一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机及氢能利用技术领域，尤其涉及一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统及控制方法。


背景技术：

2.氢能作为一种清洁、可储存的能源，是新能源和可再生能源领域正在积极开发的二次能源，是实现低碳和零碳能源转变的关键环节。氢能具有巨大的发展潜力，但是由于大规模储存成本高、氢气基础设施不完善，纯氢的利用还需要相当长的时间。
3.与天然气相比，氢气密度较低，单位质量的燃烧热值远大于天然气；氢气更容易点燃且其火焰速率要远快于天然气。在天然气燃料中掺入氢气，不仅能解决国内天然气短缺的问题，同时还可以减少二氧化碳排放量。由此，将一定比例的氢气掺在天然气中应用于燃气轮机是化石能源向氢能过渡的较佳解决方案。
4.目前，氢混燃气轮机及天然气掺氢系统在国际国内均属于一种新的系统，有多项数据指标还需要可靠的试验验证，天然气掺氢整体技术水平尚处于试验验证阶段，在材料互容性、运行和控制安全性、工艺先进性、设备可靠性等方面还没有统一标准。掺氢燃气轮机除了在技术上要解决预混燃烧回火和燃烧室振动等燃气轮机本体安全性问题外，还对掺氢系统控制的掺氢精度、稳定性有较高的要求。
5.为了保证氢混燃气轮机的安全稳定运行，掺氢控制系统需要解决以下技术难点问题：
6.(1)燃气轮机对掺氢比例控制质量要求较高，要求掺氢比例较大，且在一定范围内可调。为达到安全稳定燃烧，要求对氢气含量及氢气含量变化率限值控制偏差较小。
7.(2)机组负荷变化时，会引起天然气流量的变化，为满足掺氢比例稳定，氢气流量需自动快速跟随天然气流量的变动，需要控制系统有较好的动态响应特性。
8.(3)掺氢系统及氢气分析仪等测量参数存在大延时、大滞后等特性，系统的动态品质较差，控制难度较大。
9.(4)氢气比天然气爆炸极限更广，对掺氢站的安全上要求更高，需要有完备的安全监控及保护措施。
10.现有技术和公开文献报道的天然气掺氢控制方法较少，且多用于天然气管网输送方面，现阶段一般为固定小比例掺混。由于燃气轮机掺氢控制存在上述难点，采用传统的流量比值控制或氢气含量单回路pid控制方式，很难适应机组在不同负荷工况下的控制要求，尤其当机组升降负荷时，存在跟踪不及时，控制偏差较大，控制精度较低等缺点。此外，燃气轮机掺氢在不同负荷工况下的控制特性不同，常规的pid控制器控制参数往往是单一固定参数，很难较好的适应不同工况要求，存在参数适应性较差的问题。另外，传统的流量比值控制设定值为天然气流量与掺氢比例计算所得，控制回路切手动时，较难实现设定值跟踪测量值，手自动无扰切换功能缺失，当偏差较大，手动切为自动时会引起较大扰动。这种情况下通常是依靠操作人员手动调节被调量至设定值偏差较小时才能投入自动，自动投入不
方便且如果操作不当容易产生不良后果。


技术实现要素：

11.鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统及控制方法，满足氢混燃气轮机控制要求，为氢混燃气轮机的安全稳定运行提供有利条件。
12.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
13.第一方面，本发明提供一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统，所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的机组dcs模块、燃气轮机控制tcs模块、可燃气体报警控制模块和火焰探测模块；
14.所述机组dcs模块和燃气轮机控制tcs模块相连；
15.所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统还包括与可燃气体报警控制模块依次连接的区域火灾报警控制装置和厂区火灾监控模块；
16.所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的现场设备装置。
17.本发明所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统中的远程控制装置是控制中心，主要用于采集监控氢混燃气轮机掺氢控制装置系统的实时运行数据，实现掺氢过程控制和保护功能，并对整个系统的各工艺参数进行测量、记录、显示、存储，与机组dcs模块、燃气轮机控制tcs模块之间为双向数据传输，实现了全厂集中监控。区域火灾报警控制装置主要用于掺氢站区域火灾报警监控，并与区域火灾报警控制系统连接，便于全厂监控；可燃气体报警控制模块主要用于监测掺氢站区域氢气和天然气泄露情况并产生报警。本发明所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统可实现天然气流量跟随机组负荷变化，氢气流量按掺氢比例跟随天然气流量变化。
18.本发明中远程控制装置可以选用现有技术中的分散控制系统dcs远程站或可编程逻辑控制器plc控制装置。
19.所述远程控制装置与机组dcs模块和燃气轮机控制tcs模块通过高速以太网通讯网络连接，实现双向数据传输；与燃气轮机控制系统(tcs)还通过硬接点信号连接，实现重要保护信号交互连通，更好的保障燃气轮机及掺氢系统的安全运行。
20.本发明所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统功能齐全、安全可靠，适合现有燃气轮机机组掺氢升级改造。
21.本发明所述机组dcs是本领域公知的专业术语，是分散控制系统，将执行部件以及数据采集功能集成。
22.优选地，所述区域火灾报警控制装置通过modbus通讯与厂区火灾监控模块连接。
23.本发明所述modbus通讯是本领域公知的专业术语，是一种串行通信协议，是工业电子设备之间常用的连接方式。
24.优选地，所述区域火灾报警控制装置与火焰探测模块相连。
25.本发明所述火焰探测模块可选红外紫外复合型火焰探头，可以有效的减少外界光的干扰。火焰探测模块的信号接入远程控制装置进行监控，当有报警信号产生时，可通过保护逻辑停止掺氢站运行。
26.优选地，所述可燃气体报警控制模块与可燃气体探测模块相连。
27.本发明所述可燃气体探测模块可选催化燃烧式可燃气体探头，可通过4-20ma模拟
量信号接入可燃气体控制器。所述可燃气体控制器可通过模拟量信号接入远程控制装置，实现在dcs系统的监控，当有气体泄露时，可通过保护逻辑实现停止掺氢站运行的功能。
28.优选地，所述现场设备装置包括流量计、压力变送器、温度变送器、调节阀、紧急切断阀、手动关断球阀、逆止阀和氢气分析仪。
29.本发明中的现场设备装置可以根据厂区的实际情况进行布设，在天然气管路上设置天然气流量计、压力变送器等，分别用于测量天然气体积流量，混气前压力；在氢气管路上设置第一压力变送器、第二压力变送器、氢气流量计，分别用于测量氢气调节阀前压力、调阀后压力、氢气体积流量；在氢气管路上设置紧急切断阀，用于可燃气体泄露、火灾、燃气轮机跳闸等紧急情况下切除氢气供应；在氢气管路上设置氢气调节阀，用于调节氢气掺混量；在旁路管路上设置手动关断球阀、逆止阀等设备，用于燃气轮机掺氢运行和纯天然气运行两种模式切换；在混气管路上设置压力变送器、温度变送器、氢气分析仪等，分别用于测点混合气的压力、温度及氢气体积含量等参数。
30.第二方面，本发明还提供一种氢混燃气轮机掺氢控制方法，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法采用第一方面所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统进行；
31.所述氢混燃气轮机掺氢控制方法为基于串级前馈控制的掺氢比例三冲量随动控制方法，所述三冲量包括氢气含量、氢气流量和天然气流量。
32.所述氢混燃气轮机掺氢控制方法由主调回路控制器、副调回路控制器、前馈补偿块、变参数块、无扰切换块和切手动保护块共同实现。
33.本发明所述的控制方法采用串级前馈控制方式结合变参数、偏差死区、无扰切换、切手动保护等措施，可实现掺氢比例精准控制及氢气流量的快速跟随，满足氢混燃气轮机控制要求。
34.优选地，所述主调回路控制器为氢气含量pid控制器，对掺氢比例进行精调。
35.优选地，所述主调回路控制器的反馈信号为氢气含量，主调回路控制器的设定值为掺氢比例设定值，二者的偏差经主调回路pid1控制器运算输出作为副调回路氢气流量设定值。
36.本发明所述氢气含量可通过氢气分析仪实时测量得到，所述掺氢比例设定值可由操作人员根据运行工况要求在设定值限值范围内通过人机接口设定得到。
37.本发明所述pid是本领域公知的专业术语，是“比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)”的缩写，是一种很常见的控制算法。火电厂等领域根据被调量的变化特性，通过比例(p)、积分(i)、微分(d)作用，改变执行机构的特性，达到稳定调节的目的。
38.优选地，所述掺氢比例设定值为5～100％，例如可以是5％、10％、20％、40％、50％、80％或100％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39.优选地，所述副调回路控制器为氢气流量pid控制器，调节氢气流量反馈信号与设定值的偏差。
40.优选地，所述副调回路控制器的反馈信号为氢气流量，副调回路控制器的设定值为主调回路偏差经副调回路pid2运算与前馈补偿块输出值叠加运算值，二者的偏差经副调回路pid2控制器运算后输出控制调节阀开度。
41.优选地，所述前馈补偿块包括前馈补偿函数：
42.其中，f(x)为前馈补偿量，f
ng
为标况下的天然气体积流量，h2sp为掺氢比例设定值，k为前馈补偿系数。
43.本发明所述前馈补偿块是一种静态前馈补偿方式，按照掺氢比例、天然气流量的静态比例函数关系计算所需氢气流量，快速跟踪机组负荷变化，主要达到掺氢比例初步调整和氢气流量快速跟随的目的，消除机组负荷及天然气流量的外扰动。
44.优选地，所述变参数块包括根据主调回路偏差分段函数调整主调回路pid1控制器和根据机组负荷分段函数调整副调回路pid2参数。
45.本发明所述变参数块实现主调回路pid1控制器pid参数在线调整，完成流量跟随和掺氢比例精调节切换功能；实现副调回路pid2控制器pid参数在线优化调整，更好的适应系统特性。
46.所述根据机组负荷分段函数调整副调回路pid2参数，使副调回路pid2参数更好的适应机组负荷控制特性，获得精准的氢气流量调节效果；
47.所述根据主调回路偏差分段函数调整主调回路pid1控制器是指当机组负荷引起天然气流量变化或掺氢比例调整时，自动调整主调回路pid1参数，减弱主调回路pid1控制器作用，使得主调控制器输出主要由前馈补偿块起作用，主要依据氢气流量与天然气流量比值函数关系通过前馈补偿作用完成掺氢比例初调整和流量快速跟踪功能；当机组负荷较稳定，主调回路偏差进入精调设定范围时，调整主调回路pid1参数，增强主调回路pid1控制器作用，此时前馈补偿作用已减弱，主要通过主调回路pid1控制器的作用，完成掺氢比例精调节的目的。
48.优选地，所述无扰切换块包括三部分：一是m/a站切手动时，主调回路控制器设定值跟踪其测量值，同时消除主回路设定值速率限值块速率限制功能；当m/a站投自动时，恢复设定值速率限制功能；二是m/a站切手动时，主调回路控制器输出跟踪副调回路控制器测量值；三是m/a站切手动时，副调回路控制器输出跟着m/a站手操输出值。
49.本发明中m/a站是本领域公知的专业术语，是指手自动切换站。
50.优选地，所述切手动保护块为m/a站无法正常投入自动控制的保护措施，当保护切手动条件满足时，将m/a站切为手动。
51.优选地，所述保护切手动条件包括氢气含量坏质量、氢气流量坏质量、天然气流量坏质量、混气撬esd阀关闭、设定值与测量值偏差大和调节阀输出值与反馈值偏差大。
52.本发明中对坏质量、设定值与测量值偏差大和调节阀输出值与反馈值偏差大这些不进行明确的数值范围限定，本领域技术人员可根据实际情况设定合适的范围。
53.优选地，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法还包括偏差死区控制。
54.优选地，所述偏差死区控制包括当偏差的绝对值小于设置的死区宽度时，误差输出强制为0；当偏差的绝对值大于设置的死区宽度时，死区的输入、输出为线性关系、按正常的pid规律控制。
55.优选地，将主调回路pid1设置偏差死区，在满足系统控制精度范围内，消除pid运算，防止系统频繁过渡调节；将副调回路pid2引入合适的偏差死区宽度，消除因氢气含量大延时、大滞后影响。
56.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
57.(1)本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统采用远程控制装置实现对氢混燃气轮机掺氢系统的控制和保护功能，节省了日常维护成本；其中的可燃气体报警控制模块和厂区火灾监控模块提高了掺氢系统的安全性；所述控制系统，具有功能齐全、安全可靠等特点，适合现有燃气轮机机组掺氢升级改造；
58.(2)本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制方法采用串级前馈控制的掺氢比例三冲量随动控制方法，通过主调回路控制器实现掺氢比例的精调，通过前馈补偿实现掺氢比例的初步调整和氢气流量的快速跟踪，通过副调回路控制器精准的控制氢气流量，结合变参数、无扰切换、切手动保护、偏差死区环节等控制措施，可克服现有技术的不足，解决所述氢混燃气轮机控制难点，更好的满足氢混燃气轮机掺氢控制要求；
59.(3)本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制方法简单，易于在现有主流dcs或plc系统中编程实现，具有大规模推广应用前景。
附图说明
60.图1是本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统的结构示意图。
61.图2为本发明的具体实施方式中掺氢系统混气撬示意图。
62.图3为本发明的具体实施方式中氢混燃气轮机掺氢流程示意图。
63.图4为本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制方法的逻辑示意图。
64.图中：01-紧急切断阀；02-第二压力变送器；03-氢气流量计；04-氢气调节阀；05-第三压力变送器；06-混气罐；07-第四压力变送器；08-温度变送器；09-氢气分析仪；10-天然气流量计；11-第一压力变送器；12-手动关断球阀；13-逆止阀；14-长管拖车；15-卸气柱；16-氢气调压撬；17-天然气调压撬；18-混气撬；19-燃机前置模块。
具体实施方式
65.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
66.下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
67.作为本发明的一个具体实施方式，提供一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统，其结构示意图如图1所示。
68.以某型号f级燃机电厂燃气轮机掺氢为例，可以实现5％-100％的燃气轮机高比例大流量掺氢运行，具备掺氢运行和纯天然气两种运行模式。
69.所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的机组dcs模块、燃气轮机控制tcs模块、可燃气体报警控制模块和火焰探测模块；
70.所述机组dcs模块和燃气轮机控制tcs模块相连；
71.所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统还包括与可燃气体报警控制模块依次连接的区域火灾报警控制装置和厂区火灾监控模块；
72.所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的现场设备装置。
73.所述区域火灾报警控制装置通过modbus通讯与厂区火灾监控模块连接，实现全厂消防监控。
74.所述区域火灾报警控制装置与火焰探测模块相连，用于监控掺氢系统各工艺撬块火灾报警情况。
75.本具体实施方式中所述火焰探测器模块选红外紫外复合型火焰探头，可以有效的减少外界光的干扰。
76.火焰探测模块的信号接入远程控制装置进行监控，当有报警信号产生时，可通过保护逻辑停止掺氢站运行。
77.本具体实施方式中所述可燃气体探测模块可选催化燃烧式可燃气体探头，可通过4-20ma模拟量信号接入可燃气体控制器。所述可燃气体控制器可通过模拟量信号接入远程控制装置，实现在dcs系统的监控，当有气体泄露时，可通过保护逻辑实现停止掺氢站运行的功能。
78.所述现场设备装置包括流量计、压力变送器、温度变送器、调节阀、紧急切断阀、手动关断球阀、逆止阀和氢气分析仪。
79.所述现场设备装置组成掺氢站混气撬18，其示意图如图2所示。
80.天然气管路上依次设置天然气流量计10和第一压力变送器11，分别用于测量天然气体积流量和混气前压力；
81.氢气管路上依次设置第二压力变送器02、第三压力变送器05和氢气流量计03，分别用于测量氢气调节阀前压力、调阀后压力和氢气体积流量；
82.氢气管路上设置紧急切断阀01，用于可燃气体泄露、火灾或燃气轮机跳闸等紧急情况下切除氢气供应；氢气管路上设置氢气调节阀04，用于调节氢气掺混量；
83.天然气和氢气进入混气罐06中混合；
84.旁路管路上设置手动关断球阀12和逆止阀13，用于燃气轮机掺氢运行和纯天然气运行两种模式切换；
85.混气管路上设置第四压力变送器07、温度变送器08和氢气分析仪09，分别用于测点混合气的压力、温度及氢气体积含量等参数。
86.本具体实施方式中各管路上的压力变送器，膜片材料选用镀金膜，消除氢脆对变送器膜片的破坏。
87.氢气流量计03选用基于科氏力原理的质量流量计，输出标况下的体积流量，精度可达到0.35％。
88.天然气流量计10选用涡轮流量计，通过体积修正仪等仪器进行温压补偿输出标况下的体积流量，精度可达到0.5％。
89.氢气分析仪09选用热导原理的氢气分析仪tcd，精度可达到0.4％。
90.本具体实施方式的掺氢装置均为撬装设备，其掺氢工流程如附图3所示。
91.氢气由长管拖车14运输至电厂，为保障氢气连续供应，设置了氢气卸车位4个，卸气柱15共4台，长管拖车14和卸气柱15都按3用1备考虑。
92.氢气经卸气柱14进入氢气调压撬16，氢气调压撬16分3路并联设置。调压前氢气压力：20mpa(g)～4.0mpa(g)，调压后氢气压力：3.5mpa(g)。掺混点位于已建天然气调压站调压撬17后。
93.天然气从天然气调压撬17后管道引出，与氢气管道两路进入混气撬18进行静态预混，预混后的燃料进入混氢天然气管道输送至燃机前置模块19。
94.本具体实施方式中还提供一种氢混燃气轮机掺氢控制方法，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法采用上述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统进行。
95.所述氢混燃气轮机掺氢控制方法为基于串级前馈控制的掺氢比例三冲量随动控制方法，所述三冲量包括氢气含量、氢气流量和天然气流量。
96.所述氢混燃气轮机掺氢控制方法由主调回路控制器、副调回路控制器、前馈补偿块、变参数块、无扰切换块和切手动保护块共同实现。
97.主调回路为氢气含量调节回路，主要实现掺氢比例精调节功能；天然气流量与掺氢比例设定值的运算函数构成氢气流量前馈补偿指令，主要实现掺氢比例初步调整和氢气流量快速跟随的功能；
98.副调回路为氢气流量调节回路，主要完成氢气流量精确调整功能。掺氢比例三冲量调节系统主调回路运算值与前馈补偿的叠加值输出作为副调回路的氢气流量设定指令，如果氢气流量信号与该指令存在偏差，副调回路的作用使执行机构改变氢气调节阀开度，达到调节氢气流量的目的。
99.本具体实施方式中氢混燃气轮机掺氢控制方法的逻辑示意图如图4所示。
100.主调回路pid1控制器为氢气含量pid控制器，主要作用是起到对掺氢比例进行精调的目的。所述主调回路pid1控制器的反馈信号为氢气含量，设定值为掺氢比例设定sp，设定范围为0～30％，其两者偏差经主调回路pid1控制器运算输出与前馈补偿ff叠加值作为副调回路氢气流量设定值sp。所述氢气含量可通过氢气分析仪(热导仪tcd)实时测量得到，作为主调回路pid1控制器的测量值。所述掺氢比例设定值可由操作人员根据运行工况要求在设定值限值范围内通过人机接口设定得到，并经速率限制块后作为主调回路pid1控制器的设定值。
101.所述副调回路控制器pid2为氢气流量pid控制器，主要作用是调节氢气流量反馈信号与设定值偏差，实现氢气流量精准调整的目的，用来消除氢气流量及调节阀等内扰动。所述副调回路pid2控制器的反馈信号为氢气体积流量(05)，设定值为主调回路偏差经pid1运算与前馈补偿块输出值ff叠加运算值。氢气体积流量测量值与设定值sp偏差经副调回路pid2控制器运算后输出控制氢气调节阀开度。
102.所述前馈补偿块为天然气体积流量与掺氢比例设定值的前馈补偿函数，是一种静态前馈补偿方式，按照掺氢比例、天然气流量的静态比例函数关系计算所需氢气流量，快速跟踪机组负荷变化，主要达到掺氢比例初步调整和氢气流量快速跟随的目的，消除机组负荷及天然气流量的外扰动。
103.所述前馈补偿块包括前馈补偿函数：
104.其中，f(x)为前馈补偿量，f
ng
为标况下的天然气体积流量，h2sp为掺氢比例设定值，k为前馈补偿系数；
105.所述变参数块实现主调回路pid1控制器pid参数在线调整，完成流量跟随和掺氢比例精调节切换功能；实现副调回路pid2控制器pid参数在线优化调整，更好的适应系统特性。
106.实现步骤包括两部分：一是副调回路pid2参数根据机组负荷分段函数进行调整，使副调回路pid2参数更好的适应机组负荷控制特性，获得精准的氢气流量调节效果；二是
主调回路pid1控制器根据主调回路偏差分段函数进行调整。当机组负荷引起天然气流量变化或掺氢比例调整时，自动调整主调回路pid1参数，减弱主调回路pid1控制器作用，使得主调控制器输出主要由前馈补偿块起作用，主要依据氢气流量与天然气流量比值函数关系通过前馈补偿作用完成掺氢比例初调整和流量快速跟踪功能；当机组负荷较稳定，主调回路偏差进入精调设定范围时，调整主调回路pid1参数，增强主调回路pid1控制器作用，此时前馈补偿作用已减弱，主要通过主调回路pid1控制器的作用，完成掺氢比例精调节的目的。
107.所述无扰切换块为实现控制器手自动无扰切换的功能块。所述无扰切换块包括三部分：一是m/a站切手动时，主调回路控制器设定值跟踪其测量值，同时消除主回路设定值速率限值块速率限制功能，将其使能en值设置为0；当m/a站投自动时，恢复设定值速率限制功能，将其使能en值设置为1；二是m/a站切手动时，主调回路控制器输出跟踪副调回路控制器测量值；三是m/a站切手动时，副调回路控制器输出跟着m/a站手操输出值。
108.所述切手动保护块为m/a站无法正常投入自动控制的保护措施，当保护切手动条件满足时，将m/a站切为手动。
109.所述保护切手动条件包括氢气含量坏质量、氢气流量坏质量、天然气流量坏质量、混气撬esd阀关闭、设定值与测量值偏差大和调节阀输出值与反馈值偏差大。
110.所述氢混燃气轮机掺氢控制方法还包括偏差死区控制；所述偏差死区控制包括当偏差的绝对值小于设置的死区宽度时，误差输出强制为0；当偏差的绝对值大于设置的死区宽度时，死区的输入、输出为线性关系、按正常的pid规律控制。
111.将主调回路pid1设置偏差死区，在满足系统控制精度范围内，消除pid运算，防止系统频繁过渡调节；将副调回路pid2引入合适的偏差死区宽度，消除因氢气含量大延时、大滞后影响。
112.氢气分析仪测的的氢气含量存在较大延时和滞后，在主调回路pid1对掺氢比例进行精调节时，副调节回路pid2在小偏差范围内调节过频繁，氢气流量的过度调节，会引起氢气含量超调量过大。死区值的选择需要结合系统特性和控制精度考虑。
113.综上所述，本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统采用远程控制装置实现对氢混燃气轮机掺氢系统的控制和保护功能，与机组dcs、tcs系统无缝衔接，易于集中监控，而且提高了掺氢系统的安全性；所述控制装置系统具有功能齐全、安全可靠等特点，适合现有燃气轮机机组掺氢升级改造；
114.本发明提供的氢混燃气轮机掺氢控制方法采用串级前馈控制的掺氢比例三冲量随动控制方法，可克服现有技术的不足，解决所述氢混燃气轮机控制难点，更好的满足氢混燃气轮机掺氢控制要求；所述控制方法，较传统的流量比值控制方法，更容易实现手自动无扰切换功能，通过主副回路的跟踪算法即可实现无扰切换，实现方法简单有效。手自动无扰切换的实现可以给操作人员操作带来很大的便捷，同时也增强了系统的安全性；
115.其中的手自动无扰切换的实现可以给操作人员操作带来很大的便捷，同时也增强了系统的安全性，易于在现有主流dcs或plc系统中编程实现，适合大规模推广应用。
116.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统，其特征在于，所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的机组dcs模块、燃气轮机控制tcs模块、可燃气体报警控制模块和火焰探测模块；所述机组dcs模块和燃气轮机控制tcs模块相连；所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统还包括与可燃气体报警控制模块依次连接的区域火灾报警控制装置和厂区火灾监控模块；所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的现场设备装置。2.根据权利要求1所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统，其特征在于，所述区域火灾报警控制装置通过modbus通讯与厂区火灾监控模块连接；优选地，所述区域火灾报警控制装置与火焰探测模块相连；优选地，所述可燃气体报警控制模块与可燃气体探测模块相连；优选地，所述现场设备装置包括流量计、压力变送器、温度变送器、调节阀、紧急切断阀、手动关断球阀、逆止阀和氢气分析仪。3.一种氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法采用权利要求1或2所述的氢混燃气轮机掺氢控制装置系统进行；所述氢混燃气轮机掺氢控制方法为基于串级前馈控制的掺氢比例三冲量随动控制方法，所述三冲量包括氢气含量、氢气流量和天然气流量。4.根据权利要求3所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法由主调回路控制器、副调回路控制器、前馈补偿块、变参数块、无扰切换块和切手动保护块共同实现。5.根据权利要求4所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述主调回路控制器为氢气含量pid控制器，对掺氢比例进行精调；优选地，所述主调回路控制器的反馈信号为氢气含量，主调回路控制器的设定值为掺氢比例设定值，二者的偏差经主调回路pid1控制器运算输出作为副调回路氢气流量设定值；优选地，所述掺氢比例设定值为5～100％。6.根据权利要求4或5所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述副调回路控制器为氢气流量pid控制器，调节氢气流量反馈信号与设定值的偏差；优选地，所述副调回路控制器的反馈信号为氢气流量，副调回路控制器的设定值为主调回路偏差经副调回路pid2运算与前馈补偿块输出值叠加运算值，二者的偏差经副调回路pid2控制器运算后输出控制调节阀开度。7.根据权利要求4～6任一项所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述前馈补偿块包括前馈补偿函数：其中，f(x)为前馈补偿量，f
ng
为标况下的天然气体积流量，h2sp为掺氢比例设定值，k为前馈补偿系数；优选地，所述变参数块包括根据主调回路偏差分段函数调整主调回路pid1控制器和根据机组负荷分段函数调整副调回路pid2参数。8.根据权利要求4～7任一项所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述无
扰切换块包括三部分：一是m/a站切手动时，主调回路控制器设定值跟踪其测量值，同时消除主回路设定值速率限值块速率限制功能；当m/a站投自动时，恢复设定值速率限制功能；二是m/a站切手动时，主调回路控制器输出跟踪副调回路控制器测量值；三是m/a站切手动时，副调回路控制器输出跟着m/a站手操输出值。9.根据权利要求4～8任一项所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述切手动保护块为m/a站无法正常投入自动控制的保护措施，当保护切手动条件满足时，将m/a站切为手动。10.根据权利要求4～9任一项所述的氢混燃气轮机掺氢控制方法，其特征在于，所述氢混燃气轮机掺氢控制方法还包括偏差死区控制；优选地，所述偏差死区控制包括当偏差的绝对值小于设置的死区宽度时，误差输出强制为0；当偏差的绝对值大于设置的死区宽度时，死区的输入、输出为线性关系、按正常的pid规律控制；优选地，将主调回路pid1设置偏差死区，在满足系统控制精度范围内，消除pid运算，防止系统频繁过渡调节；将副调回路pid2引入合适的偏差死区宽度，消除因氢气含量大延时、大滞后影响。

技术总结
本发明提供了一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统及控制方法，所述氢混燃气轮机掺氢控制装置系统包括与远程控制装置相连的机组DCS模块、燃气轮机控制TCS模块、可燃气体报警控制模块和火焰探测模块，还包括与可燃气体报警控制模块依次连接的区域火灾报警控制装置和厂区火灾监控模块。该控制装置系统功能齐全、安全可靠，适合现有燃气轮机机组掺氢升级改造。所述控制方法采用串级前馈三冲量控制方式，结合变参数、偏差死区、无扰切换、切手动保护等措施，可实现掺氢比例精准控制及氢气流量的快速跟随，满足氢混燃气轮机控制要求。满足氢混燃气轮机控制要求。满足氢混燃气轮机控制要求。


技术研发人员：马立阁 江路毅 高升 徐前
受保护的技术使用者：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/6/7