整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)動態(tài)建模及模型在回路控制平臺研究.pdf

1、整體煤氣化濕空氣透平（Integrated Gasification Humid AirTurbine，IGHAT）循環(huán)是將潔凈煤技術(shù)與濕空氣透平（Humid Air Turbine，HAT）循環(huán)技術(shù)相結(jié)合的新型發(fā)電技術(shù)。該系統(tǒng)比功高、效率高、排放低，同時可以利用中國相對豐富的煤炭資源作為其燃料，是未來發(fā)電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。目前僅有少量成功運行 HAT循環(huán)實驗電站，而 IGHAT循環(huán)則仍處于理論研究階段。因此，建立IGHAT循環(huán)系

2、統(tǒng)仿真平臺，進行相關(guān)的控制邏輯及策略的研究，為未來IGHAT循環(huán)系統(tǒng)的建立提供必要的技術(shù)儲備將有著極為重要的現(xiàn)實意義。本文的研究主要包括以下幾個方面：
　　以Shell氣流床氣化爐為研究對象，分析了氣化爐壓力和流動之間的相互影響，建立了基于容積-阻力特性的氣化爐動態(tài)模型，以狀態(tài)方程的形式求解氣化爐內(nèi)的壓力與流速。通過該模型分析容積慣性對系統(tǒng)壓力、溫度、氣化反應(yīng)速度等主要物理參數(shù)的影響。同時利用該模型研究氣化爐控制策略，設(shè)計煤氣溫度

3、和熱值控制系統(tǒng)，說明非線性多輸入多輸出系統(tǒng)強耦合性給系統(tǒng)控制帶來的問題，分別利用分散 PID控制理論和模糊控制理論設(shè)計控制邏輯，其中模糊控制可以將溫度和熱值結(jié)合起來一同進行控制，調(diào)節(jié)速度更快，偏差更小。
　　以填料式飽和器實驗臺為研究對象，進行了空氣加濕實驗，初步討論了其傳熱和傳質(zhì)特性。將基于飽和曲線和工作線的飽和器建模理論推廣至動態(tài)建模，利用飽和器內(nèi)不同水溫對應(yīng)的實際濕空氣焓和理想飽和濕空氣焓之間的焓差作為熱量傳遞和質(zhì)量傳遞共同

4、的驅(qū)動勢，定義新的通用傳遞系數(shù)來描述這兩個過程，簡化了求解步驟，避免了傳統(tǒng)方法中傳熱和傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗公式的不準確給模型精度帶來的影響。利用實驗結(jié)果分析加濕過程中的空氣參數(shù)與水參數(shù)對通用傳遞系數(shù)的影響，指出水溫和壓力影響的飽和空氣焓是傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動勢，而空氣參數(shù)和氣水流量比對通用傳遞系統(tǒng)的影響更大，利用實驗結(jié)果驗證該思想在飽和器建模過程中的準確性。
　　建立燃氣輪機和換熱器部件模型以及基于模塊化建模理論的IGHAT循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型。系

5、統(tǒng)模型是一個非迭代模型，計算速度快，可以滿足實時仿真的要求。以HAT循環(huán)分軸燃氣輪機實驗臺為仿真對象，并對該實驗臺等燃料控制加濕試驗中的加濕、升溫過程進行仿真，指出泄露、散熱和功率損失是影響該系統(tǒng)性能的主要原因，利用仿真模型計算了燃燒室、高壓透平、動力透平的出口壓力、出口溫度等重要參數(shù)的變化規(guī)律和趨勢，其中燃燒室出口壓力在加濕過程中提高3715Pa，出口溫度降低63.2K，該結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合，驗證了模型的準確性。
　　在現(xiàn)有HA

6、T循環(huán)實驗臺的基礎(chǔ)上，添加回?zé)崞鳌⒔?jīng)濟器等換熱設(shè)備，同時考慮配置氣化爐系統(tǒng)，設(shè)計完整的IGHAT循環(huán)系統(tǒng)，建立動態(tài)仿真模型。對燃料切換過程進行仿真，參考整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的運行經(jīng)驗，結(jié)合仿真結(jié)果，制定IGHAT循環(huán)系統(tǒng)切換煤氣合成氣燃料的最低限制為60kW功率以上。對飽和器起動過程進行仿真，利用迭代學(xué)習(xí)控制設(shè)計前饋環(huán)節(jié)，解決加濕過程中為滿足系統(tǒng)功率控制而導(dǎo)致的震蕩。分析加濕過程對壓氣機喘振裕度的影響，結(jié)果顯示改造為IGHAT循環(huán)后的喘振

7、裕度降至13.7%，雖然依然高于10%的閾值，但比簡單循環(huán)條件下21.19%的喘振裕度已有了明顯的下降，應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的放氣閥以防止喘振的發(fā)生。在以上仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上分析，結(jié)合成熟燃氣輪機電站控制經(jīng)驗，初步設(shè)計了IGHAT循環(huán)電站控制邏輯及相應(yīng)策略，包括起動控制、功率控制、燃料切換控制、飽和器控制和壓比控制五大系統(tǒng)。
　　在對 IGHAT循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，利用Ovation分布式控制系統(tǒng)平臺進行了控制邏輯組態(tài)，建立IG

8、HAT控制系統(tǒng)的虛擬仿真平臺；以新建的IGHAT循環(huán)動態(tài)實時仿真模型為控制對象，通過二者之間的通信交互，實現(xiàn)模型在回路控制平臺的建立。該控制平臺使用Visual Studio編寫，以MFC為核心分別調(diào)用Ovation API和Windows API，建立可供仿真模型和控制系統(tǒng)同時讀寫的共享內(nèi)存區(qū)，實現(xiàn)仿真模型與控制系統(tǒng)之間的信息交互。最終利用模型在回路控制平臺，進行從空載工況到最大工況的仿真實驗，驗證了相關(guān)控制邏輯在實際工業(yè)控制系統(tǒng)下的