天然气实时热值预测分析装置及方法与流程

本发明涉及天然气热值采集技术领域，具体地，涉及一种天然气实时热值预测分析装置及方法，尤其涉及一种航改型燃气轮机天然气热值采集预测输出装置和热值数据预测分析方法。

背景技术：

基于天然气为燃料的航改型燃气轮机是目前30mw和50mw等级分布式发电机系统中主要的机械电气装置。在航改型燃气轮机发电站系统使用地，由于天然气成分来源复杂，热值参数在不同时段都有变化，而天然气的热值数据在电站的运行过程中非常重要，而热值数据稳定性在燃气轮机燃烧过程中起到非常重要的作用，热值数据稳定可靠的可预测性就显得尤为重要，不当的数据和不可预测的数据会导致机组出现突发事故。

如专利文献cn203240274u、cn203240278u分别公开了一种lng接收站外输天然气热值调低系统、一种lng接收站外输天然气热值调高系统；现有的热值系统直接输入来自热值检测设备的数据，而热值检测设备的数据需要较长时间的检测和计算(大约4-6分钟)，导致燃气轮机控制系统收到的热值数据的周期较长，而国内的天然气气源较复杂(东海天然气、西气东输、上海lng接收站、川气东送、西气东输二线等)，天然气热值波动随着每年不同季节、不同月度、每日的不同时段都会出现较大波动，尤其在某些情况下天然气热值在1-2分钟内有非常大的波动，而热值的波动导致燃气轮机在短时间内无法调节燃烧模式，造成停机事故；

因此运行人员安排专人随时监测天然气热值数据，在出现波动较大的情况下，根据经验预判一个不会导致燃气轮机发生事故的热值数据，并手动输入到控制系统从而避免事故发生。此种方案导致电厂运维专业人员浪费，同时由于人的疲劳性，容易造成人为数值输入失误，人为预测的数据错失误都可能造成燃气轮机事故的隐患。

综上，提供一种天然气实时热值预测分析装置及方法，在用户现场的投入使用上会起到重要的作用，具有较高的使用价值和意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种天然气实时热值预测分析装置及方法

根据本发明提供的一种天然气实时热值预测分析装置，包括热值检测模块、预测分析模块以及故障诊断与应急处理模块；

所述热值检测模块的检测输入端能够采集待预测天然气的设定数据；所述热值检测模块的输出端与预测分析模块的输入端相连；所述预测分析模块的输出端与设定的天然气控制系统相连；

所述故障诊断与应急处理模块的输入端能够分别采集预测分析模块的输入端数据、输出端数据；所述故障诊断与应急处理模块的输出端与设定的天然气控制系统和/或故障报警模块相连。

优选地，所述天然气实时热值预测分析装置还包括数据采集与转换模块和数据匹配与输出模块；

所述热值检测模块的输出端通过数据采集与转换模块与预测分析模块的输入端相连；所述预测分析模块的输出端通过数据匹配与输出模块与设定的天然气控制系统相连；

所述故障诊断与应急处理模块的输入端分别与数据采集与转换模块、数据匹配与输出模块相连。

优选地，所述热值检测模块包括天然气取样探头和热值分析仪；所述天然气取样探头一端与待预测天然气相连，另一端接入热值分析仪；所述热值分析仪与预测分析模块的输入端相连。

优选地，所述数据采集与转换模块包括a/d模数转换子模块；所述数据采集与转换模块能够以rs485通讯协议、ethernet通讯协议以及modbus通讯协议中的任一种或任多种组合建立热值检测模块与预测分析模块间的传输与通信。

优选地，所述数据匹配与输出模块包括d/a模数转换子模块。

优选地，所述预测分析模块包括人工智能子模块。

优选地，所述故障诊断与应急处理模块包括与非逻辑电路c、开关d以及应急电路；所述预测分析模块的输入端数据和输出端数据均与与非逻辑电路c相连；所述与非逻辑电路c的2种输出值分别对应着开关d的开、关状态；所述开关d的开、关状态分别对应着应急电路的接通、断开；所述应急电路与设定的天然气控制系统相连。

根据本发明提供的一种天然气实时热值预测分析方法，包括如下步骤：

数据检测步骤：天然气取样探头将取样的待预测天然气接入热值分析仪，热值分析仪将待预测天然气热值生成相对应的模拟信号，并传输数据至数据采集与转换模块；

数据采集与转换步骤：将数据检测步骤得到的模拟信号通过a/d模数转换子模块形成数字信号，并将数字信号传输至预测分析模块；

预测分析步骤：人工智能子模块接收数据采集与转换步骤得到的数字信号，并通过该数字信号处理后得到稳定的预测热值数据发送到数据匹配与输出模块；

数据匹配与输出步骤：将预测分析步骤得到的预测热值数据通过d/a模数转换子模块形成模拟信号并输出至设定的天然气控制系统。

优选地，所述天然气实时热值预测分析方法还包括：

故障诊断与应急处理步骤：分别检测数据采集与转换模块的输入端数据和数据匹配与输出模块的输出端数据这两者，若两者的数据误差超过设定值，则与非逻辑电路c动作，驱动线路开关d动作，将应急电路导通，天然气热值数据直接输出至设定的天然气控制系统，同时发送系统故障报警信号。

优选地，所述预测分析步骤包括如下子步骤：

g)根据k-1时刻的最优天然气热值通过第一公式预测k时刻系统状态值即天然气热值所述第一公式为其中a为设定的矩阵；

h)根据k-1时刻误差协方差pk-1和过程噪声q，通过第二公式预测新的误差协方差所述第二公式为

i)通过第三公式计算卡尔曼增益，所述第三公式为

j)通过第四公式对k时刻天然气热值进行校正更新，所述第四公式为其中yk是天然气测试量值，通过热值分析仪得到；

k)为下一步估计k+1时刻的最优天然气热值的迭代进行更新操作，即通过第五公式更新pk值，所述第五公式为-更新误差协方差；

l)迭代以上步骤，直至得到稳定的天然气热值

其中，pk-1＝1的初始值均为设定值，r为设备误差值，“-”上标符号指代该值为预测值，a^t代表矩阵a是否随时间进行变化，a、b、h三个矩阵为了表达多向量或多测量值而使用，在该发明中由于只有热值一个测量数据，所以a、b、h实际为自然数，根据实际情况可能存在变化a^t。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的天然气实时热值预测分析装置，具有结构简单、可靠性高、成本相对较低的优点；

2、本发明提供的天然气实时热值预测分析方法，具有采集分析效率高、分析速度快、准确率高的优点；

3、本发明提供的天然气实时热值预测分析装置及方法，可以减少人员配置，提高燃气轮机电站的稳定性，增加电站运行可靠性，提升电站效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的天然气实时热值预测分析装置优选例的结构示意图；

图2为本发明提供的天然气实时热值预测分析方法优选例的流程示意图。

图中示出：

热值检测模块1

数据采集与转换模块2

预测分析模块3

数据匹配与输出模块4

故障诊断与应急处理模块5

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种天然气实时热值预测分析装置，包括热值检测模块(1)、预测分析模块(3)以及故障诊断与应急处理模块(5)；所述热值检测模块(1)的检测输入端能够采集待预测天然气的设定数据；所述热值检测模块(1)的输出端与预测分析模块(3)的输入端相连；所述预测分析模块(3)的输出端与设定的天然气控制系统相连；所述故障诊断与应急处理模块(5)的输入端能够分别采集预测分析模块(3)的输入端数据、输出端数据；所述故障诊断与应急处理模块(5)的输出端与设定的天然气控制系统和/或故障报警模块相连。

具体地，所述天然气实时热值预测分析装置还包括数据采集与转换模块(2)和数据匹配与输出模块(4)；所述热值检测模块(1)的输出端通过数据采集与转换模块(2)与预测分析模块(3)的输入端相连；所述预测分析模块(3)的输出端通过数据匹配与输出模块(4)与设定的天然气控制系统相连；所述故障诊断与应急处理模块(5)的输入端分别与数据采集与转换模块(2)、数据匹配与输出模块(4)相连。所述热值检测模块(1)包括天然气取样探头和热值分析仪；所述天然气取样探头一端与待预测天然气相连，另一端接入热值分析仪；所述热值分析仪与预测分析模块(3)的输入端相连。所述数据采集与转换模块(2)包括a/d模数转换子模块；所述数据采集与转换模块(2)能够以rs485通讯协议、ethernet通讯协议以及modbus通讯协议中的任一种或任多种组合建立热值检测模块(1)与预测分析模块(3)间的传输与通信。所述数据匹配与输出模块(4)包括d/a模数转换子模块。所述预测分析模块(3)包括人工智能子模块。所述故障诊断与应急处理模块(5)包括与非逻辑电路c、开关d以及应急电路；所述预测分析模块(3)的输入端数据和输出端数据均与与非逻辑电路c相连；所述与非逻辑电路c的2种输出值分别对应着开关d的开、关状态；所述开关d的开、关状态分别对应着应急电路的接通、断开；所述应急电路与设定的天然气控制系统相连。

根据本发明提供的一种天然气实时热值预测分析方法，包括如下步骤：

数据检测步骤：天然气取样探头将取样的待预测天然气接入热值分析仪，热值分析仪将待预测天然气热值生成相对应的模拟信号，并传输数据至数据采集与转换模块(2)；

数据采集与转换步骤：将数据检测步骤得到的模拟信号通过a/d模数转换子模块形成数字信号，并将数字信号传输至预测分析模块(3)；

预测分析步骤：人工智能子模块接收数据采集与转换步骤得到的数字信号，并通过该数字信号处理后得到稳定的预测热值数据发送到数据匹配与输出模块(4)；

数据匹配与输出步骤：将预测分析步骤得到的预测热值数据通过d/a模数转换子模块形成模拟信号并输出至设定的天然气控制系统。

所述天然气实时热值预测分析方法还包括：

故障诊断与应急处理步骤：分别检测数据采集与转换模块(2)的输入端数据和数据匹配与输出模块(4)的输出端数据这两者，若两者的数据误差超过设定值，则与非逻辑电路c动作，驱动线路开关d动作，将应急电路导通，天然气热值数据直接输出至设定的天然气控制系统，同时发送系统故障报警信号。

所述预测分析步骤包括如下子步骤：

m)根据k-1时刻的最优天然气热值通过第一公式预测k时刻系统状态值即天然气热值所述第一公式为其中a为设定的矩阵；

n)根据k-1时刻误差协方差pk-1和过程噪声q，通过第二公式预测新的误差协方差所述第二公式为

o)通过第三公式计算卡尔曼增益，所述第三公式为

p)通过第四公式对k时刻天然气热值进行校正更新，所述第四公式为其中yk是天然气测试量值，通过热值分析仪得到；

q)为下一步估计k+1时刻的最优天然气热值的迭代进行更新操作，即通过第五公式更新pk值，所述第五公式为-更新误差协方差；

r)迭代以上步骤，直至得到稳定的天然气热值

其中，pk-1＝1的初始值均为设定值，r为设备误差值，“-”上标符号指代该值为预测值，a^t代表矩阵a是否随时间进行变化，a、b、h三个矩阵为了表达多向量或多测量值而使用，在该发明中由于只有热值一个测量数据，所以a、b、h实际为自然数，根据实际情况可能存在变化a^t。

进一步地，本发明优选例基于现有天然气采集分析系统不变得情况下，通过重新对采集的数据重新进行采集处理和预测分析，使数据测量值和预测值经过处理后与燃气轮机硬件及控制系统更好匹配，既满足燃气轮机更稳定运行、同时可以节约额外运行人员。

本发明优选例提供了一种航改型燃气轮机热值预测分析系统。所述系统包括:

1、为热值检测模块

2、为数据采集与转换模块

3、为预测分析模块

4、为数据匹配与输出模块

5、为故障诊断与应急处理模块

图1为热值预测分析系统原理图，本系统通过软硬件的结合实现天然气热值可预测，它可达到下

1)热值检测模块1

天然气热值和比重参数通过天然气管道检测进来，并形成4-20ma模拟信号。天然气取样探头从管路歧路焊接接入色谱分析仪或其他热值仪器，将天然气热值(800-1100btu/ft3)生成相对应的4-20ma模拟信号，将天然气比重(0.2-2.2)生成相对应的4-20ma模拟信号，每一个对应的热值对应一个固定的ma数值并通过电缆可靠传输数据。

2)数据采集与输出

采集进来的热值和比重4-20ma信号，首先输入到数据采集与转换模块装置2内，通过a/d模数转换形成可通讯的数字量，其数值与天然气热值是相对应的。此通讯数据可以通过rs485/ethernet/modbus通讯协议与预测分析模块3进行通讯和传输；而经过预测分析模块分析并确定的数字量数据发送到数据匹配与输出模块4，数字量数据通过d/a模数转换形成4-20ma天然气热值数据并通过电缆直接输入到燃气轮机控制系统内用于机组燃烧控制。天然气热值范围是800-1100，对应的16进制为320h-44ch，选择12位数模转换芯片。

3)预测分析模块3,接收通过数据采集与转换模块2产生的数字信号，通过通讯输入到分析系统(rs485/ethernet/modbus等通讯协议)，系统基于人工智能方法处理后，形成稳定的预测热值数据发送到数据匹配与输出模块4，并由数据匹配与输出模块装置4形成4-20ma天然气热值数据，发送到燃气轮机控制系统，用于燃烧控制。

4)预测分析方法主要采用卡尔曼滤波器计算方法，实时计算最优天然气预测热值。

如图2所示，逻辑运算过程如下：

s)根据k-1时刻的最优天然气热值预测k时刻系统状态值(天然气热值)-迭代更新。

t)根据k-1时刻误差协方差pk-1和过程噪声q预测新的误差协方差-迭代更新。

u)计算卡尔曼增益

v)对k时刻天然气热值进行校正更新，其中yk是天然气测试量值–更新校正预测值。

w)为下一步估计k+1时刻的最优天然气热值的迭代进行更新操作，以及更新pk值，-更新误差协方差。

注：本系统a＝1,h＝1。初始值pk-1＝1，r＝设备误差。

5)故障诊断与应急处理模块主要用来检测本系统状态，如果发生故障，将旁路系统联通，将4-20ma天然气热值数据直接输入到燃气轮机控制系统内用于燃气轮机燃烧控制。装置主要包括与非逻辑电路c和一个联动的开关d，当检测数据采集与转换模块2的输入端和数据匹配与输出模块4的输出端数据差超过设定值(20-30％)，与非逻辑电路c动作，同时驱动线路开关d动作，将应急电路导通，天然气热值数据不通过热值预测分析系统直接输入到燃气轮机控制系统，同时将系统故障报警信号发送到集控中心通知运行维护人员。

然后控制系统通过得到的稳定热值，控制燃料阀门的开度以及静叶攻角调整驱动模块来调整燃烧。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。