基于瓦斯發電空燃比的PID調節技術研究

摘" 要：近年來，隨著瓦斯開采技術的發展，煤礦在瓦斯防治上取得良好的效果。大量的瓦斯排放不但造成嚴重的環境污染，而且還浪費寶貴的清潔能源。在國內外，煤礦發電技術也取得很大的進步，利用瓦斯發電對全球節能減排和環境發展具有重要意義。該文主要結合瓦斯電站現有的技術，升級并實施適用于低濃度瓦斯發電的總體方案，采用靈活性強、安全性高的分布式控制系統（DCS）。針對煤礦瓦斯的特點，應用瓦斯管道進氣和排空閥門調節、空燃氣閥門PID調節、冷卻水循環系統等技術，以解決發電機控制系統自動化程度較低，工況波動時需要人為操作，電站無法實現無人化管理，輔助系統為就地小系統獨立控制等問題。根據設計要求，調試安裝后與電廠10 kV電網成功并網。經過實踐證明，該瓦斯發電技術在項目中取得顯著的成效。在經濟、環境、社會效益方面，具有廣闊的發展前景。

關鍵詞：瓦斯發電；DCS；PID；空燃比；效益

中圖分類號：TD712.67" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0164-06

Abstract： In recent years， with the development of gas mining technology， coal mines have achieved good results in gas prevention and control， but a large number of gas emissions not only cause serious environmental pollution， but also waste valuable clean energy. At home and abroad， coal mine power generation technology has also made great progress， the use of gas power generation is of great significance to global energy saving and emission reduction and environmental development. Based on the existing technology of gas power station， this paper upgrades and implements the overall scheme suitable for low concentration gas power generation， and adopts the distributed control system （DCS） with strong flexibility and high security. According to the characteristics of coal mine gas， some technologies are applied， such as gas pipeline intake and emptying valve regulation， air gas valve PID regulation， cooling water circulation system and so on. It solves the problems that the automation degree of the generator control system is low， the human operation is needed when the working condition fluctuates， the unmanned management of the power station can not be realized， and the auxiliary system is the independent control of the local small system. According to the design requirements， after debugging and installation， it is successfully connected to the 10 kV power grid of the power plant. 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; benefit

煤層氣是一種俗稱煤礦瓦斯的能源，加快煤層氣的開發和利用對于確保煤礦安全生產和增加清潔能源供應至關重要。煤層氣的規?？焖僭鲩L，成為補充天然氣供應的重要來源。全國已建成2萬多口煤層氣井。2022年一季度，全國煤層氣產量達到23億m3，同比增長約20.8%，占國內天然氣供應量的4.1%。2021年至2022年采暖季，煤層氣日均供氣量達2 360萬m3。煤層氣在能源領域具有廣泛的應用價值，被譽為“地下煤氣庫”[1]，其開采技術是煤炭工業的重要組成部分。近年來，煤層氣開采技術得到了迅速發展，但其開采效率、安全性和環保性仍面臨一些挑戰。因此，煤層氣開采技術的研究和改進具有重要的意義。

煤層氣是在煤炭地質演化過程中形成的，在有機質埋藏時，由于溫度、壓力和時間等因素的作用，其逐漸分解產生氣體，其中以甲烷和一氧化碳為主要成分。煤層氣的分布主要受煤層儲層性質、煤層埋深、煤層構造和地質構造等因素影響。一般來說，煤層氣主要分布在近地表的淺層煤層和構造簡單的區域，儲層性質好的煤層氣豐度高，儲層性質差的煤層氣豐度低。煤層氣的運移方式主要是吸附運移和天然氣發電，在國外被廣泛使用。魯爾集團每年從德國薩爾州獲得甲烷濃度為50%的煤礦瓦斯，用于火電運營。發電技術用燃氣輪機和蒸汽機發電。2003年研制出新型集裝箱結構的礦用瓦斯采暖制冷耦合設備。

本論文將結合國內瓦斯抽采量增多的趨勢，將充分利用能源作為目標。闡述一個安全、可靠的瓦斯發電系統應具備的、前瞻性的技術要點和新穎觀點。同時，設計集散控制系統，即DCS系統更好地統籌兼顧分散的系統，以提高資源利用、節約人力、集中系統、創造效益。

1" 瓦斯發電技術要點與措施

貴州能源集團苞谷山煤層氣發電站投產后，開始利用煤礦建設的低濃度瓦斯（10%左右）進行發電。以減少溫室效應氣體排放，降低環境污染為目的，同時項目的建設，也提高了當地的就業率。本項目集瓦斯發電、自動控制及DCS系統為一體，包括瓦斯抽排、瓦斯管道輸送系統、冷卻系統、熱水循環系統、變配電系統及其他系統。

1.1" 發電機組技術方案實施

苞谷山瓦斯電站是位于貴州省盤縣紅果鎮挪灣村的一座發電廠。該項目第一階段包括8臺700 kW的低濃度瓦斯發電機組，采用700GFZ-RWD-TEM2-4發電機型號，由勝利油田勝利動力機械集團有限公司生產。該電站于2014年6月投入運行。第二階段包括2臺700 kW和2臺1 000 kW的低濃度淄柴瓦斯發電機組，與第一階段發電機型號相同，于2018年6月投入運行。瓦斯電站有一條10 M的聯通專線連接到六盤水區域集控中心。DCS系統和升級后的發電系統于2022年完成并投入運行。電站的總體結構如圖1所示。

1.2" 瓦斯抽排技術要點

1.2.1" 瓦斯抽排的目的

瓦斯是煤礦安全生產中的隱形安全威脅。然而，其也是一種可再生能源，被稱為“第二煤炭資源”，具有很高的利用價值。為了消除瓦斯對煤礦安全生產和采礦人員生命財產的威脅，現在采用瓦斯抽排技術。這項技術通過利用各種機械設備和專用管道產生負壓，將煤層中存在或釋放出的瓦斯提煉和抽取，并將其輸送到地面或其他安全地點[2]。其目的是減少和消除瓦斯的威脅，從而保障煤礦的生產安全。該技術的重要意義主要有以下3點。

第一，預防煤礦事故：抽排瓦斯可以減少煤礦開采時的瓦斯涌出量，從而減少瓦斯隱患和事故的發生，是保證煤礦安全生產的一項重要預防性措施。

第二，降低成本：抽排瓦斯可以減少礦井內通風負擔，降低通風費用，同時還能夠解決通風難以解決的一些技術難題，有助于降低生產成本。

第三，利用資源：煤層中的瓦斯同煤炭一樣是地下資源，將瓦斯抽取出來作為原料或燃料加以利用，“變害為利”“變廢為寶”，可以起到節約煤炭、保護環境和提高經濟效益的作用。

1.2.2" 瓦斯氣體的輸送

為了預防瓦斯爆炸事故，必須遵循一系列安全規定，包括管道設計優化、管道內壁保持清潔、漏氣隱患的排除、適當加壓防止瓦斯泄漏、使用防雨和防靜電的管道材料等。同時，必須加強礦井內的火源控制和防火措施，禁止隨意使用明火和電器，嚴格禁止吸煙和投擲易燃物品。在必要時，還要采取相應的防火措施，如噴水滅火和使用慣導型滅火器等。因此，需要采取一系列安全措施，包括安裝管路三防裝置、定期檢查、規范管道運輸安全操作要求、加強礦區火源控制和做好防火措施等。這些措施的貫徹執行可以有效地減少瓦斯爆炸事故的發生，保障人員和設備的安全。目前，通常采用的三防裝置按其結構大致分為水封式（圖2）、銅網式（圖3）。

1.2.3" 濕式液位自控水封阻火技術

濕式液位自控水封阻火技術是一種防火防爆技術，通過水位自動控制系統來調節水位，使火焰在經過水層時被吸收、消散并消除自由基，從而實現防火、防爆的效果。水位自控水封阻火防爆器利用雷達監測水位和計算機自動控制，實現自動補水和放水，保證水位在設定的安全高度，適用于低濃度瓦斯輸送。

1.2.4" 低濃度瓦斯安全輸送工藝技術

采用“3+4×1”的安全工藝流程，其中“3”是指采用3種防火、阻火技術，包括細水霧阻火、金屬波紋帶阻火和雷達控制水位的水封卸爆阻火技術的串聯；“4×1”的技術有機組合，包括一級脫水器、細水霧供水系統、瓦斯輸送壓力控制機構和煤礦瓦斯細水霧輸送電子管理系統。該工藝流程能夠從根本上保證系統的安全可靠性，確保瓦斯輸送過程中不會發生意外事故。同時，該系統還能自動控制瓦斯的壓力、溫度、流量及濃度等參數，確保瓦斯輸送的安全與穩定性，具有環保節能的優點。

1.2.5" 瓦斯輸送控制系統

該控制系統應符合國家相關標準，具有自動控制和手動控制2種控制方式，能實時顯示系統運行狀態并監控多種參數，如瓦斯壓力、溫度、流量、濃度、水池水位、水霧發生器水壓、成霧水泵流量、濕式阻火泄爆裝置內的水位及泄壓溢流閥工作狀態等，輸送裝置參數超限時能夠聲光報警并輸出控制信號，能控制輸送裝置管道控制閥門的開啟與關閉，并能在主水泵出現故障時，自動投入備用水泵正常運行。

1.3" 瓦斯發電控制技術

煤礦瓦斯發電關鍵技術[3]主要分為瓦斯混合、自動控制和安全阻火三大類。具體分為以下幾項。

等真空度膜片混合技術：主要用于瓦斯體積分數大于75%的煤層氣，可以實現空燃比隨功率變化的匹配特性。無法自動適應瓦斯濃度變化，但由于煤層氣成分穩定且變化緩慢，適用于高濃度煤層氣應用場合。

電控混合器混合技術：采用文丘里管原理，可適應體積分數為30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。當瓦斯濃度變化時，控制系統自動進行控制，從而使混合氣濃度保持穩定。

雙蝶門混合器電控技術[4]：針對低濃度瓦斯混合需求。采用電動控制的蝶閥進行調節流量，并通過TEM控制系統進行閉環控制，保持混合氣的濃度不變?？捎糜隗w積分數為6%～30%的瓦斯混合。

瓦斯低壓進氣混合技術：采用增壓后混合方式，增壓器旋轉產生的強大氣流流動導致火星熄滅，可直接應用于煤礦抽排瓦斯發電。

低壓大流量先導調壓控制技術：通過導閥對調壓閥出口進行放大，形成控制氣壓加到主閥的調壓腔，使調壓閥實現精細調整。可滿足低濃度瓦斯發動機的使用要求。 TEM電子管理技術：實現計算機數據采集、控制、顯示、報警保護、通信、數據記錄保存和打印功能。根據發動機的功率、轉速和缸溫的變化自動發出調整信號，使混合氣的濃度保持不變。

瓦斯阻火技術：采用瓦斯管道阻火器，當火焰通過狹窄的金屬板通道時，通過自由基和自由原子與狹縫的冷壁相碰撞釋放能量，形成熄火層，從而熄滅火焰。

1.4" 低濃度瓦斯發電技術要點

本項目瓦斯電站自動化系統建設工作完成后，數據接入貴州公司集控中心的遠程監控系統并實現對電站設備的遠監視和最優控制等功能，滿足建設方對遠程集控系統軟件二次開發功能需求。包括但不限于在就地監控中心及遠程集控中心實現對電站機組及輔助系統滿足電站無人值守、一鍵啟停、設備單操、設備運行順控、設備自動、設備電氣聯鎖保護、設備工藝過程調節策略、設備最優化運行、設備故障統計分析、電站日常報表統計分析和設備狀態監測與預警等生產數據統計分析功能。本項目將采集的模擬量信號進行濾波處理，同時，在缸溫排溫閉環調節空燃比的基礎上引入了PID算法，做出了前瞻性的探索與驗證，根據數據驗證并取得了不錯的效果。

1.4.1" 系統噪聲分析及數據處理

影響控制系統的干擾源，大多產生在電流、電壓劇烈變化的位置，電荷的劇烈移動產生了干擾源。壓力、氧傳感、缸溫及排溫這些傳感器是4～20 mA的電流信號，在系統運行期間不可避免地會產生干擾。本工程為滿足電站無人值守、一鍵啟停、設備單操、設備運行順控、設備自動、設備電氣聯鎖保護、設備工藝過程調節策略和設備最優化運行，要求測量系統具有較高靈敏度，所以提高抗干擾性至關重要。環境因素、采集設備以及瓦斯本身等因素在整個系統運行過程中都會混合各種噪聲。這些噪聲的來源主要分為以下幾類。

1）基線漂移噪聲。這是因為在信號采集過程中，設備導線松動、有積灰，會導致熱傳導等失效。

2）工頻干擾。經常使用50 Hz的頻率，在空中產生的電磁波會輻射到電子元件、設備導線和傳感器上，從而對各種電子設備產生干擾噪聲。

3）系統噪聲。這種噪聲隨機性較強，不可避免。電子元件內部噪音，在采集過程中，環境的溫度、濕度都會產生噪聲。由于帶有噪聲的原始數據會直接作用于功率，倘若濾波處理放在傳感器采集的數據側，這樣整個過程顯得很繁雜，并且PLC模擬量模塊具備降噪過程，這樣會導致信號衰減，從而降低數據的準確性。本系統采用一階滯后濾波和巴特沃斯濾波器。

1.4.2" 一階滯后濾波

一階滯后濾波的公式是：本次濾波結果=濾波系數（a）×本次采集結果+（1-濾波系數（a））×上次濾波結果。假設上次的濾波結果是600，這次的采集結果是620，產生了一個20的突變，如果使用一階滯后濾波后，假設濾波系數是a=0.5，本次的濾波值=0.5×600+0.5×620=610，使得突變沒有那么嚴重，在濾去脈沖干擾的時候有很好的效果，一階滯后濾波會使得到的數據波形比原波形更加平緩。利用MATLAB設計原始信號為20、25 Hz的信號，隨著系數a的不同，展現出來的效果也不同，如圖4所示。

由上述內容可以看出，一階滯后系統的優點：對周期干擾有良好的抑制作用，適用于波動頻率比較高的場合。

1.4.3" PID控制原理

PID是一種常用的反饋控制算法，用于調節系統的輸出使其與期望值相匹配。PID算法基于3個參數：比例（P）、積分（I）和微分（D），這些參數的組合會產生一個控制輸出。比例項（P）通過將誤差信號乘以一個比例系數來產生輸出。積分項（I）將誤差信號累積起來，并乘以一個積分系數，用于糾正系統存在的穩態誤差。微分項（D）通過測量誤差變化率并乘以一個微分系數，來消除系統中的過沖和震蕩。PID控制的實質就是根據輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數關系進行運算，以控制輸出。在工業過程中，連續控制系統的理想PID控制規律為

式中：Kp-比例增益，Kp與比例度成倒數關系；Tt-積分時間常數；TD-微分時間常數；u（t）-PID控制器的輸出信號；e（t）-給定值。如圖5所示。

閉環控制，是根據控制對象輸出反饋來進行校正的控制方式。如果想要控制電機的轉速，就需要用傳感器測量轉速并將結果反饋到控制路線上。閉環控制算法中最簡單的一種即為PID控制，通過比例、積分和微分3個算法的組合，可以有效地糾正被控制對象的偏差，使其達到一個穩定的狀態。

1.4.4" PID控制應用

本項目采用低濃度瓦斯輸送技術，結合專用防爆裝置、燃氣空氣PID算法調節等技術，使燃氣發電機安全運行。最后，經過DCS系統統一調度，實現瓦斯發電系統與其他系統高度智能化的自檢功能。同時，煤礦的瓦斯濃度極其不穩定，經過研究，雖使用比較靈敏的傳感器來消除濃度突變所帶來的空燃比突變的問題，但是當濃度急劇波動時，系統調節過于頻繁，無法使整個閉環系統穩態運行。PID控制算法的運算結果是一個數，利用這個數來控制被控對象在多種工作狀態工作，一般輸出形式為PWM，滿足了按需輸出控制信號，根據情況隨時改變輸出的目的。本工程以功率作為目標值，經過比例、積分、微分環節進行調節，執行單元為空氣閥門和燃氣閥門開度的調節，輸出量經過數據處理作用于目標值，最終實現閉環系統的穩態運行，如圖6所示。

結合可編程控制器，系統按以下公式進行工作

式中：y-PID算法的輸出值；Kp-比例增益；s-拉普拉斯運算符；b-比例作用權重；w-設定值；x-過程值；TD-積分作用時間；TI-微分作用時間；a-微分延遲系數；c-微分作用權重。圖7是PLC中具體所使用的PID算法塊的一部分程序塊，本工程將各種相關量之間的PID調節，將各個輸出量整合后進行數據處理，然后細化各個參數影響功率的權重，進而干預輸出量的調節，使得整個系統進行有效的閉環控制。

經過PID算法得出的數據，不能直接作用于空氣和燃氣閥門的開度控制上，因為數據的相關性不是定性的，權重比分配也較困難。將數據進行整定分析，再結合大量的時間觀察設備運行情況，將參數系數作為開放式接口，可以結合實際的運行情況做修改，只參與權重比的分配，不影響閉環系統達到穩態的趨勢。

本工程中數據的集中處理在開度計算塊內，結合燃氣開度給定度PID調節、燃氣開度給定功率PID調節、燃氣開度給定壓力PID調節、空氣開度給定缸溫PID調節和空氣開度給定氧含量PID調節等，將所有相關的數據量以輸出量的形式作用于目標值，進而提高功率閉環的抗干擾性，使得整個系統可以滿足功率的整定，如圖8所示。

1.4.5" 樣本數據分析

隨后，將應用PID調節并進行濾波處理的數據和只靠設備自身缸排溫形成閉環調節的數據進行采樣。兩者各采集相同數量的樣本數據，控制其他變量，將大部分時間的設定功率控制在680 kW，從而測試機組高功率運行的設備穩定性。后使用MATLAB將樣本數據進行分析，如圖9—10所示。

通過上述結果，可直觀地看出采用PID調節和濾波處理的數據趨于設定值穩定運行，相較于普通的閉環調節更能很好地解決突變的甲烷濃度引起閥門調節不當，最終導致功率不穩定的問題。這個探索對于本行業來說是一個很好的起點，可以適應復雜的環境，不再過分依賴疊加傳感器的方式，用過多的數據去注入數量較少的執行單元。本工程在國內的瓦斯發電技術領域具有前瞻性和創新性。此項瓦斯發電技術結合DCS系統，達到了瓦斯電站少人值守目的，提高了自動化水平，推動了瓦斯行業發展，提高了社會影響力。

2" 效益分析

苞谷山瓦斯電站機組控制系統成功實施，并經過一年多的持續運行，發電機組的安全性和穩定性得到顯著提高，并得到了當地政府和同行業的廣泛認可，目前已經有多個瓦斯電站引進或借鑒了本技術方案。據預測在未來的3～5年內，將會有80%的瓦斯電站采用本方案。平均一年累計發電量2 035.19萬kW·h，年供電量1 929.79萬kW·h，年營業收入842.99萬元，年凈利潤109.65萬元。通過煤層氣瓦斯發電，節能減排，減輕了大氣污染，為煤礦保障了安全，為社會增加了上崗機會，為職工增加了福利，為企業創造了利潤。其次，甲烷和二氧化碳均為溫室效應氣體，且甲烷的溫室效應約為二氧化碳的21倍，本項目將瓦斯氣體經發電機組燃燒發電后，以二氧化碳的形式排放到大氣中，每年可節約標煤6 655 t。

每年可相應減少二氧化硫排放量約134.51 t，一氧化碳約1.83 t，碳氫化合物約0.73 t，氮氧化物約76.43 t，二氧化碳約11.31萬 t，還可減少灰渣排放量約2 433.23 t。

3" 結束語

瓦斯發電符合國家能源產業政策，DCS系統的推廣順應煤礦發展的趨勢。瓦斯發電技術的升級，提高了礦井瓦斯抽放的積極性，同時有利于礦井安全生產。瓦斯發電項目的實施，不但安全、環保，同時為國家、社會、企業帶來了收益。瓦斯發電技術的不斷升級順應時代的變化。經過多年的信息化建設和信息化系統接入，為各大中小型企業的可視化數據分析積累了經驗。DCS系統的部署對于與大數據接軌奠定了夯實的基礎。這個方向適用于所有煤礦的發展，集中化、可視化是能源行業的發展方向和前進目標。

參考文獻：

[1] 程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展[J].采礦與安全工程學報，2009，26（2）：127-139.

[2] 高炯.煤礦瓦斯發電技術[J].中國煤層氣，2006（1）：44-46.

[3] 蘆學忠.低濃度瓦斯發電技術及應用分析[J].內蒙古煤炭經濟，2013（2）：121，130.

[4] 張國昌.煤礦瓦斯發電技術綜述[J].車用發動機，2008（5）：9-15.