自給型內燃機氣體燃料供給系統及氣包壓力控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種自給型內燃機氣體燃料供給系統及氣包壓力控制方法，屬于內燃機領域。
【背景技術】
[0002]與傳統的石油燃料相比，液化天然氣(LNG)具有低碳、高效、優質和清潔等特點，是內燃機的一種理想替代燃料。由于LNG在常壓下是在_163°C低溫環境下存儲和運輸，而在實際應用中預先汽化成氣體燃料(NG)方可燃燒作功。可是，目前市場上加氣站與加油站相比，無論是數量上還是區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，專家學者提出在遠程交通工具上燃料以液態(I立方米LNG可轉化為標況氣態下600-625立方米NG)形式貯存，根據交通工具內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。
[0003]氣包是氣體燃料供給系統的重要設備，其作用為內燃機供給穩壓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供給系統安全及內燃機性能(動力性和經濟性)的一個重要參數，壓力過高易發生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導致內燃機性能下降。因此，氣包壓力是內燃機燃料供給系統中重要控制參數，而氣包又是一個十分復雜的控制對象，受到NG流量、LNG供給流量和傳熱介質流量的影響，為保證提供穩定壓力的NG以適應燃料供給系統和整機性能的需要，與其配套設計的控制系統必須滿足各主要工藝參數的需要。
[0004]氣包壓力控制的任務是根據NG流量、氣包壓力來調節LNG供給量及其對應傳熱介質流量，使NG產量能滿足NG流量和維持氣包壓力穩定的要求。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流量又受內燃機工況變化，復雜的內燃機工況經常在怠速、小負荷、中等負荷和滿負荷等間變化。因此，影響氣包壓力穩定的因素多且過程復雜。而調節氣包壓力穩定的參數有LNG供給流量和傳熱介質流量。
[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氣包壓力控制系統的難題。因此，自給型氣體燃料供給系統的氣包壓力這一大時滯系統的控制，成為重要的研究課題之一。
[0006]應用于氣包壓力控制的方法有經典控制、現代控制。其中，經典控制是以各種分立器件的應用為基礎，利用各種傳感器對被控參數實時進行檢測并反饋給控制器，再根據有關控制算法完成相應運算并驅動執行機構完成相應動作，從而達到控制的目的。但是經典控制受分立器件性能影響大，系統內各子系統相互影響大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易發生故障，不利于系統長期安全、高效運行。而現代控制適合具有線性和精確數學模型的控制對象，而對于像氣包壓力這樣的控制系統來說建立精確數學模型太難，因此并非理想選擇。
【發明內容】
[0007]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種自給型內燃機氣體燃料供給系統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預估控制和人工免疫控制的綜合運算，得到與當前狀況相適應的LNG供給流量和傳熱介質流量，以此來調控LNG供給栗變頻器和傳熱介質三通閥開度，使氣包的壓力對各種外界干擾具有魯棒性。
[0008]技術方案:為實現上述目的，一種自給型內燃機氣體燃料供給系統，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、控制器和執行機構，所述LNG罐與LNG汽化器之間的LNG輸送段依次設有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噴射閥之間的氣態天然氣輸送段依次設有NG壓縮機、電控氣閥、氣包、單向閥及NG流量傳感器；傳熱介質從內燃機冷卻系統高溫段的傳熱介質三通閥引出，流向LNG汽化器的管程，放熱后流出，并返回冷卻系統低溫段，傳熱介質從內燃機冷卻系統高溫段的傳熱介質三通閥引出，流向LNG汽化器的管程，放熱后流出，并返回冷卻系統低溫段，重新流進內燃機機內水套吸熱；所述傳感器包括檢測液面高度的LNG液面傳感器、LNG流量傳感器、位于汽化器殼程內的殼程壓力傳感器、檢測氣包壓力的氣包壓力傳感器、NG流量傳感器和檢測內燃機冷卻系統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；所述執行機構包括LNG供給栗和傳熱介質三通閥，LNG供給栗、傳熱介質三通閥、LNG液面傳感器、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)設計，保障了工作管路出現故障時啟動備用管路。
[0010]作為優選，所述控制器包括Smith預估器、模糊控制器及人工免疫控制器，其中Smith預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燃機氣體燃料供給系統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)當溫度傳熱器檢測到傳熱介質三通閥處的傳熱介質溫度<80°C，控制器判定內燃機處于冷機狀態，控制器給LNG供給栗及傳熱介質三通閥發送不供電指令；
[0015](3)當溫度傳熱器檢測到傳熱介質三通閥處的傳熱介質溫度>80°C，控制器判定內燃機處于熱機狀態，進而:
[0016]( i )且當氣包壓力傳感器212檢測到氣包壓力等于或大于5MPa時，向LNG供給栗和傳熱介質三通閥發送斷開電源指令；
[0017]( ii )且當氣包壓力傳感器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，且傳熱介質三通閥223全開，直到氣包壓力恢復到參考壓力為止；
[0018](iii)且當氣包壓力傳感器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，經模糊規則運算后輸出壓力波動所需LNG流量；而NG流量為Smith預估器的輸入，經預估處理后輸出NG流量擾動所需LNG流量；模糊控制器與Smith預估器的輸出之和作為人工免疫控制器的輸入，并執行人工免疫算法，借鑒生物免疫機理優化出LNG供給流量及傳熱介質流量，以此來確定LNG供給栗變頻器的電源頻率及傳熱介質三通閥223開度，實現LNG供給流量及傳熱介質三通閥開度的調節。
[0019](4)根據汽化器殼程NG壓力，調節NG壓縮機的流量，使其殼程內維持負壓狀態。
[0020]作為優選，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，控制器就判定發生了燃料發生泄漏，發送關閉LNG供給栗、傳熱介質三通閥及NG壓縮機的指令和開啟報警燈及排氣扇的指令。
[0021 ] 作為優選，所述步驟(3)的(iii)中，首先將LNG供給流量和傳熱介質流量均視為B細胞，目標函數即NG流量/LNG供給流量之比看作抗體，目標函數值最小看作抗原，對抗體、抗原及B細胞進行編碼和產生初始抗體，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細胞的產生，然后利用克隆選擇、交叉和變異操作產生新B細胞生成新抗體，進入下一輪免疫反應過程，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流量。
[0022]在本發明中，系統模型含LNG供給栗數學模型、傳熱介質三通閥數學模型、LNG汽化器數學模型、NG壓縮機數學模型及氣包數學模型。
[0023]在本發明中，所述的自給型內燃機氣體燃料供給系統，其特征在于，系統電源為工頻50Hz的380V