CN119244383B - 一种智能控制的燃气发电机组及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能控制的燃气发电机组及控制系统，涉及燃气发电技术领域。所述燃气发电机组包括：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。

Description

一种智能控制的燃气发电机组及控制系统

技术领域

本发明涉及燃气发电技术领域，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

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。

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。

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。

为此，提出一种智能控制的燃气发电机组及控制系统。

发明内容

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。

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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：

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；

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。

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：

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：

；

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。

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：

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：

；

；

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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。

一种燃气发电机组控制系统，包括：

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；

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；

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；

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

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。

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。

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。

附图说明

图1为本发明申请实施例提供的一种智能控制的燃气发电机组的结构图；

图2为本发明申请实施例提供的计算内燃发动机调节参数的流程图；

图3为本发明申请实施例提供的一种燃气发电机组控制系统的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

燃气发电机组在电力系统中具有较高的灵活性，能够快速响应负荷变化，满足峰值电力需求，同时，其燃烧效率高，污染排放低，符合现代能源可持续发展的要求。由于天然气燃烧过程受多种因素的影响，发电机组的运行状态需要通过精确的控制系统进行实时监测和调节。例如，控制系统需要精确管理燃气的供应、空气与燃料的混合比例、发动机的工作状态以及发电机的输出功率等参数。通过智能控制策略，可以在不同的负荷条件下确保燃气发电机组高效安全地运行，从而提升整个电力系统的经济性和可靠性。

本发明提出一种智能控制的燃气发电机组及控制系统对燃气发电机组的燃气流量进行高效控制，以提高发电效率。为了说明本发明的燃气发电机组及控制系统的有效性，将结合本实施例的附图和以下两个实施例进行具体说明。

实施例一

本申请实施例公开了一种智能控制的燃气发电机组，以高效控制燃气发电机组的各项参数，参阅图1，本发明提出的所述燃气发电机组包括：压燃式内燃发动机160、同步发电机170、智能控制箱100和若干个传感器；所述智能控制箱100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160和所述同步发电机170；所述智能控制箱100包括显示屏、数据存储器、中央处理器和机组调节器；所述压燃式内燃发动机160通过混气管道和混合器150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170。

进一步地，所述压燃式内燃发动机160的进气口设置有若干个传感器，包括气体传感器130、温度传感器110和气压传感器120；所述压燃式内燃发动机160的排气口设置有流量传感器140，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。

本申请实施例本发明进一步通过在压燃式内燃发动机的进气口和排气口配置多个传感器，实现了对发动机工作状态的精确监控与优化控制。进气口的气体传感器、温度传感器和气压传感器能够实时采集燃气成分、温度和气压数据，帮助中央处理器调节最佳空气流量，确保燃气完全燃烧，从而提高燃烧效率并减少废气排放；排气口设置的流量传感器则能够准确测量气缸排出的废气流量，配合废气处理器处理排放气体，确保废气排放符合环保标准，降低污染物的排放。

进一步地，所述数据存储器，用于存储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。

在本申请实施例中，示例性地给出传感器的采集数据，参阅表1。

表1、传感器的采集数据

本申请实施例通过数据存储器和显示屏的协同工作，实现了燃气发电机组运行状态的实时监控和异常预警。数据存储器确保对各项关键数据的全面管理；显示屏则提供直观的参数读取和异常信息显示，便于操作人员及时了解发电机组的工作状态；中央处理器通过实时监控各项运行参数，能够快速识别潜在的故障或异常，并向显示屏发出预警信号，确保异常情况得到及时处理，避免了可能的设备损坏。

进一步地，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；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；根据燃气发电组历史数据计算燃气成本函数，得到最佳负载系数；参阅图2，具体实现过程包括：

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；

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。

本申请实施例通过精确计算空燃摩尔比、最佳空气流量、理想混合燃料压缩比及燃气成本函数的优化，显著提升了燃气发电机组的运行效率和环保性能。中央处理器实时计算并调节空气流量，确保燃气在不同负载和工况下能够完全燃烧；而调节混合燃料压缩比，确保发动机在最佳工作状态下运行，降低燃料消耗、延长发动机寿命并减少维护成本；此外，中央处理器通过燃气使用成本的最小化调节最佳负载系数，确保了燃气发电机组的能源效益最大化。

进一步地，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：

依据气体传感器130获取燃气进气口的所述气体成分占比，结合所述燃烧反应方程，获取燃气进气口中不同气体成分的需氧量，并通过所述气体成分占比，得到燃气在所述压燃式内燃发动机160的气缸内进行完全燃烧的需氧量；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：

；

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，一般取值为0.21；表示在燃料中气体成分的总个数。

例如，根据甲烷的所述燃烧反应方程，可知一摩尔甲烷完全燃烧需要两摩尔氧气；而二氧化碳和氮气等非可燃气体成分，本身无法进一步燃烧，因此这类非可燃气体成分为燃烧过程中的惰性成分。

本申请实施例通过结合气体成分的燃烧反应方程精确计算空燃摩尔比，显著提高了燃气发电机组的燃烧效率和稳定性。中央处理器依据气体成分占比，获取各组分的浓度和需氧量，并结合氧气在空气中的摩尔分数，精确计算出空燃摩尔比。此过程确保了燃气的完全燃烧，优化了燃烧条件，最大限度地提升了热效率并降低了废气排放。

进一步地，所述中央处理器结合所述环境温度、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：

根据气压传感器110和温度传感器120获取空气进气口的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，公式表示为：

；

；

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且取值在区间内；表示所述最佳空气质量的影响因子且取值在区间内；

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150将空气和燃气混合，并传输至所述压燃式内燃发动机160的气缸内。

为了进一步说明本发明提出的最佳空气流量的作用，在此结合表1采集的数据示例性地给出不同批次的最佳空气流量进行对比，参阅表2列出了不同气体成分的单位分子质量和单位需氧量，表3中列出了不同批次采集数据的最佳空气流量。

表2、不同气体成分的单位分子质量和单位需氧量

表3、不同批次采集数据的最佳空气流量

表3的最佳空气流量过程中，单位气体常数为；空气的单位分子质量为；所述最佳空气流量的影响因子为1；所述最佳空气质量的影响因子为1。根据表3的数据，可以分析出最佳空气流量与空燃摩尔比之间的关系，在不同批次的数据中，空燃摩尔比较低时，通常需要较高的最佳空气流量。例如，在BH01批次中，空燃摩尔比为0.09时，最佳空气流量为20.62，而在BH02批次中空燃摩尔比为0.10时，最佳空气流量降至16.17。同时，燃气流量越高就表示需要燃烧的可燃气体成分越多，造成需要的最佳空气流量越多。

本申请实施例结合环境温度、环境气压和空燃摩尔比，精确计算最佳空气流量，显著提高了燃气发电机组的燃烧效率和稳定性。中央处理器通过计算实际空气密度，精确调整空气流量，从而确保在不同环境条件下燃气能够以最佳比例与空气混合，达到完全燃烧的效果，有效提高了热效率，减少了废气排放，优化了燃料的利用率，降低了燃料消耗。

进一步地，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：

根据所述燃气单位分子质量、所述最佳空气质量和所述压燃式内燃发动机160的发动机气缸容量，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，具体表示公式为：

；

其中，表示所述第一混气温度；表示所述环境气压；表示单位气体常数；表示所述第一混气密度；表示输入的燃气流量；表示所述燃气单位分子质量；表示燃气的摩尔体积；表示所述最佳空气质量；表示发动机气缸容量；表示混气的单位分子质量；

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，得到所述理想混合燃料压缩比，计算公式为：

；

其中，表示所述理想混合燃料压缩比；表示所述第一混气温度；表示所述第二混气温度；表示燃气中所述气体成分占比最高的可燃气体成分对应的自燃温度；表示第个可燃气体成分的所述自燃温差，通过第个可燃气体成分与所述气体成分占比最高的可燃气体成分的自燃温度相减；表示第个可燃气体成分的所述气体成分占比；表示燃气中可燃气体成分的个数；表示权重系数，通过实验数据拟合得到：

所述机组调节器根据所述混合燃料压缩比调节所述压燃式内燃发动机160内气缸的活塞上止点，使得燃气的自燃温度与压缩比匹配，减少因爆震造成的硬件损坏。

本申请实施例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，显著提升了燃气发电机组的燃烧效率和稳定性，确保了发动机在最佳工作状态下运行。精确的混合燃料压缩比不仅提升了发电机组的能源利用率，还有效降低了废气排放，改善了环境效益。

进一步地，所述中央处理器获取负载-热耗率函数的具体过程包括：

结合所述数据存储器中的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，表示为：

；

；

其中，表示所述负载-热耗率关系模型；表示所述负载系数；表示额定功率下的发电机组热耗率；表示所述历史燃气流量；表示所述历史空气流量；表示额定功率对应的所述历史发电时长；表示额定功率；表示第个气体成分的所述历史燃气成分比例；表示第个气体成分的低热值；表示燃气中气体成分的个数；、和表示所述负载-热耗率关系模型不同的关系参数；

通过所述历史燃气发电组数据拟合关系参数的数值，得到负载-热耗率函数。

本申请实施例通过获取负载-热耗率函数，实现了燃气发电机组的热效率优化。中央处理器通过计算混气低热值和混气流量，从而构建负载-热耗率关系模型。该过程通过数据拟合得到关系参数，形成负载-热耗率函数，能够精准反映不同负载条件下发电机组的热耗率。

进一步地，所述中央处理器获取负载-废气排放函数的实现过程包括：

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，得到所述压燃式内燃发动机160的理想废气排放量；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，表示为：

；

；

其中，表示所述负载-废气排放关系模型；表示所述负载系数；表示理想废气排放量；表示第个可燃气体成分的所述历史燃气成分比例；表示燃气中可燃气体成分的个数；表示第个可燃气体成分的单位废气排放量；表示第个非可燃气体成分的气体成分占比；表示燃气中气体成分的个数；表示所述历史燃气流量；表示空气中氧气的占比；表示所述历史空气流量；和表示所述负载-废气排放关系模型的关系参数；

通过所述历史燃气发电组数据拟合关系参数的数值，得到负载-废气排放函数。

本申请实施例通过获取负载-废气排放函数，显著提高了燃气发电机组的排放控制能力。中央处理器通过构建负载-废气排放关系模型，并结合历史数据进行拟合，能够准确预测不同负载下的废气排放情况，优化排放控制策略，减少不完全燃烧和废气排放。

进一步地，结合负载-热耗率函数和负载-废气排放函数，生成所述燃气成本函数；将所述最佳空气流量、所述燃气进气口的燃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，得到燃气发电机组的所述最佳负载系数；具体计算公式为：

；

其中，表示求的最优解函数；表示所述燃气成本函数；表示所述负载系数；表示负载-热耗率函数；表示负载-废气排放函数；表示所述负载-热耗率函数的权重参数，表示所述燃气成本函数的权重参数，和的取值均在区间内且；

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160和所述同步发电机170的转速。

本申请实施例通过设计智能控制的燃气发电机组，实现了燃气发电机组燃烧效率、能源利用率和排放控制的提升。该具体的实施过程主要包括以下几个步骤：（一）根据燃气成分调节空气进量；（二）根据燃气成分确定理想混合燃料压缩比；（三）调节最佳负载系数。对于上述三个过程分别提出了最佳空气流量、理想混合燃料压缩比和燃气成本函数；所述最佳空气流量，实现了燃烧效率的提升和废气排放的降低，提高了燃气发电机组的能源利用率；所述理想混合燃料压缩比，进一步提升了燃烧效率和稳定性，降低了燃料消耗；所述燃气成本函数，进一步提高了燃气使用效益，减少了环境污染物的排放量，提高了充电效率。

实施例二

在实施例一中本发明提出的燃气发电机组根据燃气的不同成分对所述发电机组进行智能控制。在本申请实施例中将对应用于A燃气发电机组的一种燃气发电机组控制系统进行说明，参阅图3，所述燃气发电机组控制系统包括：机组数据采集模块、空气流量调节模块、发动机调节模块和发电机组调节模块。

所述机组数据采集模块，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。

进一步地，所述空气流量调节模块，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。

进一步地，所述发动机调节模块，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；所述理想混合燃料压缩比的具体实现过程包括：

根据所述燃气单位分子质量、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，具体表示公式为：

；

其中，表示所述第一混气温度；表示所述环境气压；表示单位气体常数；表示所述第一混气密度；表示输入的燃气流量；表示所述燃气单位分子质量；表示燃气的摩尔体积；表示所述最佳空气质量；表示发动机气缸容量；表示混气的单位分子质量；

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，得到所述理想混合燃料压缩比，计算公式为：

；

其中，表示所述理想混合燃料压缩比；表示所述第二混气温度；表示燃气中所述气体成分占比最高的可燃气体成分对应的自燃温度；表示第个可燃气体成分的所述自燃温差，通过第个可燃气体成分与所述气体成分占比最高的可燃气体成分的自燃温度相减；表示第个可燃气体成分的所述气体成分占比；表示燃气中可燃气体成分的个数；表示权重系数，通过实验数据拟合得到；

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。

本申请实施例示例性地给出不同批次燃气的第一混气温度对比，参阅表4列出了不同批次燃气的第一混气温度；其中，环境气压为；单位气体常数为；发动机气缸容量为；燃气的摩尔体积为。

表4、不同批次燃气的第一混气温度

进一步地，所述发电机组调节模块，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。

本申请实施例通过机组数据采集模块、空气流量调节模块、发动机调节模块和发电机组调节模块的协同工作，实现了对燃气发电机组的精准控制。空气流量调节模块通过计算空燃摩尔比和实际空气密度，确定最佳空气流量，确保燃烧过程的高效和稳定；发动机调节模块通过自燃温差优化混合燃料压缩比，提高发动机工作效率并减少能耗；发电机组调节模块结合历史数据，精确构建负载-热耗率和负载-废气排放模型，生成燃气成本函数优化负载系数，降低燃气消耗和废气排放。该系统能够有效提高燃气发电机组的发电效率，减少燃气消耗和环境污染，提升经济性和环保性，具有显著的节能减排效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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；

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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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：

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；

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，并生成所述燃气成本函数；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。

5.根据权利要求4所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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：

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：

；

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。

6.根据权利要求4所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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：

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：

；

；

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。

7.根据权利要求4所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，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：

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。

8.根据权利要求4所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，所述中央处理器获取负载-热耗率函数的具体过程包括：

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。

9.根据权利要求4所述的一种智能控制的燃气发电机组，其特征在于，所述中央处理器获取负载-废气排放函数的实现过程包括：

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。

10.一种燃气发电机组控制系统，其特征在于，包括：

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；

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；

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；

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。