远程能源供应中的技术进步 - 文章

远程能源供应中的技术进步

作者：贝加莱工业自动化

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前言

许多采用GE颜巴赫（GE Jenbacher）燃气内燃机的发电站利用天然气、沼气以及其他多种特殊的燃料来进行远程电力与热能的供应。最先进的内燃机控制器在任何运行状况下都能最大限度地确保该系统的安全与经济。这些内燃机控制系统不仅运行在贝加莱的自动化硬件上，而且通过在贝加莱软件产品Automation Studio Target for Simulink®上进行仿真及目标系统自动代码生成，大大缩短了开发周期。

在奥地利，电力来自于墙壁上的插座，但是庞大的电网及数量众多的电站却在背后提供了安全可靠的保障。这样的情况并非世界各地都如此，在很多地方，人们并不能从区域电网中获得足够多的电力供应，而是必须依靠自己来发电。与此同时，包括工业废气、垃圾填埋气、煤矿瓦斯以及牲畜排泄物产生的沼气在内的气体在未经利用的情况下就进入了大气。鉴于全球能源消耗日益增加，应对气候变化的形势日趋严峻，有效地利用这些气体能源蕴藏着巨大的潜力。

GE颜巴赫的产品就非常符合这一市场的发展要求。颜巴赫公司总部位于奥地利Jenbach，她是世界一流的燃气内燃机、配套发电机组和热电联产机组制造商。那么，是什么使他们始终处于行业前沿呢？颜巴赫的内燃机生产历史超过50年，可以处理天然气以及在农业、采矿、工业和垃圾处理中产生的各种生物质气体及其他特殊气体。GE颜巴赫在行业中之所以能够始终保持领先地位的原因完全要归功于他们只专注于燃气内燃机的开发与生产。

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GE颜巴赫分布式生物气发电系统可以让用户从缩短系统制备过程以及更加独立于中央电网中获益

今天，颜巴赫已遍布世界60多个国家。一方面，公司燃气内燃机系统为需要电力与热能的区域提供远程能源供应，另一方面，它们可以确保这些具有相对低热值的气体燃料得以合理利用，以减少对其它燃料（如石油、天然气和柴油）的依赖，从而避免消耗更多有限的资源并付出高昂的运输成本。

这一拥有1500名雇员的公司隶属于GE能源集团。GE能源集团总部位于美国亚特兰大，她所提供的全方位产品和服务跨越能源行业的各个领域，包括煤、石油、天然气、核能以及可再生能源如水电、风能、太阳能与生物气能。2007年集团销售收入为218亿美元。颜巴赫燃气内燃机是符合“绿色创想”概念的产品，这一概念体现了GE应对重大环境挑战的责任。

应对用电负荷变化的挑战

“赞同使用燃气内燃机的观点主要集中于环保方面，”自动化开发工程师Michael Waldhart解释道。“柴油发电机组虽然能更好地根据负荷量变化发电，但是它所使用到的燃料成本相对太高。GE颜巴赫燃气内燃机则可以通过燃烧气体来发电。”

发电机组尤其针对发电机单机运行来说最大的挑战往往在于频繁的负荷变化。大量电力用户突然接入电网会导致发电机阻力增大，从而降低内燃机转速。如果不采取应对措施就会导致供电电压频率不稳定。这样的情况不容出现，因为电压频率的变化过大会致使电厂拉闸限电从而保证供电质量。因此，控制技师的工作就是尽量减小并快速弥补这些基于负荷变化的内燃机转速波动，这样不仅可以保证供电安全，而且能够最大限度地提高发电机组的运行可靠性并增加发电效率。

“传统的闭环控制方法如PID控制已经不能够满足当前的应用要求，”Waldhart说道。“我们现在使用最先进的控制器如模糊控制器或H∞控制器，GE颜巴赫的内燃机设计都基于这些模型。”这些控制系统架构不仅可以处理更为复杂的输入输出，而且能够保证更广泛的系统运行稳定性。这是非常有必要的，因为在高负荷下，内燃机的最佳工作范围是非常小的。例如，模糊控制器可以把“模糊量”和逻辑法则结合并且将它们转化为具体的设置命令，然后控制器就会将命令发给各种传动装置，如节流阀、燃料进气单元或涡轮增压器进气泄压阀。

按照惯例需快速建模

GE颜巴赫燃气发电站中的控制系统均来自贝加莱。典型的控制与显示单元是定制化PP450 Power Panel，它通过POWERLINK总线与两个X20系统相连，X20系统拥有大约110路数字量和模拟量输入和输出。此外，运行WinServer操作系统的APC620用于处理分布式IO点上采集的数据。

新开发的控制器可以预先在目标硬件上运行，并在内燃机的仿真模型上进行测试。“多年来，我们一直都在利用高级和低级内燃机模型，这些模型是通过美国厂商The Mathworks出品的仿真工具MATLAB®和Simulink®创建的，”Waldhart说道。“这样，在开始建立真正的模型前我们就可以选择并预先确定最出色的控制器和相关机械组件了。”

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开闭环控制器在真实模型上进行测试前需先后通过仿真测试以及在实际控制硬件上进行测试

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快速建模的好处显而易见：因为测试台只需要验证一次成功仿真的结果，所以花费在测试台上的时间和燃料消耗可以最大限度地得以减少，而且无需破坏价格昂贵的模型，加速了产品“Time to Market”。由于GE颜巴赫的竞争对手不愿意投入一次性成本来创建仿真模型，而是仍然保留传统的开发方法，因此确保了颜巴赫拥有这项技术优势。“针对控制器设计，Simulink支持使用众多工具箱进行快速建模，”Waldhart继续说。“这节省了我们从头开始为模型编程的时间，从而节约了大量开发时间。”

通过在MATLAB®和Simulink®中仿真并在贝加莱Automation Studio中自动完成代码生成，复杂控制器的开发时间从几个月缩短至仅仅几天。

采用快速建模的目标系统通常与设备上实际运行的系统是不一样的，这意味着还需要另外采取代码移植的步骤。快速建模的目标系统通过贝加莱自动代码生成后就和客户真实系统中的目标硬件完全相同，这就令建模测试变得更有意义。“最重要的是，系统模型也可以采用半物理仿真；即控制器硬件在运行条件下的实时系统仿真，”负责自动代码生成的贝加莱工程师Philipp Wallner解释道。“这进一步提高了仿真结果的可靠性。”

自动代码生成提高效率

利用自动代码生成器可以将Simulink®仿真模型自动转化为C代码。在过去，这种代码需手动纳入目标系统软件，不仅每次要花费一个半小时的工作时间，而且会引入生成错误代码的风险。

贝加莱不仅致力于提供自动化控制技术，而且也在努力使开发过程更自动化，他们开发了一套能够自动将Simulink生成的代码集成到软件平台Automation Studio中的程序。这款软件产品被称为B&R Automation Studio Target for Simulink®，自从2008年10月开始推出使用，GE颜巴赫成为了第一批热情的用户。一个复杂的、基于模型的模糊控制器以GE颜巴赫与维也纳技术大学合作论文的形式开发出来，并于同年12月第一次投入使用。

GE颜巴赫公司的创新工程师还看到了仿真技术在维护方面的优势，基于仿真的观察系统并行运行于贝加莱目标系统上，并且提供与真实参数相比较的设定参数，为基于状态的设备维护提供了坚实的基础。GE颜巴赫在需要的时候也可以利用这一方式来确保发电站正常运行。

GE颜巴赫公司简介：

成立时间：1959年
员工人数：超过1500人
公司地址：Jenbach（奥地利）
产品＆服务：燃气内燃机、配套发电机组和热电联产机组的开发与制造
网址：www.jenbacher.com

文章内容仅供参考 (投稿) (11/14/2011)


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