用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统及方法与流程

本发明涉及掺氢燃气轮机发电机组，尤其涉及一种用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统及方法。

背景技术：

1、氢作为自然界储量最丰富且重量最轻的元素，在传统燃料中单位质量的热值最高。氢能具有来源广泛、清洁无碳、灵活高效的特点。

2、天然气和氢气同属能量载体，物性具有一定的相似性。天然气的压缩、存储、管输、燃烧设施等基础设施对氢气具有一定的适应性。可考虑利用现有的天然气管网掺入氢气输送，输送至终端后进行分离或直接燃烧，从而降低氢气运输成本，且天然气掺氢后可改善燃烧特性，减少温室气体排放，是促进氢能产业规模推广的重要途径之一。但是，燃气轮发电机组掺氢燃烧的发电技术还存在火焰温度高、氮氧化物排放高等问题。

3、天然气燃料中掺氢时，为控制氮氧化物排放，目前主流燃机改造技术是通过改变空燃比，降低火焰温度，降低机组负荷，减少氮氧化物排放，但该技术会影响燃氢发电机组的效率。

4、在燃机里面掺烧氢气，在燃料输入热量和空燃比一定的情况下，增加掺氢比例将提高燃气轮机的透平初温，进而提高联合循环机组的运行效率。

5、实际情况，燃机掺氢会导致机组氮氧化物排放超标，为控制氮氧化物排放，机组需降低燃烧温度，进而导致联合循环发电机组出力和效率降低。

6、如何实现使联合循环机组既掺烧氢气，同时避免联合机组本身的效率降低，同时满足氮氧化物排放浓度要求，是目前急需解决的技术难题。有鉴于此，有必要提供一种用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制方法，既能在天然气掺氢燃气轮机里面掺氢，又能保障氮氧化物排放浓度不超标。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统及方法，通过预测函数模型得出合适的天然气掺氢比例，控制天然气体积流量调节阀及氢气体积流量调节阀的开度，从而实现设定的天然气掺氢比例，使得氮氧化物达标排放，提升掺氢燃气轮发电机组的效率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统，所述控制系统包括依次设置的dcs控制模块、接口软件服务器、接口软件客户端和apc服务器；

4、所述dcs控制模块分别与调压模块前气体压力传感器、调压模块后气体压力传感器、气体体积流量计、气体体积流量调节阀、燃气轮机和烟气排放装置相连。

5、本发明所述的用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统中dcs控制模块通过接口软件服务器将天然气实时流量、氢气实时流量、天然气管线流量调节阀的阀位反馈信号及控制指令、氢气管线流量调节阀的阀位反馈信号及控制指令、氮氧化物排放浓度等数据传送至apc服务器，apc系统通过预测函数模型，调整天然气管线流量调节阀的开度指令及氢气管线流量调节阀的开度指令，实时动态调整天然气与氢气的混合配比，使混合燃料送往气体燃烧器进行充分燃烧后，烟气污染物排放量满足或优于环保排放要求。

6、本发明所述dcs控制模块和apc服务器是本领域公知的名称，其中dcs控制模块是一种分布式的控制系统模块，apc服务器是一种开放源码的http服务器。

7、优选地，所述调压模块前气体压力传感器包括调压模块前天然气压力传感器和调压模块前氢气压力传感器。

8、优选地，所述调压模块后气体压力传感器包括调压模块后天然气压力传感器和调压模块后氢气压力传感器。

9、优选地，所述气体体积流量计包括天然气体积流量计和氢气体积流量计。

10、优选地，所述气体体积流量调节阀包括天然气体积流量调节阀和氢气体积流量调节阀。

11、优选地，所述调压模块前天然气压力传感器、调压模块后天然气压力传感器、天然体积流量计和天然气体积流量调节阀依次设置于天然气管路上。

12、优选地，所述调压模块前氢气压力传感器、调压模块后氢气压力传感器、氢气体积流量计和氢气体积流量调节阀依次设置于氢气管路上。

13、优选地，所述天然气管路和氢气管路均与混气装置相连，使天然气与氢气在混气装置内进行静态预混。

14、优选地，所述混气装置依次与燃气轮机和烟气排放装置相连。

15、优选地，所述调压模块前天然气压力传感器和调压模块后天然气压力传感器之间沿着天然气流动方向依次设置有紧急切断阀和天然气调压模块。

16、优选地，所述调压模块前氢气压力传感器和调压模块后氢气压力传感器之间沿着氢气流动方向依次设置有紧急切断阀和氢气调压模块。

17、第二方面，本发明还提供一种用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制方法，所述控制方法采用第一方面所述的用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统进行；

18、所述控制方法包括如下步骤：

19、(1)在apc服务器中建立用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统的预测函数模型；

20、(2)apc服务器通过接口软件客户端与接口软件服务器通讯采集dcs控制模块中所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统当前时刻的数据及历史时刻的数据，构建成模型数据库；

21、(3)在apc服务器中根据步骤(1)所述预测函数模型得到所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统氮氧化物排放量在一段时序内的预测输出值，基于该预测输出值与实际氮氧化物排放量之间的误差以及氮氧化物设定值与氮氧化物排放量设定值的误差，构建目标函数，通过优化得到燃气轮发电机组的最优控制变量；

22、(4)根据步骤(3)所述最优控制变量，得到最优掺氢比例，apc服务器通过接口软件客户端与接口软件服务器，将氢气体积流量与天然气体积流量的最优比例作为所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统的控制输入，通过dcs控制模块进行调节，实现所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统的最优控制；

23、(5)循环执行步骤(2)至步骤(4)，持续对所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统进行优化。

24、本发明所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制方法的步骤(3)中如果氮氧化物排放量的预测输出值未超过所述氮氧化物排放量的设定值，则不改变所述氮氧化物排放量的目标值。如果所述氮氧化物的预测输出值超过所述氮氧化物排放量的设定值，则将所述氮氧化物排放量的预测输出值和设定值带入到所述预测控制模型来优化所述天然气体积流量及氢气体积流量的目标值，进而将所述天然气体积流量和氢气的体积流量经优化的目标值提供给所述的dcs控制系统。通过dcs控制系统调节天然气体积流量调节阀开度和氢气体积流量调节阀开度。

25、本发明中氮氧化物排放量的设定值为国家标准限定的氮氧化物排放值。

26、优选地，步骤(1)所述预测函数模型为天然气体积流量、氢气体积流量与氮氧化物排放量之间的预测函数模型。

27、本发明所述预测函数模型是根据燃气轮发电机组的天然气体积流量、氢气体积流量、天然气体积流量调节阀指令、氢气体积流量调节阀指令及氮氧化物排放量的历史信息和未来控制输入预测氮氧化物排放浓度的未来输出值，并能根据氮氧化物实时排放浓度与氮氧化物排放浓度设定值的误差确定当前时刻的控制作用。

28、优选地，所述预测函数模型的结构包括反馈校正、参考轨线和目标函数优化计算。

29、所述反馈校正采用预测模型通过优化计算预估未来的控制作用，存在非线性、时变、模型失配和扰动等不确定因素，模型的预测输出值与实际过程会有差别。在每个采样时刻，通过氮氧化物排放浓度的测量值与模型的预估氮氧化物排放浓度进行比较，得出模型的预测误差校正值，再利用模型预测误差校正值与参考轨线的输出值来校正模型的氮氧化物排放浓度预测值，从而得到更为准确的将来氮氧化物排放浓度的预测值。

30、所述参考轨线要求氮氧化物排放量输出沿着一条所期望的、平缓的曲线达到氮氧化物排放量的设定值，避免出现输入和输出的急剧变化。

31、所述预测函数模型通过氢气体积流量、天然气体积流量及氮氧化物排放量之间的建立函数模型，认知氢气体积流量及天然气体积流量对氮氧化物排放量的影响。当扰动发生时，可预测氮氧化物排放量在未来时段发生的变化，及时调整控制策略，从而提高过程控制的品质。

32、所述目标函数优化计算通过优化算法找到燃气轮发电机组的最优操作点，利用预测函数控制模块将燃气轮发电机组稳定在最优点运行，满足燃气轮发电机组的排放量要求。

33、优选地，所述预测函数模型的建立包括构建用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统离散状态方程式后得到过程输出向量。

34、优选地，所述构建天然气掺氢燃气轮机发电机组控制系统离散状态方程式如下：

35、y1k+p＝αy2k+(β1w1,k+β2w2,k)；

36、其中，y1为氮氧化物排放浓度的输出预测值；α为系数矩阵；y2为包含氮氧化物排放浓度当前时刻过程值和过去时刻过程值的向量；w1为氢气体积流量的过程值的增量向量，包含其当前时刻的过程值的增量和过去时刻的过程值的增量；β1为控制变量w1的系数矩阵；w2为天然气体积流量的过程值的增量向量，包含其当前时刻的过程值的增量和过去时刻的过程值的增量；β2为控制变量w2的系数矩阵。

37、控制变量矩阵w1与w2，以过程值的增量形式给出，被控变量矩阵y1与y2，以过程值的非增量形式给出。

38、p为氮氧化物排放浓度预测周期数，采样周期的倍数。

39、离散时间常数(k-1)，k，(k+1)，(k+2)为过程采样数据的离散时间，时间常数k为当前时刻。

40、优选地，所述过程输出向量：y1与y2包含特定时刻的过程输出值。定义每一个时间常量yk如下：

41、

42、其中，yi为模型的过程输出。

43、氮氧化物排放浓度输出预测值向量y1k+p与yk有同样的维度。

44、氮氧化物排放浓度向量y2k，包含氮氧化物排放浓度当前时刻和过去时刻的过程值，定义为下：

45、

46、其中，n定义为氮氧化物排放浓度向量y2k所延伸的过去采样间隔的数量；

47、控制变量向量w1与w2向量包含氢气体积流量与天然气体积流量在某些时刻的值，定义每离散时刻wk的过程控制变量w1至w2：

48、

49、其中，w1模型的氢气体积流量，w2模型的天然气体积流量；

50、模型中控制变量的模型长度，即方案的模型长度值l。此参数的值决定控制变量增量向量的维数。它有效的确定了算法所考虑的控制变量的过去变化量，定义l为正整型值。

51、对每一个控制变量wj，定义一个向量wj包含后续预测区间内控制变量值的增量。

52、

53、其中，rj向量中增量项的数量。

54、y2k中yk-(n-1)p为采用时刻k-(n-1)p的采样值。

55、rj计算如下:rj＝(n+l-1)。

56、优选地，步骤(2)所述当前时刻的数据及历史时刻的数据包括天然气体积流量、氢气体积流量、氮氧化物排放量、天然气体积流量调节阀开度及氢气体积流量调节阀开度。

57、优选地，步骤(4)所述dcs控制模块调节包括调节天然气体积流量调节阀开度及氢气体积流量调节阀的开度。

58、本发明所述的用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制方法当遇到燃气轮发电机组运行不稳定，负荷波动较大等情况，则不启动对所述预测模型的训练；如果燃气轮发电机组运行稳定，负荷波动较小，则需要进一步判断所述氮氧化物排放量的实际测量值和预测输出值是否存在持续偏差。

59、如果所述氮氧化物排放量的实际测量值和预测输出值不存在持续偏差，则不启动对所述预测函数模块中的预测模型的训练；如果所述氮氧化物排放量的实际测量值和预测输出值存在持续偏差，则从存储所述天然气体积流量及氢气体积流量和所述氮氧化物排放量在不同时刻的测量值的数据库中调取所述天然气体积流量及氢气体积流量和所述氮氧化物排放量从上次训练结束到当前时刻的历史测量值，来训练所获取的预测函数模型。

60、本发明所述氮氧化物排放量的实际测量值和预测输出值存在的持续偏差是可以自定义的。所述目标变量的测量值和预测值存在持续偏差的情况可以是所述氮氧化物排放量的预测输出值连续5次比所述氮氧化物排放量的实际测量值高或低5％。

61、作为本发明优选的技术方案，所述控制方法包括如下步骤：

62、(1)在apc服务器中建立用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统中天然气体积流量、氢气体积流量与氮氧化物排放量之间的预测函数模型；

63、(2)apc服务器通过接口软件客户端与接口软件服务器通讯采集dcs控制模块中所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统中天然气体积流量、氢气体积流量、氮氧化物排放量、天然气体积流量调节阀开度及氢气体积流量调节阀开度的当前时刻的数据及历史时刻的数据，构建成模型数据库；

64、(3)在apc服务器中根据步骤(1)所述预测函数模型得到所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统氮氧化物排放量在一段时序内的预测输出值，基于该预测输出值与实际氮氧化物排放量之间的误差以及氮氧化物设定值与氮氧化物排放量设定值的误差，构建目标函数，通过优化得到燃气轮发电机组的最优控制变量；

65、(4)根据步骤(3)所述最优控制变量，得到最优掺氢比例，apc服务器通过接口软件客户端与接口软件服务器，将氢气体积流量与天然气体积流量的最优比例作为所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统的控制输入，通过dcs控制模块调节天然气体积流量调节阀开度及氢气体积流量调节阀的开度，实现所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统的最优控制；

66、(5)循环执行步骤(2)至步骤(5)，持续对所述用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统进行优化。

67、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

68、(1)本发明提供的用于天然气掺氢燃气轮机发电机组的控制装置系统及方法通过针对天然气体积流量、氢气体积流量、氮氧化物排放浓度等数据进行建模及预测控制，实时动态调整天然气与氢气的混合配比，以减少氮氧化物浓度的排放量，并最大程度的提升了掺氢燃气轮发电机组的效率，适合大规模推广应用。