整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)動(dòng)態(tài)建模及模型在回路控制平臺(tái)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(shí)可以利用中國(guó)相對(duì)豐富的煤炭資源作為其燃料，是未來(lái)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(yùn)行 HAT循環(huán)實(shí)驗(yàn)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(tái)，進(jìn)行相關(guān)的控制邏輯及策略的研究，為未來(lái)IGHAT循環(huán)系統(tǒng)的建立提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備將有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文的研究主要包括以下幾個(gè)方面：
　　以Shell氣流床氣化爐為研究對(duì)象，分析了氣化爐壓力和流動(dòng)之間的相互影響，建立了基于容積-阻力特性的氣化爐動(dòng)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(guò)該模型分析容積慣性對(duì)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(shí)利用該模型研究氣化爐控制策略，設(shè)計(jì)煤氣溫度

3、和熱值控制系統(tǒng)，說(shuō)明非線性多輸入多輸出系統(tǒng)強(qiáng)耦合性給系統(tǒng)控制帶來(lái)的問(wèn)題，分別利用分散 PID控制理論和模糊控制理論設(shè)計(jì)控制邏輯，其中模糊控制可以將溫度和熱值結(jié)合起來(lái)一同進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)速度更快，偏差更小。
　　以填料式飽和器實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，進(jìn)行了空氣加濕實(shí)驗(yàn)，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(dòng)態(tài)建模，利用飽和器內(nèi)不同水溫對(duì)應(yīng)的實(shí)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(dòng)勢(shì)，定義新的通用傳遞系數(shù)來(lái)描述這兩個(gè)過(guò)程，簡(jiǎn)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(yàn)公式的不準(zhǔn)確給模型精度帶來(lái)的影響。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析加濕過(guò)程中的空氣參數(shù)與水參數(shù)對(duì)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(dòng)勢(shì)，而空氣參數(shù)和氣水流量比對(duì)通用傳遞系統(tǒng)的影響更大，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該思想在飽和器建模過(guò)程中的準(zhǔn)確性。
　　建立燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)態(tài)模型。系

5、統(tǒng)模型是一個(gè)非迭代模型，計(jì)算速度快，可以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求。以HAT循環(huán)分軸燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為仿真對(duì)象，并對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)等燃料控制加濕試驗(yàn)中的加濕、升溫過(guò)程進(jìn)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(jì)算了燃燒室、高壓透平、動(dòng)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(shì)，其中燃燒室出口壓力在加濕過(guò)程中提高3715Pa，出口溫度降低63.2K，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。
　　在現(xiàn)有HA

6、T循環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，添加回?zé)崞鳌⒔?jīng)濟(jì)器等換熱設(shè)備，同時(shí)考慮配置氣化爐系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完整的IGHAT循環(huán)系統(tǒng)，建立動(dòng)態(tài)仿真模型。對(duì)燃料切換過(guò)程進(jìn)行仿真，參考整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(duì)飽和器起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，利用迭代學(xué)習(xí)控制設(shè)計(jì)前饋環(huán)節(jié)，解決加濕過(guò)程中為滿足系統(tǒng)功率控制而導(dǎo)致的震蕩。分析加濕過(guò)程對(duì)壓氣機(jī)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(jiǎn)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(jì)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?xì)廨啓C(jī)電站控制經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)了IGHAT循環(huán)電站控制邏輯及相應(yīng)策略，包括起動(dòng)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(duì) IGHAT循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)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(tái)進(jìn)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(tái)；以新建的IGHAT循環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真模型為控制對(duì)象，通過(guò)二者之間的通信交互，實(shí)現(xiàn)模型在回路控制平臺(tái)的建立。該控制平臺(tái)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(shí)讀寫的共享內(nèi)存區(qū)，實(shí)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(tái)，進(jìn)行從空載工況到最大工況的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)控制邏輯在實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)下的