专利名称：基于不同灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法
技术领域：
本发明属于电厂运行与控制技术领域，特别涉及燃烧后碳捕集电厂在不同灵活运行模式下的设备协调控制方法和运行优化控制方法。
背景技术：
碳捕集与封存技术(Carbon capture and storage, CCS)作为当前最受关注的低碳技术之一，能够将(X)2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个安全的封存地点，并长期与大气隔绝。通过在传统火力发电厂中引入CCS技术，可以对电厂所排放烟气中的CO2 进行分离和处理，从而规避其排入大气所引起的气候变化，实现化石燃料的可持续利用。改造后的火力发电厂(称为“碳捕集电厂”)也由此成为具有低碳属性的新型电源类型，并呈现出与常规火电厂迥异的运行特性与调控机制。可以预见，随着低碳理念的逐步深入、低碳环境的逐步建立以及低碳技术的逐步成熟，碳捕集电厂将依托CCS技术的快速发展而逐步取代传统火电厂，成为未来电源结构中一个新型而重要的组成部分，深入影响电力系统的规划、建设、评估、运行、调度、控制等各个功能环节，并作为低碳电力技术的一个重要分支， 赋予未来电力行业全新的运行模式与发展机制。根据(X)2的捕集流程和实现原理的不同，目前碳捕集电厂的碳捕集技术可分为燃烧后碳捕集技术、燃烧前碳捕集技术、富氧燃烧技术等。其中，燃烧后碳捕集技术直接从电厂燃烧后产生的烟气中进行CO2的捕集和分离，适用范围广，对已有电厂继承性好，几乎不影响上游发电设备的燃烧过程。从目前的技术成熟水平和发展现状来看，燃烧后碳捕集电厂无论在理论研究还是工程实践中都占据着主流地位，也正是本发明的主要应用对象。典型的采用化学吸收法的燃烧后碳捕集电厂的主要结构如
图1所示，包括由锅炉 21、高压透平22、中压透平23、低压透平M和25、发电机沈组成的蒸汽发电系统和由吸收塔4、解析塔12、引风机2、烟气冷却器3、富液泵6、贫富液热交换器7、贫液泵8、冷凝器9、 水洗单元10、再沸器13、水泵15、气液分离罐16、冷凝器17及(X)2压缩机18组成的碳捕集系统。其中，锅炉21、高压透平22、中压透平23、低压透平M和25、发电机沈依次相连；吸收塔4分别与烟气冷却器3、富液泵6、冷凝器9、水洗单元10相连；引风机2与烟气冷却器 3相连；贫液泵8与冷凝器9相连；贫富液热交换器7分别与富液泵6、贫液泵8、再沸器13 及解析塔12相连；解析塔12分别与贫富液热交换器7、再沸器13、水泵15及冷凝器17相连；气液分离罐16分别与水泵15、冷凝器17及CO2压缩机18相连；再沸器13与中压透平 23和低压透平M、25之间的蒸汽管道20相连。燃烧后碳捕集系统工作流程为从电厂蒸汽发电系统排出的烟气1经过烟气冷却器3冷却后，从底部进入吸收塔4，吸收剂从塔顶部喷淋，在40-60°C的温度下与烟气逆流发生吸收反应，CO2在塔内被化学吸收剂所捕获。接着，烟气经过水洗单元10以回收被烟气带出的吸收剂并保持塔内水的平衡，经过处理后的尾气11则直接从塔顶排出。而吸收塔4 底部的富含(X)2的吸收剂溶液(称之为“富液”)，经富液泵6和贫富液热交换器7送至解析塔12进行解析使吸收剂再生。在解析过程中，通过再沸器13提供一定的热能升高富液的
1温度(典型值为100-140°C )，使吸收反应逆向进行，从而实现(X)2的分离和吸收剂的再生。 再沸器13提供的热能占据了燃烧后碳捕集能耗(不含压缩能耗)的80%以上，主要通过在蒸汽发电系统的中压透平23与低压透平M和25之间抽取一定量的蒸汽来获得所需能量。 再生后的吸收液(称之为“贫液”)则通过贫富液热交换器7和冷凝器9降低温度，最终返回吸收塔4完成溶液的循环利用。现有的燃烧后碳捕集电厂的控制方法大多仅针对碳捕集电厂的静态运行方式，即认为电厂的碳捕集系统一直运行在与发电功率相匹配的额定状态之下，可调节量只有发电功率，而碳捕集系统运行状态不可灵活调节。因而，现有的燃烧后碳捕集电厂控制方法与传统火电厂的控制方法基本一致，而没有考虑燃烧后碳捕集电厂与常规火电厂的本质区别和关键特征，没有考虑燃烧后碳捕集电厂自身的电碳关联机制和动态调控特性，也没有考虑低碳环境等外部因素的影响和作用。而事实上，燃烧后碳捕集电厂具有灵活运行的潜力。 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)叙述和论证了燃烧后碳捕集电厂的灵活运行机制的潜力，但仍停留在定性分析阶段，没有形成基于灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂的控制方法；本申请人在2010年6月 11日申请的一项中国发明专利(陈启鑫，康重庆，夏清.燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统及电碳协调的控制方法.公开号101856590[P]. 2010-10-13)中考虑了燃烧后碳捕集电厂的灵活运行机制，提出了一种电碳协调的运行控制方法，该方法采用等效发电功率、CO2吸收速率和(X)2分解速率作为控制变量，但是该方法仅针对于燃烧后碳捕集电厂的单独一种灵活运行模式，而且其理论模型和控制方法不够系统和全面，比如缺乏对等效(X)2捕集效率的调节手段和优化控制等。因此，需要一套更为系统和全面的基于燃烧后碳捕集电厂灵活运行机制的控制方法，包括燃烧后碳捕集电厂在不同灵活运行模式下的设备协调控制和运行优化控制，以实现对燃烧后碳捕集电厂的运行机制与调控性能的辨识和优化，并提升燃烧后碳捕集电厂的运行效益。
发明内容
本发明的目的是克服现有的燃烧后碳捕集电厂的运行技术与控制方法的不足，提出基于不同灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法，实现燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制和运行优化控制，并带来显著的效益提升空间。本发明提出的基于第一种灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法，其特征在于，包括对燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造、设备协调控制和运行优化控制三部分1)燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造，具体包括在常规燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统中的吸收塔底部与贫液泵出口之间以及吸收塔底部与富液泵入口之间分别装设溶液支管道，并在两溶液支管道中分别装设一个富液分流阀门，以控制从吸收塔底部出来的富液的流向和分流比例；同时，在再沸器与蒸汽发电系统之间的蒸汽管道中以及低压透平入口处的蒸汽管道中分别装设一个速率调节阀门， 使得可以自由调节为再沸器供热所抽取的蒸汽的速率；此外，增大低压透平以及发电机的设计容量，使该容量与蒸汽发电系统处于额定状态而碳捕集系统关闭时的工况相匹配；2)燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制，具体包括
设置第一种灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备控制变量，分别为等效发电功率Pe、富液分流比λκ和再沸器热功率因子其中，等效发电功率Pe定义为发电机组净发电功率ΡΝ、厂用电功率P τ以及碳捕集等效能耗的总和；富液分流比λ R定义为进入解析塔的富液流率与从吸收塔出来的富液流率的比值；再沸器热功率因子‘定义为实际再沸器热功率Qkeb与使得等效(X)2捕集效率 α CAP为基准值C^p所需的再沸器热功率的比值；该灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制包括以下步骤2-1)通过调节等效发电功率Pe控制燃烧后碳捕集电厂整体运行指标的基准值 首先确立各整体运行指标的基准值目标，据此确立等效发电功率Pe的目标值，然后控制蒸汽发电系统的燃料投入速度使其与该目标值对应，并同步协调控制锅炉、汽轮机和发电机的工况以与当前燃料投入速度匹配，从而实现通过调节等效发电功率Pe控制整体运行指标的基准值；2-2)通过调节富液分流比λ 1；控制碳捕集系统的瞬时CO2捕集速率Ecap 通过调节富液分流阀门使富液分流比λ 1；在0-100(%之间连续调节，同时同步调节蒸汽速率阀门控制抽取蒸汽的速率使再沸器热功率因子‘=1，从而实现对碳捕集系统的瞬时(X)2捕集速率 Ecap的控制；2-3)通过调节再沸器热功率因子‘控制等效(X)2捕集效率α CAP 在完成等效发电功率Pe和富液分流比λκ的调节并使得再沸器热功率因子‘=1后，调节蒸汽速率阀门对再沸器热功率因子‘再进行士 10 %范围内的微调，从而实现对碳捕集系统的等效(X)2 捕集效率α CAP的控制，使其在基准值近根据需求上下调节；3)燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制，具体包括以下步骤3-1)确立燃烧后碳捕集电厂运行优化模型在决策周期T内各个时段t的决策变量，分别为等效发电功率Pe,t、富液分流比λK,t、再沸器热功率因子^；和启停控制变量It，
t = 1J 2. . . T ；其中启停控制变量It的取值为0或1，It = 0表示停机，It = 1表示开机；3-2)确立燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内各个时段的运行状态变量，建立运行状态变量与决策变量的关联(I) CO2捕集速率Egap, t，其表达式为
权利要求
1.基于第一种灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法，其特征在于，包括对燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造、设备协调控制和运行优化控制三部分1)燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造，具体包括在常规燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统中的吸收塔底部与贫液泵出口之间以及吸收塔底部与富液泵入口之间分别装设溶液支管道，并在两溶液支管道中分别装设一个富液分流阀门，以控制从吸收塔底部出来的富液的流向和分流比例；同时，在再沸器与蒸汽发电系统之间的蒸汽管道中以及低压透平入口处的蒸汽管道中分别装设一个速率调节阀门，使得可以自由调节为再沸器供热所抽取的蒸汽的速率；此外，增大低压透平以及发电机的设计容量，使该容量与蒸汽发电系统处于额定状态而碳捕集系统关闭时的工况相匹配；2)燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制，具体包括设置第一种灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备控制变量，分别为等效发电功率 Pe、富液分流比λ κ和再沸器热功率因子其中，等效发电功率Pe定义为发电机组净发电功率IV厂用电功率Ρτ以及碳捕集等效能耗PCCS-EQ的总和；富液分流比XkS义为进入解析塔的富液流率与从吸收塔出来的富液流率的比值；再沸器热功率因子‘定义为实际再沸器热功率Qkeb与使得等效(X)2捕集效率α CAP为基准值C^p所需的再沸器热功率G^5的比值；该灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制包括以下步骤2-1)通过调节等效发电功率Pe控制燃烧后碳捕集电厂整体运行指标的基准值首先确立各整体运行指标的基准值目标，据此确立等效发电功率Pe的目标值，然后控制蒸汽发电系统的燃料投入速度使其与该目标值对应，并同步协调控制锅炉、汽轮机和发电机的工况以与当前燃料投入速度匹配，从而实现通过调节等效发电功率Pe控制整体运行指标的基准值；2-2)通过调节富液分流比λ 1；控制碳捕集系统的瞬时CO2捕集速率Ecap:通过调节富液分流阀门使富液分流比λ 1；在0-100(%之间连续调节，同时同步调节蒸汽速率阀门控制抽取蒸汽的速率使再沸器热功率因子‘=1，从而实现对碳捕集系统的瞬时CO2捕集速率Ε。αρ& 控制；2-3)通过调节再沸器热功率因子‘控制等效CO2捕集效率Cifflp在完成等效发电功率Pe和富液分流比λ κ的调节并使得再沸器热功率因子‘=1后，调节蒸汽速率阀门对再沸器热功率因子‘再进行士 10%范围内的微调，从而实现对碳捕集系统的等效CO2捕集效率α CAP的控制，使其在基准值近根据需求上下调节；3)燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制，具体包括以下步骤3-1)确立燃烧后碳捕集电厂运行优化模型在决策周期T内各个时段t的决策变量，分别为等效发电功率Pe, t、富液分流比λ K,t、再沸器热功率因子^；和启停控制变量It，t = 1 2. . . T ；其中，启停控制变量It的取值为0或1，It = 0表示停机，It = 1表示开机；3-2)确立燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内各个时段的运行状态变量，建立运行状态变量与决策变量的关联(I)CO2捕集速率Ecap, t，其表达式为
2.基于第二种灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法，其特征在于，包括对燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造、设备协调控制和运行优化控制三部分1)燃烧后碳捕集电厂的设备结构改造，具体包括在常规燃烧后碳捕集电厂的碳捕集系统的烟气入口处装设烟气直排通道，并在直排通道入口处和引风机入口处分别装设烟气旁路阀，使得可以灵活控制直排烟气与进入碳捕集系统的烟气的比例；其次，在富液泵入口侧装设富液存储器，并装设相应的富液存储器连接管道和富液存储器控制阀门，在贫液泵出口侧装设贫液存储器，并装设相应的贫液存储器连接管道和贫液存储器控制阀门，使得可以协调控制溶液在富液存储器和贫液存储器中的流向和流速；同时，在再沸器与蒸汽发电系统之间的蒸汽管道中以及低压透平入口处的蒸汽管道中分别装设速率调节阀门，使得可以自由调节为再沸器供热所抽取的蒸汽的速率； 此外，增大低压透平以及发电机的设计容量，使该容量与蒸汽发电系统处于额定状态而碳捕集系统关闭时的工况相匹配；并增大贫富液热交换器、解析塔和(X)2压缩机的设计容量， 使该容量与蒸汽发电系统处于额定状态而碳捕集系统处于最高(X)2捕集速率状态时的工况相匹配；2)燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制，具体包括设置第二种灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备控制变量，分别为等效发电功率 Pe、烟气分流比入8和解析速率因子其中，等效发电功率Pe定义为发电机组净发电功率IV厂用电功率Ρτ以及碳捕集等效能耗Pccs-EQ的总和；烟气分流比λs定义为进入碳捕集系统的烟气流率与蒸汽发电系统产生的烟气总流率的比值；解析速率因子 定义为实际解析速率Vstk与将当前蒸汽发电系统产生的烟气全部通入碳捕集系统且溶液存储器处于平衡状态时所对应的解析速率值比值；该灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制包括以下步骤2-1)通过调节等效发电功率Pe控制燃烧后碳捕集电厂整体运行指标的基准值首先确立各整体运行指标的基准值目标，据此确立等效发电功率Pe的目标值，然后控制蒸汽发电系统的燃料投入速度使其与该目标值对应，并同步协调控制锅炉、汽轮机和发电机的工况以与当前燃料投入速度匹配，从而实现通过调节等效发电功率Pe控制整体运行指标的基准值；2-2)通过调节烟气分流比入3控制碳捕集系统的平均0)2捕集速率E。AP_AVA 根据需求调节烟气旁路阀使烟气分流比λ 3在0-100%之间连续调节，从而实现对碳捕集系统的平均 CO2捕集速率ECAP-AVA 的控制；2-3)通过调节溶液存储器的状态控制碳捕集系统的瞬时(X)2捕集速率Ε。αρ同步调节富液存储器控制阀门和贫液存储器控制阀门，使碳捕集系统根据需求工作在存储平衡状态、高瞬时CO2捕集速率状态和低瞬时(X)2捕集速率状态这三种状态之一，从而实现对碳捕集系统的瞬时(X)2捕集速率Ε。αρ的控制；3)燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制，具体包括以下步骤3-1)确立燃烧后碳捕集电厂运行优化模型在决策周期T内各个时段t的决策变量， 分别为等效发电功率Pe, t、烟气分流比λ s,t、解析速率因子G和启停控制变量It，t = 1，3-2)确立燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内各个时段的运行状态变量，建立运行状态变量与决策变量的关联(I)CO2捕集速率ECAP，t，其表达式为
全文摘要
本发明公开了基于不同灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法，属于电厂运行与控制技术领域。该方法包括通过调节等效发电功率控制电厂整体运行指标的基准值，通过调节烟气分流比控制平均CO2捕集速率，通过调节富液分流比或溶液存储器控制瞬时CO2捕集速率，通过调节再沸器热功率因子控制等效CO2捕集效率；建立燃烧后碳捕集电厂在不同灵活运行模式下的运行优化模型，求解模型并实施控制，同时对比设备控制变量和运行状态变量的理论值和实际值，在出现偏差时更新初始条件并重新求解剩余时段的运行控制策略，直至完成决策周期内全部时段的运行优化控制。本方法可实现燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制和运行优化控制，并带来显著的效益提升空间。
文档编号C01B31/20GK102502631SQ201110294410
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者夏清, 季震, 康重庆, 陈启鑫 申请人:清华大学