氧燃燒系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)、運(yùn)行分析與動(dòng)態(tài)_評(píng)價(jià).pdf

1、CO2減排與環(huán)境保護(hù)是維持人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，尋求切實(shí)可行的解決途徑成為全世界的共同關(guān)注點(diǎn)。作為碳捕集、利用與封存技術(shù)之一，氧燃燒技術(shù)用于減少燃煤電站中CO2排放量，正面臨商業(yè)化示范與運(yùn)行。然而，氧燃燒電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、燃燒工況有所改變、煙氣循環(huán)額外增添以及各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合運(yùn)行相互作用等，導(dǎo)致氧燃燒技術(shù)在控制、運(yùn)行、能耗與成本上面臨著巨大挑戰(zhàn)與機(jī)遇。正是在此背景下，以氧燃燒燃煤電站為研究對(duì)象，借助熱力學(xué)評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)模擬、

2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行策略辨識(shí)以及動(dòng)態(tài)(火用)分析等研究手段，對(duì)氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)、CO2壓縮純化系統(tǒng)以及空分制氧系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，從而優(yōu)化系統(tǒng)控制與運(yùn)行，降低運(yùn)行能耗與成本，為其商業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)指導(dǎo)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴從氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)入手，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與比較，辨識(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，探索雙燃燒工況之間的切換方法、控制策略與運(yùn)行規(guī)律，并辨識(shí)出空分制氧系統(tǒng)供氧的輸出規(guī)律與CO2壓縮純化系統(tǒng)制取高純

3、度CO2產(chǎn)品的輸入規(guī)律。在不同運(yùn)行工況下，氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)煙氣側(cè)和水側(cè)呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特征與運(yùn)行干擾形式相關(guān)，煙氣組分、爐膛出口壓力、一次風(fēng)與二次風(fēng)中氧濃度、入爐膛總氧濃度以及蒸汽溫度等運(yùn)行參數(shù)表現(xiàn)出良好的魯棒性。與基于入爐膛總氧濃度的控制相比，選取基于煙氣中氧濃度的控制作為氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，因?yàn)楹笳邔?duì) CO2壓縮純化系統(tǒng)運(yùn)行的影響以及實(shí)現(xiàn)雙燃燒工況切換控制均存在優(yōu)勢(shì)。提出分階段式切換方法與部分控制策略，在17min內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧燃燒工

4、況與空氣燃燒工況之間的平穩(wěn)切換，煙氣中氧濃度始終維持在3.36 mol.％，煙氣組分呈現(xiàn)出類(lèi)似s曲線的變化趨勢(shì)，且一、二次風(fēng)中氧濃度均在合理變化范圍內(nèi)。⑵以氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)呈現(xiàn)的煙氣條件與用戶(hù)對(duì) CO2產(chǎn)品的特定要求為基礎(chǔ)，運(yùn)用熱力學(xué)分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以及熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本分析等手段對(duì)CO2壓縮純化系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)、成本分布以及成本形成等進(jìn)行了綜合考量。發(fā)現(xiàn)其(火用)損與投資成本均主要發(fā)生在壓縮過(guò)程，而熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本則主要集中在分離過(guò)程。以單位功

5、耗為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定目標(biāo)變量與運(yùn)行約束，實(shí)現(xiàn)多變量?jī)?yōu)化與驗(yàn)證，優(yōu)化后的主 CO2壓縮機(jī)出口壓力、加壓后煙氣溫度、第一級(jí)閃蒸分離器運(yùn)行溫度以及第二級(jí)閃蒸分離器運(yùn)行溫度分別為30 bar、30.42℃、-24.64℃與-55℃。最后，以?xún)?yōu)化后的運(yùn)行工況作為動(dòng)態(tài)模擬的初始條件，設(shè)計(jì)與比較不同控制結(jié)構(gòu)，辨識(shí)系統(tǒng)在負(fù)荷與煙氣組分變化工況下的動(dòng)態(tài)特征。與單溫度控制相比，選取雙溫度控制作為 CO2壓縮純化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，這歸因于后者可同時(shí)滿足CO2產(chǎn)品

6、品質(zhì)（≥96 mol.%）、CO2回收率（≥90%）以及物流溫度（>-56.57℃）的特定要求。⑶根據(jù)氧燃燒鍋爐島系統(tǒng)的供氧特點(diǎn)以及潛在的耦合運(yùn)行模式，定向設(shè)計(jì)空分制氧系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)，構(gòu)建穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)與比較不同的邏輯控制策略，辨識(shí)與分析系統(tǒng)在運(yùn)行干擾以及經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行策略下的動(dòng)態(tài)特征。從滿足供氧產(chǎn)品品質(zhì)、運(yùn)行節(jié)能以及靈活性等要求的角度，選取前饋-反饋控制作為空分制氧系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，采用產(chǎn)氧單元跟隨形式的運(yùn)行控制策略實(shí)現(xiàn)靈活、經(jīng)濟(jì)與高

7、效運(yùn)行，推薦配備液氧儲(chǔ)罐的超額空分制氧系統(tǒng)耦合至氧燃燒電站中，其制氧單元負(fù)荷降低至最低負(fù)荷（60%），且主空氣壓縮機(jī)功耗減少約32.85%。⑷為動(dòng)態(tài)表征系統(tǒng)的熱力學(xué)性能和從熱力學(xué)角度辨識(shí)過(guò)程控制對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，提出系統(tǒng)性強(qiáng)與功能性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)(火用)方法，有效整合穩(wěn)態(tài)建模與仿真、動(dòng)態(tài)建模與仿真以及(火用)計(jì)算，獲得不同運(yùn)行工況下系統(tǒng)在不同時(shí)刻下的(火用)值，繪制(火用)隨時(shí)間變化的曲線，運(yùn)用后期數(shù)據(jù)處理手段定義評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制、運(yùn)