遠程能源供應中的技術進步

前言
許多采用GE顏巴赫（GE Jenbacher）燃氣內燃機的發(fā)電站利用天然氣、沼氣以及其他多種特殊的燃料來進行遠程電力與熱能的供應。最先進的內燃機控制器在任何運行狀況下都能最大限度地確保該系統(tǒng)的安全與經濟。這些內燃機控制系統(tǒng)不僅運行在貝加萊的自動化硬件上，而且通過在貝加萊軟件產品Automation Studio Target for Simulink??上進行仿真及目標系統(tǒng)自動代碼生成，大大縮短了開發(fā)周期。

在奧地利，電力來自于墻壁上的插座，但是龐大的電網及數(shù)量眾多的電站卻在背后提供了安全可靠的保障。這樣的情況并非世界各地都如此，在很多地方，人們并不能從區(qū)域電網中獲得足夠多的電力供應，而是必須依靠自己來發(fā)電。與此同時，包括工業(yè)廢氣、垃圾填埋氣、煤礦瓦斯以及牲畜排泄物產生的沼氣在內的氣體在未經利用的情況下就進入了大氣。鑒于全球能源消耗日益增加，應對氣候變化的形勢日趨嚴峻，有效地利用這些氣體能源蘊藏著巨大的潛力。

GE顏巴赫的產品就非常符合這一市場的發(fā)展要求。顏巴赫公司總部位于奧地利Jenbach，她是世界一流的燃氣內燃機、配套發(fā)電機組和熱電聯(lián)產機組制造商。那么，是什么使他們始終處于行業(yè)前沿呢？顏巴赫的內燃機生產歷史超過50年，可以處理天然氣以及在農業(yè)、采礦、工業(yè)和垃圾處理中產生的各種生物質氣體及其他特殊氣體。GE顏巴赫在行業(yè)中之所以能夠始終保持領先地位的原因完全要歸功于他們只專注于燃氣內燃機的開發(fā)與生產。

GE顏巴赫分布式生物氣發(fā)電系統(tǒng)可以讓用戶從縮短系統(tǒng)制備過程以及更加獨立于中央電網中獲益。

今天，顏巴赫已遍布世界60多個國家。一方面，公司燃氣內燃機系統(tǒng)為需要電力與熱能的區(qū)域提供遠程能源供應，另一方面，它們可以確保這些具有相對低熱值的氣體燃料得以合理利用，以減少對其它燃料（如石油、天然氣和柴油）的依賴，從而避免消耗更多有限的資源并付出高昂的運輸成本。

這一擁有1500名雇員的公司隸屬于GE能源集團。GE能源集團總部位于美國亞特蘭大，她所提供的全方位產品和服務跨越能源行業(yè)的各個領域，包括煤、石油、天然氣、核能以及可再生能源如水電、風能、太陽能與生物氣能。2007年集團銷售收入為218億美元。顏巴赫燃氣內燃機是符合“綠色創(chuàng)想”概念的產品，這一概念體現(xiàn)了GE應對重大環(huán)境挑戰(zhàn)的責任。

應對用電負荷變化的挑戰(zhàn)
“贊同使用燃氣內燃機的觀點主要集中于環(huán)保方面，”自動化開發(fā)工程師Michael Waldhart解釋道。“柴油發(fā)電機組雖然能更好地根據(jù)負荷量變化發(fā)電，但是它所使用到的燃料成本相對太高。GE顏巴赫燃氣內燃機則可以通過燃燒氣體來發(fā)電。”

發(fā)電機組尤其針對發(fā)電機單機運行來說最大的挑戰(zhàn)往往在于頻繁的負荷變化。大量電力用戶突然接入電網會導致發(fā)電機阻力增大，從而降低內燃機轉速。如果不采取應對措施就會導致供電電壓頻率不穩(wěn)定。這樣的情況不容出現(xiàn)，因為電壓頻率的變化過大會致使電廠拉閘限電從而保證供電質量。因此，控制技師的工作就是盡量減小并快速彌補這些基于負荷變化的內燃機轉速波動，這樣不僅可以保證供電安全，而且能夠最大限度地提高發(fā)電機組的運行可靠性并增加發(fā)電效率。

“傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方法如PID控制已經不能夠滿足當前的應用要求，”Waldhart說道。“我們現(xiàn)在使用最先進的控制器如模糊控制器或H∞控制器，GE顏巴赫的內燃機設計都基于這些模型。”這些控制系統(tǒng)架構不僅可以處理更為復雜的輸入輸出，而且能夠保證更廣泛的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。這是非常有必要的，因為在高負荷下，內燃機的最佳工作范圍是非常小的。例如，模糊控制器可以把“模糊量”和邏輯法則結合并且將它們轉化為具體的設置命令，然后控制器就會將命令發(fā)給各種傳動裝置，如節(jié)流閥、燃料進氣單元或渦輪增壓器進氣泄壓閥。

按照慣例需快速建模
GE顏巴赫燃氣發(fā)電站中的控制系統(tǒng)均來自貝加萊。典型的控制與顯示單元是定制化PP450 Power Panel，它通過POWERLINK總線與兩個X20系統(tǒng)相連，X20系統(tǒng)擁有大約110路數(shù)字量和模擬量輸入和輸出。此外，運行WinServer操作系統(tǒng)的APC620用于處理分布式IO點上采集的數(shù)據(jù)。

新開發(fā)的控制器可以預先在目標硬件上運行，并在內燃機的仿真模型上進行測試。“多年來，我們一直都在利用高級和低級內燃機模型，這些模型是通過美國廠商The Mathworks出品的仿真工具MATLAB??和Simulink??創(chuàng)建的，”Waldhart說道。“這樣，在開始建立真正的模型前我們就可以選擇并預先確定最出色的控制器和相關機械組件了。”