CN108710356B - 一种有效的燃烧后co2捕集燃煤发电系统运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，本发明在原有燃煤发电机组协调系统3×3控制系统的基础上增加贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度两个控制回路，并配置比例积分控制器，构造5×5的反馈控制回路；在线运行时利用整体系统的稳态模型，根据想要达到的被控量设定值计算前馈控制量，并与反馈控制系统结合，实现对燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的控制。本发明通过整体稳态模型和前馈设计将发电系统和碳捕集系统深度结合，充分利用捕集系统“抽汽脱碳”的特性，改进原有发电系统变负荷调峰的能力，平衡系统在发电和碳减排之间的关系；亦可增强捕集系统对于燃煤发电系统变负荷时烟气变化的适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及热工过程控制技术领域，尤其是一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法。
背景技术
随着温室效应及相关气候生态问题的日益严峻，减排CO2已成为国际社会应对气候变化的关键举措。作为电力供应的主要设备，燃煤发电机组是CO2最稳定、最集中的排放源，其CO2捕集被众多权威机构公认为未来30年内实现大规模CO2减排最直接有效的技术手段。
在现有燃煤发电系统CO2捕集技术中，基于化学吸收法的燃烧后CO2捕集技术直接从烟气中分离CO2，具有对已有发电机组优秀的继承性和较好的技术适用性，是当前最为成熟的电站碳捕集技术，我国及世界范围内已有不少集成燃烧后CO2捕集的试点燃煤电站投入运行。
目前，关于燃煤发电系统的传统及先进控制手段已有大量研究成果；关于燃烧后CO2捕集系统的反馈控制设计研究已有部分成果，但尚不完善。对于集成后的燃烧后 CO2捕集燃煤发电系统而言，其特性与独立系统具有较大不同，其控制研究尚不多见。如何设计有效的运行控制手段，充分利用捕集系统“抽汽脱碳”的特性，改进原有发电系统变负荷调峰的能力，平衡系统在发电和碳减排之间的关系；如何增强捕集系统对于燃煤发电系统变负荷时烟气变化的适应能力等，都是有待解决的问题。因此，开发一种燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，能够实现CO2捕集燃煤发电系统整体协调控制，充分发挥其在发电和碳减排方面的效能；通过灵活调整CO2捕集率，可以有效增强原有燃煤发电系统快速深度变负荷的能力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，包括如下步骤：
(1)在原有燃煤发电机组协调系统3×3控制系统的基础上增加贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度两个控制回路，并配置比例积分控制器，构造5×5的反馈控制回路；
(2)记录燃烧后CO2捕集燃煤发电系统在不同发电功率及不同CO2捕集率时的稳态运行数据，根据这些数据辨识建立燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的稳态模型；
(3)在每一采样时刻，根据发电指令的追踪要求及碳减排需求设置CO2捕集率设定值；利用所建稳态模型，根据当前时刻被控变量的设定值计算对应控制变量的稳态值，作为前馈控制作用uff；由于前馈作用，整体系统可以更好地实现设定值的追踪，捕集系统可以更快适应燃煤电站烟气变化的影响；
(4)在燃煤电站需要快速实现大范围升/降负荷时，可在允许范围内减小/增大CO2捕集率设定值，通过迅速减小/增大碳捕集系统从汽机抽汽，实现发电系统的快速深度变负荷；
(5)前馈作用uff与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用u，施加于燃烧后CO2捕集燃煤发电系统。
优选的，步骤(1)中，3×3控制系统具体为：主汽阀门开度控制发电功率、燃烧率控制主蒸汽压力、给水阀门开度控制汽水分离器出口汽温。
优选的，步骤(2)中，稳态模型以给煤量、主汽阀门开度、给水阀门开度、抽汽阀门开度和贫液流量为输入；以发电功率、主蒸汽压力、汽水分离器出口汽温、CO2捕集率、再沸器温度为输出，反映燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的稳态性能。
本发明的有益效果为：本发明所提的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统前馈反馈运行控制方法，通过对原有燃煤发电系统3×3协调控制进行扩增，通过整体稳态模型和前馈设计将发电系统和碳捕集系统深度结合，充分利用捕集系统“抽汽脱碳”的特性，改进原有发电系统变负荷调峰的能力，平衡系统在发电和碳减排之间的关系；亦可增强捕集系统对于燃煤发电系统变负荷时烟气变化的适应能力等。仿真结果表明，该方法在实现对燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的有效控制，并提升原有发电系统的变负荷水平。
附图说明
图1为本发明的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统结构示意图。
图2为本发明前馈反馈运行方法的流程示意图。
图3为本发明控制电站升负荷时的效果图。
图4为本发明控制电站升负荷时的效果图。
具体实施方式
如图2所示，一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，包括如下步骤：
(1)在原有燃煤发电机组协调系统3×3控制系统的基础上增加贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度两个控制回路，并配置比例积分控制器，构造5×5的反馈控制回路；
(2)记录燃烧后CO2捕集燃煤发电系统在不同发电功率及不同CO2捕集率时的稳态运行数据，根据这些数据辨识建立燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的稳态模型；
(3)在每一采样时刻，根据发电指令的追踪要求及碳减排需求设置CO2捕集率设定值；利用所建稳态模型，根据当前时刻被控变量的设定值计算对应控制变量的稳态值，作为前馈控制作用uff；由于前馈作用，整体系统可以更好地实现设定值的追踪，捕集系统可以更快适应燃煤电站烟气变化的影响；
(4)在燃煤电站需要快速实现大范围升/降负荷时，可在允许范围内减小/增大CO2捕集率设定值，通过迅速减小/增大碳捕集系统从汽机抽汽，实现发电系统的快速深度变负荷；
(5)前馈作用uff与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用u，施加于燃烧后CO2捕集燃煤发电系统。
步骤(1)中，PI反馈控制系统的参数可以根据实际控制过程中的稳定性和快速性人为整定选取；步骤(2)中，稳态模型的辨识可以采用神经网络、支持向量机等多种方法；步骤(3)中，CO2捕集率设定值可以结合运行偏好，根据人工经验进行选取，也可以设计某种反映发电负荷追踪性能、碳减排性能和其它运行品质的指标，通过在约束范围内优化计算求得。
如图1所示，本发明以集成基于化学吸附燃烧后CO2捕集技术的燃煤超临界机组为对象，对原有燃煤发电机组协调控制系统进行扩增：选取发电功率、主蒸汽压力、汽水分离器出口汽温、CO2捕集率、再沸器温度为协调系统被控量；选取主汽阀门开度、燃烧率、给水阀门开度、抽汽阀门开度和贫液流量作为系统控制量，构造以PI回路为基础的反馈控制系统。基于稳态系统模型，根据发电负荷指令和碳捕集需求确定适宜的系统前馈控制量，前馈与反馈相结合，建立一种燃烧后CO2捕集燃煤发电系统前馈反馈协调控制方法。
将本发明的运行控制方法应用于带化学吸附燃烧后CO2捕集技术的某小型燃煤发电系统仿真模型中，检验系统在变工况运行时的控制效果。
本发明的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，在原有燃煤发电机组协调系统3×3控制系统(主汽阀门开度控制发电功率、燃烧率控制主蒸汽压力、给水阀门开度控制汽水分离器出口汽温)的基础上增加贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度两个控制回路，并配置比例积分控制器，构造5×5的反馈控制回路。在线运行时利用整体系统的稳态模型，根据想要达到的被控量设定值计算前馈控制量，并与反馈控制系统结合，实现对燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的控制。本发明方法通过整体稳态模型和前馈设计将发电系统和碳捕集系统深度结合，充分利用捕集系统“抽汽脱碳”的特性，改进原有发电系统变负荷调峰的能力，平衡系统在发电和碳减排之间的关系；亦可增强捕集系统对于燃煤发电系统变负荷时烟气变化的适应能力。总体上可以增强燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的运行调节品质。
本实施例为了验证本发明中燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法的效果，做了两组仿真试验：仿真实验1，燃煤电站初始处于68％负荷处，CO2捕集系统初始捕集率稳定于90％，在t＝600s，受电网调度指令，电站发电指令设定值变化为85％。为实现快速负荷追踪，设定捕集率指令为50％以将抽汽快速用于发电。
如图3、4所示，图3中，燃煤电站侧，实现：发电-碳捕集整体系统前馈-反馈控制；点线：发电-碳捕集整体系统反馈控制；虚线：独立电站反馈控制；点划线：设定值。图4中，燃煤电站侧，实现：发电-碳捕集整体系统前馈-反馈控制；点线：发电-碳捕集整体系统反馈控制；点划线：设定值。通过将碳捕集系统与火电机组整体考虑，在发电机组需要快速深度变负荷的情况下，本发明给出的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统协调控制方式可以快速改变用于碳捕集的抽汽流量，其负荷响应速度要明显优于独立火电机组系统。通过使用前馈控制，系统的响应速度可以得到进一步提高。
本发明的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，对原有燃煤发电机组协调系统的3×3控制体系进行扩增。通过构造整体系统的稳态模型计算前馈控制量，并与反馈控制系统结合，实现对燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的控制。本发明方法通过整体稳态模型和前馈设计将发电系统和碳捕集系统深度结合，改进原有发电系统变负荷调峰的能力，增强捕集系统对于燃煤发电系统变负荷时烟气变化的适应能力，提高燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的运行调节品质。
Claims (2)
1.一种有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在原有燃煤发电机组协调系统3×3控制系统的基础上增加贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度两个控制回路，并配置比例积分控制器，构造5×5的反馈控制回路；3×3控制系统具体为：主汽阀门开度控制发电功率、燃烧率控制主蒸汽压力、给水阀门开度控制汽水分离器出口汽温；
(2)记录燃烧后CO2捕集燃煤发电系统在不同发电功率及不同CO2捕集率时的稳态运行数据，根据这些数据辨识建立燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的稳态模型；
(3)在每一采样时刻，根据发电指令的追踪要求及碳减排需求设置CO2捕集率设定值；利用所建稳态模型，根据当前时刻被控变量的设定值计算对应控制变量的稳态值，作为前馈控制作用uff；由于前馈作用，整体系统可以更好地实现设定值的追踪，捕集系统可以更快适应燃煤电站烟气变化的影响；
(4)在燃煤电站需要快速实现大范围升/降负荷时，可在允许范围内减小/增大CO2捕集率设定值，通过迅速减小/增大碳捕集系统从汽机抽汽，实现发电系统的快速深度变负荷；
(5)前馈作用uff与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用u，施加于燃烧后CO2捕集燃煤发电系统。
2.如权利要求1所述的有效的燃烧后CO2捕集燃煤发电系统运行控制方法，其特征在于，步骤(2)中，稳态模型以给煤量、主汽阀门开度、给水阀门开度、抽汽阀门开度和贫液流量为输入；以发电功率、主蒸汽压力、汽水分离器出口汽温、CO2捕集率、再沸器温度为输出，反映燃烧后CO2捕集燃煤发电系统的稳态性能。
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