整体煤气化湿空气透平循环动态建模及模型在回路控制平台研究

摘要

整体煤气化湿空气透平（Integrated Gasification Humid AirTurbine，IGHAT）循环是将洁净煤技术与湿空气透平（Humid Air Turbine，HAT）循环技术相结合的新型发电技术。该系统比功高、效率高、排放低，同时可以利用中国相对丰富的煤炭资源作为其燃料，是未来发电领域的重要发展方向之一。目前仅有少量成功运行 HAT循环实验电站，而 IGHAT循环则仍处于理论研究阶段。因此，建立IGHAT循环系统仿真平台，进行相关的控制逻辑及策略的研究，为未来IGHAT循环系统的建立提供必要的技术储备将有着极为重要的现实意义。本文的研究主要包括以下几个方面：
　　以Shell气流床气化炉为研究对象，分析了气化炉压力和流动之间的相互影响，建立了基于容积-阻力特性的气化炉动态模型，以状态方程的形式求解气化炉内的压力与流速。通过该模型分析容积惯性对系统压力、温度、气化反应速度等主要物理参数的影响。同时利用该模型研究气化炉控制策略，设计煤气温度和热值控制系统，说明非线性多输入多输出系统强耦合性给系统控制带来的问题，分别利用分散 PID控制理论和模糊控制理论设计控制逻辑，其中模糊控制可以将温度和热值结合起来一同进行控制，调节速度更快，偏差更小。
　　以填料式饱和器实验台为研究对象，进行了空气加湿实验，初步讨论了其传热和传质特性。将基于饱和曲线和工作线的饱和器建模理论推广至动态建模，利用饱和器内不同水温对应的实际湿空气焓和理想饱和湿空气焓之间的焓差作为热量传递和质量传递共同的驱动势，定义新的通用传递系数来描述这两个过程，简化了求解步骤，避免了传统方法中传热和传质系数经验公式的不准确给模型精度带来的影响。利用实验结果分析加湿过程中的空气参数与水参数对通用传递系数的影响，指出水温和压力影响的饱和空气焓是传热传质的驱动势，而空气参数和气水流量比对通用传递系统的影响更大，利用实验结果验证该思想在饱和器建模过程中的准确性。
　　建立燃气轮机和换热器部件模型以及基于模块化建模理论的IGHAT循环系统动态模型。系统模型是一个非迭代模型，计算速度快，可以满足实时仿真的要求。以HAT循环分轴燃气轮机实验台为仿真对象，并对该实验台等燃料控制加湿试验中的加湿、升温过程进行仿真，指出泄露、散热和功率损失是影响该系统性能的主要原因，利用仿真模型计算了燃烧室、高压透平、动力透平的出口压力、出口温度等重要参数的变化规律和趋势，其中燃烧室出口压力在加湿过程中提高3715Pa，出口温度降低63.2K，该结果与实验数据吻合，验证了模型的准确性。
　　在现有HAT循环实验台的基础上，添加回热器、经济器等换热设备，同时考虑配置气化炉系统，设计完整的IGHAT循环系统，建立动态仿真模型。对燃料切换过程进行仿真，参考整体煤气化联合循环的运行经验，结合仿真结果，制定IGHAT循环系统切换煤气合成气燃料的最低限制为60kW功率以上。对饱和器起动过程进行仿真，利用迭代学习控制设计前馈环节，解决加湿过程中为满足系统功率控制而导致的震荡。分析加湿过程对压气机喘振裕度的影响，结果显示改造为IGHAT循环后的喘振裕度降至13.7%，虽然依然高于10%的阈值，但比简单循环条件下21.19%的喘振裕度已有了明显的下降，应设计相应的放气阀以防止喘振的发生。在以上仿真结果的基础上分析，结合成熟燃气轮机电站控制经验，初步设计了IGHAT循环电站控制逻辑及相应策略，包括起动控制、功率控制、燃料切换控制、饱和器控制和压比控制五大系统。
　　在对 IGHAT循环系统动态仿真结果分析的基础上，利用Ovation分布式控制系统平台进行了控制逻辑组态，建立IGHAT控制系统的虚拟仿真平台；以新建的IGHAT循环动态实时仿真模型为控制对象，通过二者之间的通信交互，实现模型在回路控制平台的建立。该控制平台使用Visual Studio编写，以MFC为核心分别调用Ovation API和Windows API，建立可供仿真模型和控制系统同时读写的共享内存区，实现仿真模型与控制系统之间的信息交互。最终利用模型在回路控制平台，进行从空载工况到最大工况的仿真实验，验证了相关控制逻辑在实际工业控制系统下的可行性。
　　最终针对西门子 V94.3A燃气轮机设计了全新的IGHAT循环系统，利用Ovation分布式控制系统建立基于该电站的仿真培训系统，并进行相关仿真操作。IGHAT循环系统功率最终达到403.255MW，效率达到42.71%。通过析得出非设计工况部件效率下降以及高压力导致加湿量受限是系统功率、效率不能进一步提升的主要原因。

目录

符号说明表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2整体煤气化湿空气透平（IGHAT）循环研究现状

1.3本文的主要工作

第二章 基于容积-阻力特性模型的气化炉建模

2.1气化炉概述

2.2基于容积-阻力特性的气化炉建模

2.3气化炉模型验证与分析

2.4气化炉控制逻辑及控制性能仿真

2.5本章小结

第三章 饱和器性能试验及新型动态建模方法

3.1饱和器基本原理和实验系统介绍

3.2饱和器建模原理

3.3饱和器模型验证

3.4本章小结

第四章 IGHAT循环系统建模及模型在回路控制平台

41. IGHAT循环部件及系统建模

4.2HAT循环实验装置介绍及模型验证

4.3IGHAT循环性能仿真

4.4IGHAT循环模型在回路控制平台研究

4.5本章小结

第五章基于Ovation DCS的IGHAT循环仿真培训系统

5.1仿真培训系统框架设计

5.2仿真培训系统功能实现

5.3仿真培训系统功能及使用说明

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.2主要创新点

6.3未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

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