本發(fā)明涉及一種帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，屬于預(yù)測控制方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著溫室效應(yīng)及相關(guān)氣候生態(tài)問題的日益嚴(yán)峻，減排CO₂已成為國際社會應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵舉措。作為電力供應(yīng)的主要設(shè)備，火電機(jī)組是CO₂最穩(wěn)定、最集中的排放源，世界30％-40％，我國40％～50％的CO₂排放來自于火電機(jī)組。在積極發(fā)展新能源技術(shù)、努力提高火電機(jī)組發(fā)電效率的同時(shí)，火電機(jī)組CO₂捕集被眾多權(quán)威機(jī)構(gòu)公認(rèn)為未來30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO₂減排最直接有效的技術(shù)手段。

在現(xiàn)有火電機(jī)組CO₂捕集技術(shù)中，基于化學(xué)吸收法的燃燒后CO₂捕集技術(shù)直接從電廠燃燒后的煙氣中分離CO₂，具有對已有機(jī)組優(yōu)秀的繼承性和較好的技術(shù)適用性，是當(dāng)前CO₂捕集電站采用的主流技術(shù)。由于CO₂的吸附和解析涉及到一系列化學(xué)反應(yīng)，燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)存在很大的慣性，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方法往往難以取得滿意的控制效果。近年來預(yù)測控制算法在CO₂捕集應(yīng)用中取得一定成效，然而隨著火電站變負(fù)荷運(yùn)行參與電網(wǎng)調(diào)峰日益頻繁，CO₂捕集系統(tǒng)常規(guī)預(yù)測控制算法在應(yīng)對煙氣流量等擾動時(shí)，由于缺乏對煙氣信號的利用，控制效果并不理想。目前CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制器單純考慮解決系統(tǒng)約束、慣性和耦合問題，未考慮利用可獲取的煙氣信號主動抗干擾。因此一種在燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)中加入對煙氣信號利用的預(yù)測控制算法的開發(fā)很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，該預(yù)測控制方法通過利用煙氣量信號，提高了CO₂捕集系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，改善了其對火電機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行的適應(yīng)性。

本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供上述帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法在火電機(jī)組燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)方面的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段為：

帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，該預(yù)測控制方法以基于化學(xué)吸附的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)為被控對象，貧液流量和汽輪機(jī)低壓缸抽汽量為系統(tǒng)控制輸入量，CO₂捕集率和再沸器溫度為系統(tǒng)輸出量，以火電廠煙氣流量為擾動信號，基于子空間辨識方法，利用系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立預(yù)測器，在此基礎(chǔ)上建立帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法。

上述帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1，(離線準(zhǔn)備)火電廠變負(fù)荷運(yùn)行，生成的煙氣量d處于變動狀態(tài)，將CO₂捕集系統(tǒng)切換到手動狀態(tài)，以貧液流量閥門開度u_a和汽輪機(jī)低壓缸抽汽閥門開度信號u_b為輸入，對CO₂捕集系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，獲取CO₂捕集率y_a和再沸器溫度y_b的開環(huán)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

步驟2，(離線準(zhǔn)備)選定采樣周期Ts，以為擴(kuò)增輸入，為輸出，利用子空間辨識方法，構(gòu)建帶煙氣量擾動信號的CO₂捕集系統(tǒng)子空間預(yù)測矩陣l_w，l_u；

步驟3，(在線運(yùn)行)每一采樣時(shí)刻，通過當(dāng)下的煙氣量，預(yù)估在未來一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的CO₂捕集率和再沸器溫度通過優(yōu)化計(jì)算得到最優(yōu)的貧液流量閥門開度u_a-op和汽輪機(jī)低壓缸抽汽閥門開度信號u_b-op，將其用于CO₂捕集系統(tǒng)。

其中，步驟2中，構(gòu)建帶煙氣量擾動信號的CO₂捕集系統(tǒng)子空間預(yù)測矩陣l_w，l_u，具體步驟為：

步驟A：將連續(xù)獲得的從第0時(shí)刻到第2N+j-2時(shí)刻的輸出數(shù)據(jù)Y和擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)分別排列為Hankel矩陣形式：

其中，N為矩陣行數(shù)，N大于CO₂捕集系統(tǒng)階次，j為矩陣列數(shù)，Y和分別表示輸出與擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)組成的Hankel矩陣，Y^f和Y^p分別表示輸出數(shù)據(jù)的未來數(shù)據(jù)和過去數(shù)據(jù)，和分別表示擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)的未來數(shù)據(jù)和過去數(shù)據(jù)，y_i表示第j個(gè)輸出數(shù)據(jù)，表示第j個(gè)擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)；

步驟B：令對如下矩陣進(jìn)行QR分解：

獲得矩陣L：

步驟C：從而獲得矩陣L_w＝L(：，1：N(m+l))，L_u＝L(：，N(m+l)+1：end)，m為輸入變量維數(shù)，l為輸出變量維數(shù)，L(：，1：N(m+l))表示矩陣L的前N(m+l)列，L(：，N(m+l)+1：end)表示矩陣L自第N(m+l)+1列之后的所有列；

步驟D：最后得到子空間預(yù)測矩陣l_w＝L_w(1：l，：)，lu＝L_u(1：l，1：m)。

其中，步驟3中，采用如下公式預(yù)估在未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的CO₂捕集率和再沸器溫度

其中，為CO₂捕集系統(tǒng)過去N個(gè)時(shí)刻的輸出和擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)組合，

為CO₂捕集系統(tǒng)過去N個(gè)時(shí)刻的擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)，

為未來N₂個(gè)時(shí)刻的擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)，

采用如下公式計(jì)算性能指標(biāo)函數(shù)J：

其中，Q_f和R_f是調(diào)節(jié)輸入輸出控制品質(zhì)的權(quán)值矩陣，

r_f是未來N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率和再沸器溫度設(shè)定值序列，

分別表示k+1時(shí)刻到k+N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率r_a和再沸器溫度r_b設(shè)定值，

是未來N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率和再沸器溫度預(yù)估值序列，

分別表示k+1時(shí)刻到k+N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率y_a和再沸器溫度y_b預(yù)估值，

Δu_f是未來N₂時(shí)刻的貧液流量閥門開度信號u_a和低壓缸抽汽閥門開度信號u_b序列的增量，其中

CO2捕集系統(tǒng)貧液流量閥門和低壓缸抽汽閥門開度信號u的幅值約束(u_min，u_max)和增量約束(Δu_min，Δu_max)為：

其中，u_min，u_max分別表示貧液流量閥門和低壓缸抽汽閥門開度信號u的最小值與最大值，Δu_min，Δu_max分別表示貧液流量閥門和低壓缸抽汽閥門開度信號u的最小增量與最大增量；

每一采樣時(shí)刻，將公式(1)代入公式(2)，并在滿足公式(3)和(4)的情況下最小化性能指標(biāo)函數(shù)J，得到最優(yōu)的控制增量序列Δu_f：

提取最優(yōu)控制增量序列Δu_f中的第一塊增量Δu_k+1，并與當(dāng)前時(shí)刻的控制作用u_k相加，得到算最優(yōu)的貧液流量閥門和低壓缸抽汽閥門開度信號

u_op＝u_k+Δu_k+1。

上述帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法在火電機(jī)組燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)方面的應(yīng)用。

其中，步驟2中，采樣周期T_s可以用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則T95/T_s＝5～15來選取，其中T95為過渡過程上升到95％的調(diào)節(jié)時(shí)間；步驟3中，預(yù)測控制參數(shù)Q_f、R_f、N₁、N₂可以根據(jù)實(shí)際控制過程中的性能品質(zhì)、計(jì)算時(shí)間等因素人為選取。

本發(fā)明帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法充分利用火電廠生成煙氣流量信號，運(yùn)用預(yù)測控制思想，每一步進(jìn)行一次優(yōu)化求解獲得系統(tǒng)運(yùn)行最佳輸入信號：貧液流量閥門開度和低壓缸抽汽閥門開度。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明中的算法相比一般的預(yù)測控制算法能夠更加有效地抑制煙氣量擾動的影響，維持CO₂捕集率和再沸器溫度在設(shè)定值附近。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果為：

本發(fā)明的預(yù)測控制方法具有良好的抗煙氣量干擾能力，能夠保證預(yù)測控制最優(yōu)性能的前提下，迅速消除煙氣擾動對系統(tǒng)的影響，應(yīng)用于火電站燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)能夠有效抑制煙氣量干擾，確保CO₂捕集率和再沸器溫度在設(shè)定值附近；當(dāng)無煙氣量擾動時(shí)，本發(fā)明比普通預(yù)測控制算法具有更好的設(shè)定值跟蹤和調(diào)節(jié)性能；此外，由于本發(fā)明預(yù)測控制完全基于數(shù)據(jù)，從而可以有效避免普通預(yù)測控制繁瑣的建模過程和建模誤差的影響；最后，本發(fā)明預(yù)測控制方法總體提高了燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)的運(yùn)行水平和對電廠負(fù)荷變動的適應(yīng)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明預(yù)測控制方法的原理流程圖；

圖2為本發(fā)明預(yù)測控制(實(shí)線)與常規(guī)比例積分微分控制(虛線)在CO₂捕集率設(shè)定值階躍變化下的控制效果對比圖(點(diǎn)劃線為設(shè)定值)；

圖3為本發(fā)明預(yù)測控制(實(shí)線)與一般預(yù)測控制(虛線)在煙氣流量變化下的控制效果對比圖(點(diǎn)劃線為設(shè)定值)。

具體實(shí)施方式

根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。

將本發(fā)明的預(yù)測控制方法應(yīng)用于某1MW火電機(jī)組燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)系統(tǒng)仿真模型中，控制的目標(biāo)是在滿足輸入約束的條件下，使CO₂捕集率和再沸器溫度跟蹤設(shè)定值。

本發(fā)明的帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，基于子空間辨識方法，利用系統(tǒng)輸入輸出和煙氣量數(shù)據(jù)，預(yù)估系統(tǒng)在未來一段時(shí)間內(nèi)的性能，在不破壞預(yù)測控制原有設(shè)計(jì)框架的前提下主動抑制煙氣量擾動作用，算法在無擾情況下，與普通預(yù)測控制器具有更優(yōu)的設(shè)定值跟蹤和調(diào)節(jié)能力，本發(fā)明總體提高了CO₂捕集系統(tǒng)的控制品質(zhì)，增強(qiáng)了其對火電廠負(fù)荷變動的適應(yīng)性。

如圖1所示，本發(fā)明的帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，具體包括如下步驟：

步驟1，在火電廠變負(fù)荷運(yùn)行，生成煙氣量d變動的狀態(tài)下，設(shè)計(jì)30秒變化一次，持續(xù)30000秒的貧液流量閥門開度信號u_a和汽機(jī)低壓缸抽汽閥門開度信號u_b，對系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，獲取一系列CO₂捕集率y_a和再沸器溫度y_b的開環(huán)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

步驟2，選定采樣周期T_s＝30s，以為擴(kuò)增輸入，為輸出，利用子空間辨識方法，構(gòu)建帶煙氣量擾動信號的CO₂捕集系統(tǒng)子空間預(yù)測矩陣l_w，l_u，具體步驟為：

A：將連續(xù)獲得的1000組輸出數(shù)據(jù)Y和擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)分別排列為Hankel矩陣形式(2N+j-2＝1000)：

其中，N為矩陣行數(shù)，取N＝10；j為矩陣列數(shù)，在硬件條件允許的情況下越大越好，Y和分別表示輸出與擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)組成的Hankel矩陣，Y^f和Y^p分別表示輸出數(shù)據(jù)的未來數(shù)據(jù)和過去數(shù)據(jù)，和分別表示擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)的未來數(shù)據(jù)和過去數(shù)據(jù)，y_j表示第j個(gè)輸出數(shù)據(jù)，表示第j個(gè)擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)，上標(biāo)f和p分別表示未來和過去，下標(biāo)0，1，...，2N+j-2表示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；

B；令對如下矩陣進(jìn)行QR分解：

獲得矩陣L，

C：獲得矩陣L_w＝L(：，1：N(m+l))，Lu＝L(：，N(m+l)+1：end)，m＝3，m為擴(kuò)增輸入變量維數(shù)，l＝2，l為輸入輸出變量維數(shù)，L(：，1：N(m+l))表示L的前N(m+l)列，L(：，N(m+l)+1：end)表示L自第N(m+l)+1列之后的所有列；

D：子空間矩陣l_w＝L_w(1：l，：)，l_u＝L_u(1：l，1：m)；

步驟3，每一采樣時(shí)刻，預(yù)估在當(dāng)前煙氣量下，在未來一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的CO₂捕集率和再沸器溫度

其中，為CO2捕集系統(tǒng)過去N個(gè)時(shí)刻的輸出和擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)組合，

為CO₂捕集系統(tǒng)過去N個(gè)時(shí)刻的擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)，為未來N₂個(gè)時(shí)刻的擴(kuò)增輸入數(shù)據(jù)，本例中取N₂＝10；

步驟4，貧液流量閥門開度u_a-op和汽機(jī)低壓缸抽汽閥門開度信號u_b-op，取式(2)性能指標(biāo)函數(shù)式：

其中，是調(diào)節(jié)輸入輸出控制品質(zhì)的權(quán)值矩陣，r_f是未來N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO2捕集率和再沸器溫度設(shè)定值序列，

分別表示k+1時(shí)刻到k+N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率r_a和再沸器溫度r_b設(shè)定值，

是未來N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率和再沸器溫度預(yù)估值序列，

分別表示k+1時(shí)刻到k+N₁時(shí)刻系統(tǒng)CO₂捕集率y_a和再沸器溫度y_b預(yù)估值，可由式(1)描述，取N₁＝10；Δu_f是未來N₂時(shí)刻的貧液流量閥門開度信號和低壓缸抽汽閥門開度信號序列的增量，其中

考慮CO₂捕集系統(tǒng)閥門開度信號的幅值約束(u_min＝[0 0]^T，u_max＝[0.8 0.08]^T)和增量約束(Δu_min＝[-0.007/s -0.006/s]^T，Δu_max＝[0.007/s 0.006/s]^T)：

每一采樣時(shí)刻，將(1)代入性能指標(biāo)式(2)，并在滿足約束(3)和(4)的情況下最小化(2)，得到最優(yōu)的控制增量序列輸入增量提取最優(yōu)控制增量序列Δu_f計(jì)中的第一塊Δu_k+1，并與當(dāng)前時(shí)刻的控制作用u_k相加，計(jì)算最優(yōu)的貧液流量閥門和低壓缸抽汽閥門開度信號

u_op＝u_k+Δu_k+1 (5)

并將其施加于燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)；

步驟5，固定用于預(yù)估系統(tǒng)未來輸出的子空間矩陣l_w和l_u，重復(fù)步驟3～4以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。

本實(shí)施例為了比較本發(fā)明中的帶煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法、常規(guī)比例積分微分控制方法和一般預(yù)測控制方法的控制效果，做了兩組仿真試驗(yàn)：仿真實(shí)驗(yàn)1，CO₂捕集系統(tǒng)初始捕集率穩(wěn)定于0.65，在t＝600s和3600s，CO₂捕集率設(shè)定值從0.65分別變化為0.85和0.75，再沸器溫度設(shè)定值保持在384K不變；仿真實(shí)驗(yàn)2，CO₂捕集系統(tǒng)初始捕集率穩(wěn)定于0.85，在t＝50s，火電廠生成煙氣流量從0.13kg/s變化為0.16kg/s。

如圖2、3所示，在無煙氣量變化時(shí)，CO₂捕集率設(shè)定值階躍增加或減小情況下，本發(fā)明對燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)的優(yōu)化控制效果曲線明顯優(yōu)于常規(guī)比例加積分控制器，具有滿意的設(shè)定值跟蹤和調(diào)節(jié)能力。當(dāng)煙氣量擾動發(fā)生時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)化控制方法可以消除擾動的影響，將CO₂捕集率和再沸器溫度維持在設(shè)定值上，同時(shí)相比常規(guī)擾動抑制預(yù)測控制，具有更快速平穩(wěn)的擾動抑制效果且無穩(wěn)態(tài)偏差，提高了CO₂捕集系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)以及對火電廠變負(fù)荷運(yùn)行的適應(yīng)性。

本發(fā)明煙氣量擾動抑制的燃燒后CO₂捕集系統(tǒng)預(yù)測控制方法，利用可測得的火電廠生成煙氣流量，建立可以反映煙氣量對捕集系統(tǒng)運(yùn)行影響的高品質(zhì)預(yù)估器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)預(yù)測控制器，在保有預(yù)測控制所有優(yōu)點(diǎn)的前提下大幅提高系統(tǒng)主動克服煙氣量擾動的能力，從而進(jìn)一步提高CO₂捕集系統(tǒng)對電站變負(fù)荷運(yùn)行的適應(yīng)性和靈活性。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。