[发明专利]一种氢混燃气轮机掺氢控制装置系统及控制方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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：

(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。

(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。

(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。

(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。

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。

发明内容

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。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

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；