燃料利用效率、污染排放和响应速度等方面表现出显著优势，尤其在减少二氧化碳、氮氧化物等有害气体排放方面，因此逐渐成为一种重要的清洁能源发电方式。

2、燃气发电机组控制系统在确保燃气发电机组的高效和安全运行方面发挥着至关重要的作用，通过精准的监测和调节技术，优化燃料的输入、燃烧过程和发电机的输出功率。现代燃气发电机组的控制系统通常采用数字化、自动化的方式，可以实现对负载波动的快速响应、燃气消耗的精确控制以及发电效率的最大化，从而提高机组的稳定性和经济性，同时减少不必要的能源浪费和排放。

3、目前，现有专利文献对燃气发电机组的智能控制中仍存在一些缺陷，如专利公开号为cn108825369b的中国专利将燃气发电机组应用于分布式供能设备中，并根据用户需求控制发电机运行，实现电-热或者热-电的相互转化，提高了能源的利用率；此外，中国专利cn116122956b公开了一种柠檬酸废水发电的压力和空燃比调节系统及方法，根据沼气流量波动造成的压力值和浓度值变化来控制空燃比，确保燃气发电机组能够正常启动和运行；以上现有技术均未考虑不同成分的可燃气体输入时燃气发电机组的工作状态，使得发电效率降低，导致能源浪费甚至造成发电机组硬件损坏。

4、为此，提出一种智能控制的燃气发电机组及控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种智能控制的燃气发电机组及控制系统，用于提高发电效率。为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种智能控制的燃气发电机组，包括压燃式内燃发动机、同步发电机、智能控制箱和若干传感器；智能控制箱包括显示屏、数据存储器、中央处理器和机组调节器；中央处理器用于接收若干传感器的采集数据，并处理得到压燃式内燃发动机的各调整参数；机组调节器根据各调整参数调节发动机的输入空气流量、活塞运动状态以及发动机和同步发电机转速；同步发电机将发动机处得到的机械能转换为电能输出，提升了燃气发电机组的运行效率和经济性，减少排放，实现绿色环保发电。

2、一种智能控制的燃气发电机组，包括压燃式内燃发动机、同步发电机、智能控制箱和若干个传感器；所述智能控制箱包括显示屏、数据存储器、中央处理器和机组调节器；

3、所述压燃式内燃发动机通过混气管道和混合器连接空气进气口和燃气进气口，通过机械联轴器连接所述同步发电机；所述智能控制箱通过数据总线连接若干个所述传感器、所述压燃式内燃发动机和所述同步发电机；

4、所述中央处理器接收所述传感器采集到进气口的燃气气体成分占比、环境温度和环境气压，根据用电量需求确定输入的燃气流量，并计算空燃摩尔比和实际空气密度，得到最佳空气流量；所述机组调节器根据所述最佳空气流量，调节所述空气进气口的空气进量；通过所述混合器将空气和燃气混合，并传输至气缸内；

5、所述中央处理器通过气缸内可燃气体的所述气体成分占比和自燃温差，得到理想混合燃料压缩比；所述机组调节器根据所述混合燃料压缩比调节气缸的活塞上止点；

6、所述中央处理器根据历史燃气发电组数据计算燃气成本函数，得到最佳负载系数；所述机组调节器根据所述最佳负载系数调节所述压燃式内燃发动机和所述同步发电机的转速。

7、优选地，所述压燃式内燃发动机的进气口设置有若干个传感器，包括气体传感器、温度传感器和气压传感器；所述压燃式内燃发动机的排气口设置有流量传感器，用于测量气缸排出的废气流量；所述排气口与废气处理器连接，所述废气处理器用于处理发动机排放的废气，达标后排放。

8、优选地，所述数据存储器，用于存储所述历史燃气发电组数据、所述传感器的采集数据、所述压燃式内燃发动机运行参数、所述同步发电机运行参数、燃气发电机组控制程序和所述中央处理器传输的调节数据；所述显示屏，用于读取和显示所述数据存储器内的采集参数、运行参数和调节参数；所述中央处理器通过实时监控各项运行参数，发现异常情况并向显示屏发出预警信号；所述显示屏接收预警信号，发出警报并显示异常信息。

9、优选地，获取所述最佳空气流量、所述理想混合燃料压缩比和所述最佳负载系数的实现过程包括：

10、所述中央处理器结合气体成分的燃烧反应方程，计算所述空燃摩尔比；通过所述环境温度和所述环境气压，确定所述实际空气密度；通过所述空燃摩尔比和所述实际空气密度，得到所述最佳空气流量；获取最佳空气质量和燃气单位分子质量，结合可燃气体的所述气体成分占比和自燃温差，得到所述理想混合燃料压缩比；

11、所述中央处理器根据所述历史燃气发电组数据构建负载-热耗率关系模型和负载-废气排放关系模型，通过数据拟合得到负载-热耗率函数和负载-废气排放函数，并生成燃气成本函数；将燃气流量、所述最佳空气流量和所述气体成分占比代入至所述燃气成本函数，通过最小化所述燃气成本函数，得到所述最佳负载系数；所述历史燃气发电组数据，包括历史燃气流量、历史燃气成分比例、历史空气流量、历史负载系数、历史发电时长和历史废气排放量。

12、优选地，所述中央处理器结合气体成分的燃烧反应方程，计算空燃摩尔比的实现过程包括：

13、依据所述气体成分占比和所述燃烧反应方程，获取不同气体成分的需氧量，并通过所述气体成分占比，得到燃气完全燃烧的需氧量；结合氧气在空气中的占比，得到所述空燃摩尔比，具体计算公式为：

14、；

15、其中，为所述空燃摩尔比；表示一摩尔第个气体成分的需氧量；表示第个气体成分的所述气体成分占比；表示氧气在空气中的摩尔分数；表示在燃料中气体成分的总个数。

16、优选地，所述空气流量调节模块结合所述环境温度、所述环境气压和所述空燃摩尔比，得到所述最佳空气流量的具体实现过程：

17、根据所述环境温度和所述环境气压，计算实际空气密度；通过燃气的所述气体成分占比，获取燃气的单位分子质量；获取输入的燃气流量，结合所述空燃摩尔比和所述实际空气密度，得到所述最佳空气流量，具体公式表示为：

18、；

19、；

20、其中，表示所述最佳空气流量；表示最佳空气质量；表示所述环境气压；表示所述环境温度；表示单位气体常数；表示所述空燃摩尔比；表示空气的单位分子质量；表示燃气单位分子质量；表示输入的燃气流量；表示燃气中第个气体成分的单位分子质量；表示第个气体成分的所述气体成分占比；表示所述最佳空气流量的影响因子；表示所述最佳空气质量的影响因子。

21、优选地，所述中央处理器结合可燃气体的所述气体成分占比和所述自燃温差，得到所述理想混合燃料压缩比的过程包括：

22、根据所述气体成分占比、所述最佳空气质量和发动机气缸容量，得到第一混气密度；结合理想气体状态方程和所述第一混气密度，计算第一混气温度；根据可燃气体的所述气体成分占比和自燃温差，得到第二混气温度；结合所述第一混气温度和所述第二混气温度，得到理想混合燃料压缩比。

23、优选地，所述中央处理器获取负载-热耗率函数的具体过程包括：

24、结合所述历史燃气成分比例和所述历史空气流量，计算对应历史时间下的混气低热值；根据相同历史时间下的所述历史燃气流量和所述历史空气流量，得到混气流量；根据所述混气流量、所述混气低热值、所述历史发电时长和所述历史负载系数，构建负载-热耗率关系模型；通过所述历史燃气发电组数据拟合得到关系参数，得到负载-热耗率函数。

25、优选地，所述中央处理器获取负载-废气排放函数的实现过程包括：

26、根据所述历史燃气流量和所述历史燃气成分比例，计算可燃成分排放量和非可燃成分排放量；通过完全燃烧反应中氧气的消耗量，结合所述空燃摩尔比和所述历史空气流量，得到空气非氧排放量；计算所述可燃成分排放量、所述非可燃成分排放量和所述空气非氧排放量，得到理想废气排放量；根据所述理想废气排放量和所述历史负载系数，构建负载-废气排放关系模型，并通过所述历史燃气发电组数据拟合关系参数，得到负载-废气排放函数。

27、一种燃气发电机组控制系统，包括：

28、机组数据采集模块，通过气体传感器、温度传感器和气压传感器，实时采集燃气的气体成分占比、环境温度和环境气压；

29、空气流量调节模块，根据气体成分的燃烧反应方程，计算气体成分和空气的摩尔比，得到空燃摩尔比；结合所述环境温度和所述环境气压，计算实际空气密度；通过所述空燃摩尔比和所述实际空气密度，得到最佳空气流量；根据所述最佳空气流量对发动机的空气进量进行调节；

30、发动机调节模块，获取最佳空气质量和燃气单位分子质量，结合可燃气体的所述气体成分占比和自燃温差，得到理想混合燃料压缩比；根据所述理想混合燃料压缩比对发动机气缸的活塞位置进行调节；

31、发电机组调节模块，根据历史燃气发电组数据构建负载-热耗率关系模型和负载-废气排放关系模型，通过数据拟合得到负载-热耗率函数和负载-废气排放函数，并生成燃气成本函数；将燃气流量、所述最佳空气流量和所述气体成分占比代入至所述燃气成本函数，通过最小化所述燃气成本函数，得到最佳负载系数；根据所述最佳负载系数对发动机和发电机的转速进行调节。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、1、本发明通过精确计算空燃摩尔比和最佳空气流量，优化了燃气发电机组的燃烧效率和运行性能。中央处理器结合气体成分占比、燃烧反应方程、环境温度和气压等参数，能够实时调整空气流量，确保燃气在不同负载和工况下都能实现完全燃烧，最大限度地提升热效率并降低废气排放。该过程使得发电机组能够适应不同燃气种类和环境条件，不仅提高了燃气发电机组的能源利用率，还有效降低了燃料消耗和排放。

34、2、本发明结合可燃气体的气体成分占比和自燃温差，精确计算理想混合燃料压缩比，显著提高了燃气发电机组的燃烧效率和稳定性。通过计算第一混气密度和温度，再结合气体成分和自燃温差，能够更加准确地优化混合气体的压缩比，从而确保发动机在最佳工作状态下运行。能够有效降低燃料消耗，减少废气排放，不仅提高发电机组的燃烧效率和能源利用率，还能够延长发动机的使用寿命，减少维护成本，提升整体运行效率。

35、3、本发明通过结合历史数据和燃气成本函数的计算，中央处理器能够最小化燃气使用成本，并根据最佳负载系数调节发动机和发电机的转速，确保燃气的效益最大化。最小化燃气成本函数还可以优化排放控制，减少不完全燃烧和废气排放，降低了环境污染物的排放量。