套管输氢系统的控制装置和控制方法与流程

本发明涉及输氢系统，具体而言，涉及一种套管输氢系统的控制装置和控制方法。

背景技术：

1、鉴于我国能源分布和需求的特点，西部地区的风光水等可再生能源较为丰富，东部地区对能源的需求量较大，随着氢能产业的快速发展，产出的氢气未来有大规模低成本运输的需求。利用管道输氢是解决大规模氢气低成本长距离运输的有效途径。

2、相关技术中，由于建设专用输氢管道成本高昂，氢气的输送主要是通过掺混在天然气中的方式，利用天然气管道进行输送。但是，掺混的输送方式存在一系列的问题，如天然气钢制管道的氢气损伤、掺混比例限制高、氢气提纯能耗较高等。当掺氢天然气直接使用时，存在热值降低、终端设备对掺氢比例的适应性等问题。

3、为此，相关技术中提出一种套管式输氢管道系统，能够避免氢气对管道造成的氢损伤，且无需提纯，成本低。在套管式输氢管道系统中，内管通高压氢气，内外管之间充等压保护气，实现临氢与承压的解耦。

4、当前的输氢套管采用套管结构，外管套设在内管外，对内管进行完全包裹，内管进行输氢，外管通入保护气对内管进行保护，由于内外管的气源差异以及输送过程中的外部影响，往往会导致内管内的氢气压力与内管外的保护气压力发生不平衡，这种不平衡会导致内管的内外压差较大，当超出内管的承受范围时，会导致内管发生管道破裂的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种套管输氢系统的控制装置和控制方法，能够有效解决输氢套管的内管内外压力不平衡的问题，使得内管内外压差在承受范围之内，避免发生内管破裂问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种套管输氢系统的控制方法，包括：

3、获取内管内的氢气压力；

4、获取内管外的保护气压力；

5、计算氢气压力与保护气压力的压差△p；

6、判断压差△p是否在设定压差±p之间，如果△p位于±p之外，对氢气压力和/或保护气压力进行粒子群优化自适应pid调节，使得压差△p位于±p之间。

7、进一步地，所述判断压差△p是否在±p之间，如果△p位于±p之外，对氢气压力和/或保护气压力进行粒子群优化自适应pid调节，使得压差△p位于±p之间的步骤包括：

8、当△p位于±p之外时，判断△p相对于±p的偏移方向，根据△p相对于±p的偏移方向对氢气压力、氢气流量、保护气压力和保护气流量中的至少一项进行调节，调整氢气压力与保护气压力的压差△p；

9、在系统稳定运行之后，再次计算压差△p，并判断压差△p是否在±p之间。

10、进一步地，根据△p相对于±p的偏移方向对氢气压力、氢气流量、保护气压力和保护气流量中的至少一项进行调节的步骤包括：

11、对氢气压力进行压力pid控制；

12、对氢气流量进行流量pid控制；

13、利用粒子群优化算法寻找6个最优参数kp1、ki1、kd1、kp2、ki2、kd2；其中kp1为压力比例系数，ki1为压力积分时间常数，kd1为压力微分时间常数，kp2为流量比例系数，ki2为流量积分时间常数，kd2为流量微分时间常数。

14、进一步地，根据△p相对于±p的偏移方向对氢气压力、氢气流量、保护气压力和保护气流量中的至少一项进行调节的步骤包括：

15、对保护气压力进行压力pid控制；

16、对保护气流量进行流量pid控制；

17、利用粒子群优化算法寻找6个最优参数kp1、ki1、kd1、kp2、ki2、kd2；其中kp1为压力比例系数，ki1为压力积分时间常数，kd1为压力微分时间常数，kp2为流量比例系数，ki2为流量积分时间常数，kd2为流量微分时间常数。

18、进一步地，根据△p相对于±p的偏移方向对氢气压力、氢气流量、保护气压力和保护气流量中的至少一项进行调节的步骤包括：

19、对氢气压力和保护气压力进行压力pid控制；

20、对氢气流量和保护气流量进行流量pid控制；

21、利用粒子群优化算法寻找6个最优参数kp1、ki1、kd1、kp2、ki2、kd2；其中kp1为压力比例系数，ki1为压力积分时间常数，kd1为压力微分时间常数，kp2为流量比例系数，ki2为流量积分时间常数，kd2为流量微分时间常数。

22、进一步地，根据△p相对于±p的偏移方向对氢气压力、氢气流量、保护气压力和保护气流量中的至少一项进行调节的步骤包括：

23、将压差△p与设定压差±p进行比较，得到偏差e；

24、根据偏差e给阀门发出指令；

25、设定阀门开始动作的时间为t，时间t内产生的压降为△p，偏差响应结果为e+△p；

26、获取压力反馈信号和流量反馈信号，得到氢气及保护气的瞬时压力和流量；

27、根据偏差响应结果以及氢气及保护气的瞬时压力和流量控制阀门动作，使得压差△p位于±p之间。

28、进一步地，利用粒子群优化算法寻找6个最优参数kp1、ki1、kd1、kp2、ki2、kd2的步骤包括：

29、确定初始化种群规模；

30、确定表征粒子的维数；

31、初始化例子的速度和位置以及相关的常量参数；

32、确定最大迭代次数；

33、将初值带入迭代公式中得到新的位置和速度，根据适应度函数f更新个体极值和全局极值，更新粒子速度和位置；

34、当到达最大迭代次数或计算压力差值小于|p|时，停止迭代，否则继续寻找最优值。

35、进一步地，适应度函数f为：

36、其中e(t)为内管及夹层压差值，从控制器采集到传感器信号至控制器给阀门发出指令，阀门开始动作的时间为t，δp(t)为时间t内产生的压降。

37、进一步地，粒子群迭代公式为：

38、

39、

40、式中，i＝1,2,…,n，n为初始化粒子数量；j表示粒子的维度；rand表示[0,1]的随机数；表示第i个粒子在j维第k次迭代的速度；表示第i个粒子在j维第k次迭代的位置；w表示惯性权重；c1和c2表示加速度常数。

41、进一步地，n＝50，j＝6，c1＝c2＝2，w＝0.8，最大迭代次数kmax＝100。

42、根据本发明的另一方面，提供了一种套管输氢系统的控制装置，用于实施上述的套管输氢系统的控制方法，套管输氢系统包括内管和外管，内管和外管之间形成夹层，内管用于输送氢气，夹层用于输送保护气，控制装置包括：

43、控制模块；

44、第一进气阀，与控制模块电气连接，用于调节夹层的进气口大小；

45、第二进气阀，与控制模块电气连接，用于调节内管的进气口大小；

46、第一排气阀，与控制模块电气连接，用于调节夹层的出气口大小；

47、第二排气阀，与控制模块电气连接，用于调节内管的出气口大小；

48、第一流量传感器，与控制模块电气连接，用于检测内管内的氢气流量；

49、第一压力传感器，与控制模块电气连接，用于检测内管内的氢气压力；

50、第二流量传感器，与控制模块电气连接，用于检测夹层内的保护气流量；

51、第二压力传感器，与控制模块电气连接，用于检测夹层内的保护气压力；

52、控制模块根据第一流量传感器、第一压力传感器、第二流量传感器、以及第二压力传感器检测到的参数对第一进气阀、第二进气阀、第一排气阀、以及第二排气阀中的至少一个发出控制指令，将内管外的保护气压力和内管内的氢气压力的压差控制在预设压差范围内。

53、应用本发明的技术方案，套管输氢系统的控制方法包括：获取内管内的氢气压力；获取内管外的保护气压力；计算氢气压力与保护气压力的压差△p；判断压差△p是否在设定压差±p之间，如果△p位于±p之外，对氢气压力和/或保护气压力进行粒子群优化自适应pid调节，使得压差△p位于±p之间。该套管输氢系统利用粒子群优化自适应pid调节对氢气压力和/或保护气压力进行调节，使得氢气压力和保护气压力之间的压差△p位于±p之间，内管内外压力能够保持平衡，避免发生内管破裂问题，在采用粒子群优化自适应pid调节之后，能够对压力控制相关参数进行寻优，使得压力调节的相关参数形成联动调节，避免单一参数调节所导致的综合性能无法处于较优范围的问题，保证氢气压力和保护气压力之间的压差△p调节过程中，套管输氢系统的性能能够始终保持在较优状态，有效缩短调节时间，降低调节量，缩小稳态误差，保证套管输氢系统在进行输氢过程中的稳定性和可靠性。