專利名稱：基于不同靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電廠運行與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及燃燒后碳捕集電廠在不同靈活運行模式下的設(shè)備協(xié)調(diào)控制方法和運行優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù)：
碳捕集與封存技術(shù)(Carbon capture and storage, CCS)作為當(dāng)前最受關(guān)注的低碳技術(shù)之一，能夠?qū)?X)2從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離出來，輸送到一個安全的封存地點，并長期與大氣隔絕。通過在傳統(tǒng)火力發(fā)電廠中引入CCS技術(shù)，可以對電廠所排放煙氣中的CO2 進行分離和處理，從而規(guī)避其排入大氣所引起的氣候變化，實現(xiàn)化石燃料的可持續(xù)利用。改造后的火力發(fā)電廠(稱為“碳捕集電廠”)也由此成為具有低碳屬性的新型電源類型，并呈現(xiàn)出與常規(guī)火電廠迥異的運行特性與調(diào)控機制?？梢灶A(yù)見，隨著低碳理念的逐步深入、低碳環(huán)境的逐步建立以及低碳技術(shù)的逐步成熟，碳捕集電廠將依托CCS技術(shù)的快速發(fā)展而逐步取代傳統(tǒng)火電廠，成為未來電源結(jié)構(gòu)中一個新型而重要的組成部分，深入影響電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、評估、運行、調(diào)度、控制等各個功能環(huán)節(jié)，并作為低碳電力技術(shù)的一個重要分支， 賦予未來電力行業(yè)全新的運行模式與發(fā)展機制。根據(jù)(X)2的捕集流程和實現(xiàn)原理的不同，目前碳捕集電廠的碳捕集技術(shù)可分為燃燒后碳捕集技術(shù)、燃燒前碳捕集技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)等。其中，燃燒后碳捕集技術(shù)直接從電廠燃燒后產(chǎn)生的煙氣中進行CO2的捕集和分離，適用范圍廣，對已有電廠繼承性好，幾乎不影響上游發(fā)電設(shè)備的燃燒過程。從目前的技術(shù)成熟水平和發(fā)展現(xiàn)狀來看，燃燒后碳捕集電廠無論在理論研究還是工程實踐中都占據(jù)著主流地位，也正是本發(fā)明的主要應(yīng)用對象。典型的采用化學(xué)吸收法的燃燒后碳捕集電廠的主要結(jié)構(gòu)如

圖1所示，包括由鍋爐 21、高壓透平22、中壓透平23、低壓透平M和25、發(fā)電機沈組成的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)和由吸收塔4、解析塔12、引風(fēng)機2、煙氣冷卻器3、富液泵6、貧富液熱交換器7、貧液泵8、冷凝器9、 水洗單元10、再沸器13、水泵15、氣液分離罐16、冷凝器17及(X)2壓縮機18組成的碳捕集系統(tǒng)。其中，鍋爐21、高壓透平22、中壓透平23、低壓透平M和25、發(fā)電機沈依次相連；吸收塔4分別與煙氣冷卻器3、富液泵6、冷凝器9、水洗單元10相連；引風(fēng)機2與煙氣冷卻器 3相連；貧液泵8與冷凝器9相連；貧富液熱交換器7分別與富液泵6、貧液泵8、再沸器13 及解析塔12相連；解析塔12分別與貧富液熱交換器7、再沸器13、水泵15及冷凝器17相連；氣液分離罐16分別與水泵15、冷凝器17及CO2壓縮機18相連；再沸器13與中壓透平 23和低壓透平M、25之間的蒸汽管道20相連。燃燒后碳捕集系統(tǒng)工作流程為從電廠蒸汽發(fā)電系統(tǒng)排出的煙氣1經(jīng)過煙氣冷卻器3冷卻后，從底部進入吸收塔4，吸收劑從塔頂部噴淋，在40-60°C的溫度下與煙氣逆流發(fā)生吸收反應(yīng)，CO2在塔內(nèi)被化學(xué)吸收劑所捕獲。接著，煙氣經(jīng)過水洗單元10以回收被煙氣帶出的吸收劑并保持塔內(nèi)水的平衡，經(jīng)過處理后的尾氣11則直接從塔頂排出。而吸收塔4 底部的富含(X)2的吸收劑溶液(稱之為“富液”)，經(jīng)富液泵6和貧富液熱交換器7送至解析塔12進行解析使吸收劑再生。在解析過程中，通過再沸器13提供一定的熱能升高富液的
1溫度(典型值為100-140°C )，使吸收反應(yīng)逆向進行，從而實現(xiàn)(X)2的分離和吸收劑的再生。 再沸器13提供的熱能占據(jù)了燃燒后碳捕集能耗(不含壓縮能耗)的80%以上，主要通過在蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的中壓透平23與低壓透平M和25之間抽取一定量的蒸汽來獲得所需能量。 再生后的吸收液(稱之為“貧液”)則通過貧富液熱交換器7和冷凝器9降低溫度，最終返回吸收塔4完成溶液的循環(huán)利用?，F(xiàn)有的燃燒后碳捕集電廠的控制方法大多僅針對碳捕集電廠的靜態(tài)運行方式，即認為電廠的碳捕集系統(tǒng)一直運行在與發(fā)電功率相匹配的額定狀態(tài)之下，可調(diào)節(jié)量只有發(fā)電功率，而碳捕集系統(tǒng)運行狀態(tài)不可靈活調(diào)節(jié)。因而，現(xiàn)有的燃燒后碳捕集電廠控制方法與傳統(tǒng)火電廠的控制方法基本一致，而沒有考慮燃燒后碳捕集電廠與常規(guī)火電廠的本質(zhì)區(qū)別和關(guān)鍵特征，沒有考慮燃燒后碳捕集電廠自身的電碳關(guān)聯(lián)機制和動態(tài)調(diào)控特性，也沒有考慮低碳環(huán)境等外部因素的影響和作用。而事實上，燃燒后碳捕集電廠具有靈活運行的潛力。 已有石if究(Lucquiaud M，Chalmers H，Gibbins J. Potential for Flexible Operation of Pulverised Coal Power Plants with CO2 Capture[J]. Energy Materials，2007，2(3) 175-180)敘述和論證了燃燒后碳捕集電廠的靈活運行機制的潛力，但仍停留在定性分析階段，沒有形成基于靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠的控制方法；本申請人在2010年6月 11日申請的一項中國發(fā)明專利(陳啟鑫，康重慶，夏清.燃燒后碳捕集電廠的碳捕集系統(tǒng)及電碳協(xié)調(diào)的控制方法.公開號101856590[P]. 2010-10-13)中考慮了燃燒后碳捕集電廠的靈活運行機制，提出了一種電碳協(xié)調(diào)的運行控制方法，該方法采用等效發(fā)電功率、CO2吸收速率和(X)2分解速率作為控制變量，但是該方法僅針對于燃燒后碳捕集電廠的單獨一種靈活運行模式，而且其理論模型和控制方法不夠系統(tǒng)和全面，比如缺乏對等效(X)2捕集效率的調(diào)節(jié)手段和優(yōu)化控制等。因此，需要一套更為系統(tǒng)和全面的基于燃燒后碳捕集電廠靈活運行機制的控制方法，包括燃燒后碳捕集電廠在不同靈活運行模式下的設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制，以實現(xiàn)對燃燒后碳捕集電廠的運行機制與調(diào)控性能的辨識和優(yōu)化，并提升燃燒后碳捕集電廠的運行效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的燃燒后碳捕集電廠的運行技術(shù)與控制方法的不足，提出基于不同靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法，實現(xiàn)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制，并帶來顯著的效益提升空間。本發(fā)明提出的基于第一種靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法，其特征在于，包括對燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造、設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制三部分1)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造，具體包括在常規(guī)燃燒后碳捕集電廠的碳捕集系統(tǒng)中的吸收塔底部與貧液泵出口之間以及吸收塔底部與富液泵入口之間分別裝設(shè)溶液支管道，并在兩溶液支管道中分別裝設(shè)一個富液分流閥門，以控制從吸收塔底部出來的富液的流向和分流比例；同時，在再沸器與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)之間的蒸汽管道中以及低壓透平入口處的蒸汽管道中分別裝設(shè)一個速率調(diào)節(jié)閥門， 使得可以自由調(diào)節(jié)為再沸器供熱所抽取的蒸汽的速率；此外，增大低壓透平以及發(fā)電機的設(shè)計容量，使該容量與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)處于額定狀態(tài)而碳捕集系統(tǒng)關(guān)閉時的工況相匹配；2)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制，具體包括
設(shè)置第一種靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備控制變量，分別為等效發(fā)電功率Pe、富液分流比λκ和再沸器熱功率因子其中，等效發(fā)電功率Pe定義為發(fā)電機組凈發(fā)電功率ΡΝ、廠用電功率P τ以及碳捕集等效能耗的總和；富液分流比λ R定義為進入解析塔的富液流率與從吸收塔出來的富液流率的比值；再沸器熱功率因子‘定義為實際再沸器熱功率Qkeb與使得等效(X)2捕集效率 α CAP為基準(zhǔn)值C^p所需的再沸器熱功率的比值；該靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制包括以下步驟2-1)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制燃燒后碳捕集電廠整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值 首先確立各整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值目標(biāo)，據(jù)此確立等效發(fā)電功率Pe的目標(biāo)值，然后控制蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的燃料投入速度使其與該目標(biāo)值對應(yīng)，并同步協(xié)調(diào)控制鍋爐、汽輪機和發(fā)電機的工況以與當(dāng)前燃料投入速度匹配，從而實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值；2-2)通過調(diào)節(jié)富液分流比λ 1；控制碳捕集系統(tǒng)的瞬時CO2捕集速率Ecap 通過調(diào)節(jié)富液分流閥門使富液分流比λ 1；在0-100(%之間連續(xù)調(diào)節(jié)，同時同步調(diào)節(jié)蒸汽速率閥門控制抽取蒸汽的速率使再沸器熱功率因子‘=1，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的瞬時(X)2捕集速率 Ecap的控制；2-3)通過調(diào)節(jié)再沸器熱功率因子‘控制等效(X)2捕集效率α CAP 在完成等效發(fā)電功率Pe和富液分流比λκ的調(diào)節(jié)并使得再沸器熱功率因子‘=1后，調(diào)節(jié)蒸汽速率閥門對再沸器熱功率因子‘再進行士 10 %范圍內(nèi)的微調(diào)，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的等效(X)2 捕集效率α CAP的控制，使其在基準(zhǔn)值近根據(jù)需求上下調(diào)節(jié)；3)燃燒后碳捕集電廠的運行優(yōu)化控制，具體包括以下步驟3-1)確立燃燒后碳捕集電廠運行優(yōu)化模型在決策周期T內(nèi)各個時段t的決策變量，分別為等效發(fā)電功率Pe,t、富液分流比λK,t、再沸器熱功率因子^；和啟?？刂谱兞縄t，
t = 1J 2. . . T ；其中啟停控制變量It的取值為0或1，It = 0表示停機，It = 1表示開機；3-2)確立燃燒后碳捕集電廠在決策周期T內(nèi)各個時段的運行狀態(tài)變量，建立運行狀態(tài)變量與決策變量的關(guān)聯(lián)(I) CO2捕集速率Egap, t，其表達式為
權(quán)利要求
1.基于第一種靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法，其特征在于，包括對燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造、設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制三部分1)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造，具體包括在常規(guī)燃燒后碳捕集電廠的碳捕集系統(tǒng)中的吸收塔底部與貧液泵出口之間以及吸收塔底部與富液泵入口之間分別裝設(shè)溶液支管道，并在兩溶液支管道中分別裝設(shè)一個富液分流閥門，以控制從吸收塔底部出來的富液的流向和分流比例；同時，在再沸器與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)之間的蒸汽管道中以及低壓透平入口處的蒸汽管道中分別裝設(shè)一個速率調(diào)節(jié)閥門，使得可以自由調(diào)節(jié)為再沸器供熱所抽取的蒸汽的速率；此外，增大低壓透平以及發(fā)電機的設(shè)計容量，使該容量與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)處于額定狀態(tài)而碳捕集系統(tǒng)關(guān)閉時的工況相匹配；2)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制，具體包括設(shè)置第一種靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備控制變量，分別為等效發(fā)電功率 Pe、富液分流比λ κ和再沸器熱功率因子其中，等效發(fā)電功率Pe定義為發(fā)電機組凈發(fā)電功率IV廠用電功率Ρτ以及碳捕集等效能耗PCCS-EQ的總和；富液分流比XkS義為進入解析塔的富液流率與從吸收塔出來的富液流率的比值；再沸器熱功率因子‘定義為實際再沸器熱功率Qkeb與使得等效(X)2捕集效率α CAP為基準(zhǔn)值C^p所需的再沸器熱功率G^5的比值；該靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制包括以下步驟2-1)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制燃燒后碳捕集電廠整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值首先確立各整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值目標(biāo)，據(jù)此確立等效發(fā)電功率Pe的目標(biāo)值，然后控制蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的燃料投入速度使其與該目標(biāo)值對應(yīng)，并同步協(xié)調(diào)控制鍋爐、汽輪機和發(fā)電機的工況以與當(dāng)前燃料投入速度匹配，從而實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值；2-2)通過調(diào)節(jié)富液分流比λ 1；控制碳捕集系統(tǒng)的瞬時CO2捕集速率Ecap:通過調(diào)節(jié)富液分流閥門使富液分流比λ 1；在0-100(%之間連續(xù)調(diào)節(jié)，同時同步調(diào)節(jié)蒸汽速率閥門控制抽取蒸汽的速率使再沸器熱功率因子‘=1，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的瞬時CO2捕集速率Ε。αρ& 控制；2-3)通過調(diào)節(jié)再沸器熱功率因子‘控制等效CO2捕集效率Cifflp在完成等效發(fā)電功率Pe和富液分流比λ κ的調(diào)節(jié)并使得再沸器熱功率因子‘=1后，調(diào)節(jié)蒸汽速率閥門對再沸器熱功率因子‘再進行士 10%范圍內(nèi)的微調(diào)，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的等效CO2捕集效率α CAP的控制，使其在基準(zhǔn)值近根據(jù)需求上下調(diào)節(jié)；3)燃燒后碳捕集電廠的運行優(yōu)化控制，具體包括以下步驟3-1)確立燃燒后碳捕集電廠運行優(yōu)化模型在決策周期T內(nèi)各個時段t的決策變量，分別為等效發(fā)電功率Pe, t、富液分流比λ K,t、再沸器熱功率因子^；和啟?？刂谱兞縄t，t = 1 2. . . T ；其中，啟?？刂谱兞縄t的取值為0或1，It = 0表示停機，It = 1表示開機；3-2)確立燃燒后碳捕集電廠在決策周期T內(nèi)各個時段的運行狀態(tài)變量，建立運行狀態(tài)變量與決策變量的關(guān)聯(lián)(I)CO2捕集速率Ecap, t，其表達式為
2.基于第二種靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法，其特征在于，包括對燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造、設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制三部分1)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備結(jié)構(gòu)改造，具體包括在常規(guī)燃燒后碳捕集電廠的碳捕集系統(tǒng)的煙氣入口處裝設(shè)煙氣直排通道，并在直排通道入口處和引風(fēng)機入口處分別裝設(shè)煙氣旁路閥，使得可以靈活控制直排煙氣與進入碳捕集系統(tǒng)的煙氣的比例；其次，在富液泵入口側(cè)裝設(shè)富液存儲器，并裝設(shè)相應(yīng)的富液存儲器連接管道和富液存儲器控制閥門，在貧液泵出口側(cè)裝設(shè)貧液存儲器，并裝設(shè)相應(yīng)的貧液存儲器連接管道和貧液存儲器控制閥門，使得可以協(xié)調(diào)控制溶液在富液存儲器和貧液存儲器中的流向和流速；同時，在再沸器與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)之間的蒸汽管道中以及低壓透平入口處的蒸汽管道中分別裝設(shè)速率調(diào)節(jié)閥門，使得可以自由調(diào)節(jié)為再沸器供熱所抽取的蒸汽的速率； 此外，增大低壓透平以及發(fā)電機的設(shè)計容量，使該容量與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)處于額定狀態(tài)而碳捕集系統(tǒng)關(guān)閉時的工況相匹配；并增大貧富液熱交換器、解析塔和(X)2壓縮機的設(shè)計容量， 使該容量與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)處于額定狀態(tài)而碳捕集系統(tǒng)處于最高(X)2捕集速率狀態(tài)時的工況相匹配；2)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制，具體包括設(shè)置第二種靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備控制變量，分別為等效發(fā)電功率 Pe、煙氣分流比入8和解析速率因子其中，等效發(fā)電功率Pe定義為發(fā)電機組凈發(fā)電功率IV廠用電功率Ρτ以及碳捕集等效能耗Pccs-EQ的總和；煙氣分流比λs定義為進入碳捕集系統(tǒng)的煙氣流率與蒸汽發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣總流率的比值；解析速率因子 定義為實際解析速率Vstk與將當(dāng)前蒸汽發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣全部通入碳捕集系統(tǒng)且溶液存儲器處于平衡狀態(tài)時所對應(yīng)的解析速率值比值；該靈活運行模式下燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制包括以下步驟2-1)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制燃燒后碳捕集電廠整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值首先確立各整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值目標(biāo)，據(jù)此確立等效發(fā)電功率Pe的目標(biāo)值，然后控制蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的燃料投入速度使其與該目標(biāo)值對應(yīng)，并同步協(xié)調(diào)控制鍋爐、汽輪機和發(fā)電機的工況以與當(dāng)前燃料投入速度匹配，從而實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率Pe控制整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值；2-2)通過調(diào)節(jié)煙氣分流比入3控制碳捕集系統(tǒng)的平均0)2捕集速率E。AP_AVA 根據(jù)需求調(diào)節(jié)煙氣旁路閥使煙氣分流比λ 3在0-100%之間連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的平均 CO2捕集速率ECAP-AVA 的控制；2-3)通過調(diào)節(jié)溶液存儲器的狀態(tài)控制碳捕集系統(tǒng)的瞬時(X)2捕集速率Ε。αρ同步調(diào)節(jié)富液存儲器控制閥門和貧液存儲器控制閥門，使碳捕集系統(tǒng)根據(jù)需求工作在存儲平衡狀態(tài)、高瞬時CO2捕集速率狀態(tài)和低瞬時(X)2捕集速率狀態(tài)這三種狀態(tài)之一，從而實現(xiàn)對碳捕集系統(tǒng)的瞬時(X)2捕集速率Ε。αρ的控制；3)燃燒后碳捕集電廠的運行優(yōu)化控制，具體包括以下步驟3-1)確立燃燒后碳捕集電廠運行優(yōu)化模型在決策周期T內(nèi)各個時段t的決策變量， 分別為等效發(fā)電功率Pe, t、煙氣分流比λ s,t、解析速率因子G和啟?？刂谱兞縄t，t = 1，3-2)確立燃燒后碳捕集電廠在決策周期T內(nèi)各個時段的運行狀態(tài)變量，建立運行狀態(tài)變量與決策變量的關(guān)聯(lián)(I)CO2捕集速率ECAP，t，其表達式為
全文摘要
本發(fā)明公開了基于不同靈活運行模式的燃燒后碳捕集電廠控制方法，屬于電廠運行與控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括通過調(diào)節(jié)等效發(fā)電功率控制電廠整體運行指標(biāo)的基準(zhǔn)值，通過調(diào)節(jié)煙氣分流比控制平均CO2捕集速率，通過調(diào)節(jié)富液分流比或溶液存儲器控制瞬時CO2捕集速率，通過調(diào)節(jié)再沸器熱功率因子控制等效CO2捕集效率；建立燃燒后碳捕集電廠在不同靈活運行模式下的運行優(yōu)化模型，求解模型并實施控制，同時對比設(shè)備控制變量和運行狀態(tài)變量的理論值和實際值，在出現(xiàn)偏差時更新初始條件并重新求解剩余時段的運行控制策略，直至完成決策周期內(nèi)全部時段的運行優(yōu)化控制。本方法可實現(xiàn)燃燒后碳捕集電廠的設(shè)備協(xié)調(diào)控制和運行優(yōu)化控制，并帶來顯著的效益提升空間。
文檔編號C01B31/20GK102502631SQ201110294410
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者夏清, 季震, 康重慶, 陳啟鑫 申請人:清華大學(xué)