基于能耗-成本目标的富氧燃烧系统自寻优控制及动态特性研究

摘要

随着经济社会的发展，节能与减排被人们日益重视。富氧燃烧技术作为一种行之有效的CO2捕获方法，能显著降低碳排放，缓解温室效应。然而，由于电站系统结构的复杂性，由传统空气燃烧转变为富氧燃烧给系统运行控制及能耗成本带来诸多挑战。针对富氧燃烧系统运行控制可靠性低和高能耗成本的问题，拟采用自寻优控制方法，基于能耗-成本最小化优化目标，对富氧燃烧CO2捕获过程中的锅炉岛系统和CO2压缩纯化系统进行研究，设计新型控制结构，辨识不同运行指令和控制失效等工况下的动态特性，从而达到系统高效低成本运行的目的，为富氧燃烧电站早日实现商业化应用提供一定的指导作用。　　针对CO2压缩纯化单元(CPU)，提出了以能耗和经济成本最小化为目标的自寻优控制结构：基于单位能耗目标(方案1)和单位经济成本目标(方案2)。动态模拟结果表明，在烟气流量变化与烟气CO2浓度变化两种运行工况下，两种自寻优方案均可实现低能耗、低成本的运行目标。方案1为最合适的控制策略，因为其对单位能耗和单位经济成本的绝对变化幅度仅为方案2的14.02%和10.29%。该研究结果为CO2压缩纯化系统的节能高效运行提供了新的解决途径。　　对于富氧燃烧锅炉岛系统，基于系统运行利润最大化目标，提出了自寻优控制结构，在负荷、供氧纯度和炉膛漏风三种变化工况下进行动态模拟，观测锅炉水侧和烟气侧各运行参数的动态特性，得到各工况下运行利润随时间变化的曲线。结果表明，在所有运行工况下，系统各观测值都在设定范围内波动，利润均能保持在86$/(t煤)以上，且显著高于参考控制结构下的结果(运行稳定后利润几乎为0)，这说明自寻优控制在系统运行过程中具有良好的可靠性与经济性。　　基于所提出的富氧燃烧锅炉岛系统自寻优控制结构，对控制失效下系统运行进行安全性分析。当系统工况变化时，对系统运行某一控制器失效过程进行动态模拟，得到对应的动态模拟结果。对比发现，负荷变化工况下，氧浓度控制器的失效会引起锅炉的水侧和烟气侧参数发生相应的变化；供氧纯度变化工况下，氧流量控制器的失效则会引起观测参数的波动，且与设定值有较大的偏差。这些结果均有利于明确控制器失效所产生的运行故障信息，为系统的安全运行提供一定的指导参考。

目录

声明

第 1章 绪 论

1.1研究背景

1.2富氧燃烧技术

1.2.1空分制氧单元（ASU）

1.2.2锅炉岛单元

1.2.3 CO2压缩纯化单元（CPU）

1.3自寻优控制

1.4安全性分析

1.5本文主要研究内容

第 2章 CO2压缩纯化系统自寻优控制及动态特性

2.1引言

2.2 CPU 系统工艺流程

2.3自寻优控制结构设计

2.3.1方案1：基于单位能耗的自寻优控制

2.3.2方案2：基于单位运行成本的自寻优控制

2.3.3两种自优化控制结构的比较

2.4两种自寻优控制结构下CPU动态特性

2.4.1烟气流量变化工况

2.4.2烟气CO2浓度变化工况

2.5动态能耗和经济特性

2.5.1单位能耗

2.5.2单位经济成本

2.6本章小结

第3 章 富氧燃烧锅炉岛系统的自寻优控制及动态特性

3.1引言

3.2锅炉岛系统流程描述

3.3自寻优控制结构设计

3.3.1系统自由度分析

3.3.2确定目标函数和约束

3.3.3运行主要干扰

3.3.4候选控制变量

3.3.5优化运行

3.3.6系统损失评估

3.3.7 RGA 分析

3.3.8 自寻优控制结构

3.4动态特性

3.4.1负荷变化工况

3.4.2氧气纯度变化工况

3.4.3漏风变化工况

3.5单位运行利润

3.5.1负荷变化工况下的利润值

3.5.2供氧纯度变化工况下的利润值

3.5.3漏风工况下的利润值

3.6本章小结

第4 章 富氧燃烧锅炉岛系统安全性分析

4.1引言

4.2控制器失效下的动态行为

4.2.1正常运行（无扰动）工况

4.2.2负荷变化工况

4.2.3 ASU 氧纯度变化工况

4.3本章小结

第 5章 全文总结及展望

5.1全文总结

5.2创新点

5.3研究展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢