IGCC電站空氣分離系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、對(duì)電力需求的日益增長(zhǎng)以及自然環(huán)境的不斷惡化，使得整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電成為能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。而且其運(yùn)行的可行性、可靠性以及可持續(xù)性已經(jīng)被美國(guó)、日本以及歐洲的多個(gè)示范電站所證實(shí)，這也大大增強(qiáng)人們對(duì)其進(jìn)行大型化以及商業(yè)運(yùn)行的信心。通常意義下IGCC電站是由兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，一個(gè)是煤氣化技術(shù)；第二個(gè)是包括燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、余熱鍋爐等在內(nèi)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)過程。此外IGCC電站還綜合了燃?xì)鉂崈艉涂諝夥?/p>

2、離等技術(shù)，所有這些因素都使得它成為目前發(fā)電和供熱的最好的方法。與常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組技術(shù)相比，它具有很多優(yōu)勢(shì)，主要包括：電廠體積較小、能量轉(zhuǎn)化效率較高、非常少的污染物排放、燃料和產(chǎn)品的多樣性、有效的CO2減排技術(shù)、較少受到背壓和環(huán)境溫度的影響，以及消耗水量較少等。IGCC發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為新世紀(jì)高效、環(huán)境友好的發(fā)電技術(shù)的杰出代表，應(yīng)該加快其發(fā)展速度并盡快代替常規(guī)的燃煤發(fā)電方式。 低溫空氣分離系統(tǒng)是IGCC電站非常重要的組成部分，而

3、且廣泛使用于化工、鋼鐵、半導(dǎo)體以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。它主要是為氣化爐提供高濃度的氧氣，同時(shí)也為燃?xì)廨啓C(jī)提供高濃度回注氮?dú)?。采用低溫方法制取氧氣和氮?dú)鈺r(shí)，設(shè)備通常工作溫度為100 K左右，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)低溫精餾的過程，通過氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾姆悬c(diǎn)不同將它們分別精餾出來(lái)。這種類型的IGCC電站空氣分離系統(tǒng)通常為氣化爐提供濃度為95％左右的氧氣，消耗電廠輸出電能的大概10％，而且其建設(shè)費(fèi)用占全廠建設(shè)費(fèi)的15％左右。此外，空分系統(tǒng)是IGCC電站最大的

4、遲延環(huán)節(jié)，其運(yùn)行特性對(duì)整個(gè)電廠具有很大的影響。而低溫精餾塔又是空分系統(tǒng)的核心部分，它消耗整個(gè)空分系統(tǒng)能耗的85％左右，對(duì)整個(gè)空分系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大，因此有必要對(duì)其做深入的研究。 本文重點(diǎn)研究IGCC電站低溫空分系統(tǒng)精餾塔的建模和控制。建立了雙級(jí)精餾塔塔的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性；并在此基礎(chǔ)上對(duì)精餾塔分別設(shè)計(jì)了PID和預(yù)測(cè)控制的控制結(jié)構(gòu)，給出了控制仿真結(jié)果。主要內(nèi)容概括如下： （1

5、）首先闡述了空分系統(tǒng)精餾塔的發(fā)展歷程，詳細(xì)討論了IGCC電站中空分系統(tǒng)的工藝流程，及其與燃?xì)廨啓C(jī)的連接關(guān)系，并研究了精餾塔的建模和仿真原理。 （2）對(duì)空分系統(tǒng)精餾塔的低壓塔建立由微分方程組和代數(shù)方程組組成的機(jī)理數(shù)學(xué)模型，同時(shí)通過仿真研究了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，包括低壓塔塔板上的溫度和壓力、液體和蒸汽流量、塔板儲(chǔ)液量，以及氮?dú)?、氧氣和氬氣的液相濃度等?（3）對(duì)包括冷凝-蒸發(fā)器在內(nèi)的整個(gè)空分系統(tǒng)雙級(jí)精餾塔采用“逐板法”建立了其