一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及燃气轮机发电，具体为一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法及系统。

背景技术：

1、燃气轮机掺氢燃烧是实现电力行业低碳化转型的重要路径。利用现有天然气管道进行掺氢输送，并在调压站内完成天然气与氢气的混合与调节，是实现掺氢燃烧的关键前置环节。然而，传统燃气轮机调压站主要针对纯天然气设计，在掺氢应用中面临以下技术问题。

2、首先，氢气与天然气在密度、热值和燃烧特性上存在显著差异，固定掺氢比例无法适应燃机负荷的动态变化。当负荷波动时，若掺氢比例保持不变，混合燃料的热值将偏离燃机当前需求，导致燃烧不稳定甚至熄火。其次，天然气和氢气管路的阀门响应特性不同，采用统一控制策略难以兼顾两路流量的调节精度和响应速度，容易出现调节滞后或超调。此外，氢气具有易泄漏、易燃爆的特性，现有安全防护措施与调控过程相互独立，异常工况下保护动作滞后，存在安全隐患。上述问题制约了掺氢比例的提升和调压站的安全稳定运行。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法及系统，通过热力学计算模型与模型预测控制算法动态求解最优掺氢比例，并采用前馈-反馈复合控制策略协调天然气与氢气双路流量调节，实现掺氢比例对燃机负荷需求的精准跟踪与快速响应。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本申请提供了一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，包括以下步骤：

4、基于实时采集的燃机负荷需求确定混合燃料低位热值需求，基于实时采集的天然气的低位热值和氢气的低位热值，通过热力学计算模型求解满足所述混合燃料低位热值需求的最优掺氢比例，经安全边界约束校验后输出最优掺氢比例目标值；

5、以所述最优掺氢比例目标值为设定值，对天然气支路采用pid控制算法调节阀门开度，对氢气支路采用前馈-反馈复合控制算法调节阀门开度，使实际掺氢比例跟踪目标值。

6、优选的，所述热力学计算模型如下：

7、α=k·（lhv需求lhvng）/（lhvh2lhvng）

8、其中，k为燃机修正系数；lhv需求为燃气轮机在当前负荷下所需燃料的低位热值；lhvng为天然气的低位热值；lhvh2为氢气的低位热值。

9、优选的，所述安全边界约束校验包括：

10、将求解得到的最优掺氢比例与预设的掺氢比例上限进行比对，当超出所述掺氢比例上限时，将掺氢比例修正为所述掺氢比例上限。

11、优选的，所述氢气支路的前馈-反馈复合控制中，前馈通道利用模型预测控制算法生成的掺氢比例预测变化曲线计算提前补偿量，反馈通道根据氢气实时流量与目标流量的偏差进行修正。

12、优选的，所述天然气的低位热值和氢气的低位热值的获取方式为：

13、优先从在线分析仪表实时提取，当在线分析仪表不可用时，根据天然气气源类型和氢气气源类型分别查询预设的燃料特性数据库获取。

14、优选的，在调节过程中，通过文丘里混合器出口的氢浓度分析仪实时监测混合燃料的氢浓度，当实测值与目标值存在偏差时，对氢气支路流量进行修正。

15、优选的，所述模型预测控制算法利用历史运行数据和当前工况变化趋势，滚动生成未来预设时间窗口内的掺氢比例预测变化曲线，所述前馈通道根据所述预测变化曲线在各时刻的变化率计算氢气调节阀开度的提前补偿量。

16、优选的，所述燃机修正系数k根据燃机排气温度和燃烧室动态压力进行实时自适应调整，使所述最优掺氢比例随燃机实际运行状态动态修正。

17、第二方面，本申请提供了一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制系统，包括：

18、数据采集模块，用于基于实时采集的燃机负荷需求确定混合燃料低位热值需求；

19、掺氢比例计算模块，用于基于实时采集的天然气的低位热值和氢气的低位热值，通过热力学计算模型求解满足所述混合燃料低位热值需求的最优掺氢比例，经安全边界约束校验后输出最优掺氢比例目标值；

20、流量调节模块，用于以所述最优掺氢比例目标值为设定值，对天然气支路采用pid控制算法调节阀门开度，对氢气支路采用前馈-反馈复合控制算法调节阀门开度，使实际掺氢比例跟踪目标值。

21、第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如所述的燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法的步骤。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

23、本申请提供的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，将掺氢比例的确定建立为能量平衡问题，该方法以燃机负荷需求为输入，先确定混合燃料所需低位热值，再结合实时获取的天然气和氢气低位热值求解最优掺氢比例，并经安全边界校验后输出目标值。由此，掺氢比例随负荷动态调整，解决了背景技术中固定掺氢比例无法适应负荷波动的问题。在流量执行上，针对天然气与氢气在流量规模和响应特性上的差异，分别采用pid控制和前馈-反馈复合控制，前者保证天然气主流量的调节平稳性，后者使氢气支路快速补偿负荷变化和压力扰动，两者配合解决了背景技术中调节滞后、动态精度不足的问题。安全边界校验嵌入计算环节，使掺氢比例在输出前即受到约束保护，规避了安全防护与调控分离的风险。通过热力学求解、双路差异化控制和安全边界内置校验的协同，使该方法在负荷变化和供氢波动工况下实时匹配热值需求，调节兼顾稳定性与快速性，安全约束内置于决策链路。

24、本申请还提出了一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制系统、一种电子设备和一种计算机存储介质，具备上述燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法的全部优势。

1.一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述热力学计算模型

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述安全边界约束校验包括：

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述氢气支路的前馈-反馈复合控制中，前馈通道利用模型预测控制算法生成的掺氢比例预测变化曲线计算提前补偿量，反馈通道根据氢气实时流量与目标流量的偏差进行修正。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述天然气的低位热值和氢气的低位热值的获取方式为：

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，在调节过程中，通过文丘里混合器出口的氢浓度分析仪实时监测混合燃料的氢浓度，当实测值与目标值存在偏差时，对氢气支路流量进行修正。

7.根据权利要求4所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述模型预测控制算法利用历史运行数据和当前工况变化趋势，滚动生成未来预设时间窗口内的掺氢比例预测变化曲线，所述前馈通道根据所述预测变化曲线在各时刻的变化率计算氢气调节阀开度的提前补偿量。

8.根据权利要求2所述的一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法，其特征在于，所述燃机修正系数k根据燃机排气温度和燃烧室动态压力进行实时自适应调整，使所述最优掺氢比例随燃机实际运行状态动态修正。

9.一种燃气轮机调压站的掺氢自适应控制系统，其特征在于，包括：

10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的燃气轮机调压站的掺氢自适应控制方法的步骤。