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遠程能源供應(yīng)中的技術(shù)進步

時間：2011-07-22 10:01:13來源：xuliyuan

導(dǎo)語：?GE顏巴赫公司的創(chuàng)新工程師還看到了仿真技術(shù)在維護方面的優(yōu)勢，基于仿真的觀察系統(tǒng)并行運行于貝加萊目標系統(tǒng)上，并且提供與真實參數(shù)相比較的設(shè)定參數(shù)，為基于狀態(tài)的設(shè)備維護提供了堅實的基礎(chǔ)。

前言

許多采用GE顏巴赫（GE Jenbacher）燃氣內(nèi)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(yīng)。最先進的內(nèi)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(jīng)濟。這些內(nèi)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)中獲得足夠多的電力供應(yīng)，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(chǎn)生的沼氣在內(nèi)的氣體在未經(jīng)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)燃機、配套發(fā)電機組和熱電聯(lián)產(chǎn)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(nèi)燃機生產(chǎn)歷史超過50年，可以處理天然氣以及在農(nóng)業(yè)、采礦、工業(yè)和垃圾處理中產(chǎn)生的各種生物質(zhì)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(lǐng)先地位的原因完全要歸功于他們只專注于燃氣內(nèi)燃機的開發(fā)與生產(chǎn)。

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(wǎng)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(nèi)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(yīng)，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(chǎn)品和服務(wù)跨越能源行業(yè)的各個領(lǐng)域，包括煤、石油、天然氣、核能以及可再生能源如水電、風(fēng)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(nèi)燃機是符合“綠色創(chuàng)想”概念的產(chǎn)品，這一概念體現(xiàn)了GE應(yīng)對重大環(huán)境挑戰(zhàn)的責(zé)任。

應(yīng)對用電負荷變化的挑戰(zhàn)

“贊同使用燃氣內(nèi)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(nèi)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(wǎng)會導(dǎo)致發(fā)電機阻力增大，從而降低內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速。如果不采取應(yīng)對措施就會導(dǎo)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(zhì)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(nèi)燃機轉(zhuǎn)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(jīng)不能夠滿足當(dāng)前的應(yīng)用要求，”Waldhart說道?！拔覀儸F(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(nèi)燃機設(shè)計都基于這些模型?！边@些控制系統(tǒng)架構(gòu)不僅可以處理更為復(fù)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(nèi)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(jié)合并且將它們轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)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(yù)先在目標硬件上運行，并在內(nèi)燃機的仿真模型上進行測試?！岸嗄陙?，我們一直都在利用高級和低級內(nèi)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?！斑@樣，在開始建立真正的模型前我們就可以選擇并預(yù)先確定最出色的控制器和相關(guān)機械組件了。”

開閉環(huán)控制器在真實模型上進行測試前需先后通過仿真測試以及在實際控制硬件上進行測試。

快速建模的好處顯而易見：因為測試臺只需要驗證一次成功仿真的結(jié)

果，所以花費在測試臺上的時間和燃料消耗可以最大限度地得以減少，而且無需破壞價格昂貴的模型，加速了產(chǎn)品“Time to Market”。由于GE顏巴赫的競爭對手不愿意投入一次性成本來創(chuàng)建仿真模型，而是仍然保留傳統(tǒng)的開發(fā)方法，因此確保了顏巴赫擁有這項技術(shù)優(yōu)勢?！搬槍刂破髟O(shè)計，Simulink支持使用眾多工具箱進行快速建模，”Waldhart繼續(xù)說?！斑@節(jié)省了我們從頭開始為模型編程的時間，從而節(jié)約了大量開發(fā)時間。”

GE顏巴赫公司開發(fā)工程師 Michael Waldhart

通過在MATLAB^®和Simulink^®中仿真并在貝加萊Automation Studio中自動完成代碼生成，復(fù)雜控制器的開發(fā)時間從幾個月縮短至僅僅幾天。

采用快速建模的目標系統(tǒng)通常與設(shè)備上實際運行的系統(tǒng)是不一樣的，這意味著還需要另外采取代碼移植的步驟。快速建模的目標系統(tǒng)通過貝加萊自動代碼生成后就和客戶真實系統(tǒng)中的目標硬件完全相同，這就令建模測試變得更有意義?！白钪匾氖牵到y(tǒng)模型也可以采用半物理仿真；即控制器硬件在運行條件下的實時系統(tǒng)仿真，”負責(zé)自動代碼生成的貝加萊工程師Philipp Wallner解釋道。“這進一步提高了仿真結(jié)果的可靠性?！?/div>

自動代碼生成提高效率

利用自動代碼生成器可以將Simulink^®仿真模型自動轉(zhuǎn)化為C代碼。在過去，這種代碼需手動納入目標系統(tǒng)軟件，不僅每次要花費一個半小時的工作時間，而且會引入生成錯誤代碼的風(fēng)險。

貝加萊不僅致力于提供自動化控制技術(shù)，而且也在努力使開發(fā)過程更自動化，他們開發(fā)了一套能夠自動將Simulink生成的代碼集成到軟件平臺Automation Studio中的程序。這款軟件產(chǎn)品被稱為B&R Automation Studio Target for Simulink^®，自從2008年10月開始推出使用，GE顏巴赫成為了第一批熱情的用戶。一個復(fù)雜的、基于模型的模糊控制器以GE顏巴赫與維也納技術(shù)大學(xué)合作論文的形式開發(fā)出來，并于同年12月第一次投入使用。

GE顏巴赫公司的創(chuàng)新工程師還看到了仿真技術(shù)在維護方面的優(yōu)勢，基于仿真的觀察系統(tǒng)并行運行于貝加萊目標系統(tǒng)上，并且提供與真實參數(shù)相比較的設(shè)定參數(shù)，為基于狀態(tài)的設(shè)備維護提供了堅實的基礎(chǔ)。GE顏巴赫在需要的時候也可以利用這一方式來確保發(fā)電站正常運行。

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