IGCC多联产系统典型非线性过程的建模和控制策略研究

摘要

IGCC多联产系统是以煤炭气化为基础的、清洁、高效的能源利用方式。空分单元和煤气化单元构成气化岛,是IGCC多联产系统的核心,如何构建它们的动态模型、设计有效的控制系统,保证安全经济运行是目前需要解决的难题,针对空分精馏塔及气化炉建模和控制系统的研究具有重大的理论研究意义和实际应用价值。本文针对IGCC多联产系统典型非线性过程空分精馏塔和气化炉动态建模与控制策略进行了如下研究:
　　 1、采用机理建模的方法,基于三元系统、气液相平衡和全混级假设,逐层考虑物料平衡方程、能量平衡方程、水动力学等方程,建立了低温空分双级填料精馏塔较为严格的动态数学模型,并获得了精馏塔的静态和动态特性。
　　 2、采用机理建模的方法,考虑输运床气化炉内部煤热解、气化、流动等过程,在质量平衡和能量平衡的基础上建立简化的密相输运床气化炉集总参数动态数学模型。获得了气化炉的相关动态特性,为控制策略的设计提供了依据。
　　 3、根据空分精馏塔的动态特性,提出了空分精馏塔的控制结构,并分别将PID控制和自适应模糊-PID控制方法应用于空分精馏塔控制系统中。针对空分系统具有大惯性、强耦合、多变量的特点,提出了一种基于遗传监督的受限广义预测控制算法;此外,针对空分系统的非线性特性,论文又进一步设计了空分系统模糊增益调度受限预测控制器。所提出的先进控制算法在控制作用受限的情况下,输出变量的变化均在允许的范围内,控制系统具有较好的闭环控制品质。
　　 4、根据气化炉的动态特性,提出了输运床气化炉的控制结构,分别设计了分散PID控制方案和自适应模糊-PID控制方案。针对气化炉系统的非线性特点,提出一种改进型在线TS模糊建模方法,获得气化炉的全局TS模糊模型,并在此模型基础上,设计了气化炉系统时变CARIMA模型受限模糊预测控制器,获得较好的控制效果。
　　 5、针对IGCC多联产系统电力生产的实际运行需求,从气化岛整体出发,结合输运床气化炉和空分精馏塔模型,分析了IGCC多联产系统和气化岛的控制要求,并借鉴火电机组的协调控制思想,在气化炉和空分精馏塔子控制系统的基础上,提出了整个气化岛协调控制策略,并通过仿真试验验证了以空分跟随为基础的协调控制策略的有效性。