专利名称：控制动力设备的二氧化碳捕捉系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制包括二氧化碳捕捉系统的动力设备的方法。
背景技术：
当今世界使用的大部分能量都来源于含有碳和氢的燃料(诸如煤、石油和天然气以及其它有机燃料)的燃烧。这种燃烧会产生含有高水平的二氧化碳的烟道气。由于关于全球变暖的考虑的原因，减少对大气排放二氧化碳的需求增加，这就是为什么已经开发出在气体释放到大气中之前从烟道气中移除二氧化碳的方法。已经提出了用于从烟道气中移除二氧化碳的系统，并且该系统包括使烟道气与氨化的或与氨化合的吸收剂溶液接触，以允许吸收剂溶液从烟道气中捕捉二氧化碳。
发明内容
本发明的目标在于改进对包括二氧化碳捕捉系统的动力设备的控制。根据一方面，这个目标以及根据以下论述而明确的其它目标由一种控制动力设备的方法实现，该动力设备包括动力设备锅炉，其适于燃烧有机燃料，以及适于产生蒸汽和包含二氧化碳的过程气体；蒸汽系统，其适于利用所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分的能含量的至少一部分；以及二氧化碳捕捉系统，其适于通过这样来从所述过程气体的至少一部分中移除二氧化碳的至少一部分使二氧化碳吸收剂溶液与过程气体接触，使得来自动力设备锅炉中产生的所述过程气体的二氧化碳被二氧化碳吸收剂捕捉，从而使二氧化碳吸收剂富含二氧化碳，该方法包括将动力设备锅炉所产生的蒸汽的再生器部分转送到二氧化碳捕捉系统的再生器；当吸收剂溶液富含二氧化碳时，通过借助于转送的蒸汽加热所述二氧化碳吸收剂溶液以使吸收剂溶液贫含二氧化碳来在所述再生器中使吸收剂溶液至少部分地再生；以及借助于至少一个自动控制器来自动地控制碳捕捉系统的运行。因此通过以下两者来将二氧化碳捕捉系统集成到动力设备中使二氧化碳捕捉系统从来自锅炉的过程气体中移除二氧化碳，以及将来自所述锅炉的蒸汽转送到二氧化碳捕捉系统的再生器。通过在动力设备中集成二氧化碳捕捉系统，二氧化碳捕捉系统的运行可更好且更容易地适合动力设备的其余部分的运行和要求。而且，可更容易地观测和控制整个动力设备(包括二氧化碳捕捉系统)的动力输出。通过使用来自动力设备锅炉的蒸汽来使吸收剂溶液再生，不需要单独的热源来加热吸收剂溶液，从而简化动力设备设计。还注意到，利用例如电加热器来使吸收剂溶液再生所需的动力可大于将锅炉产生的蒸汽的一部分转送到再生器所造成的动力生产的损失。通过使吸收剂溶液再生，S卩，从溶液中移除二氧化碳，从而使溶液关于二氧化碳是不饱和或贫的，可在二氧化碳捕捉系统中重新使用吸收剂溶液来从过程气体中移除二氧化碳。通过借助于至少一个自动控制器(诸如朝向固定的设定点运行的PID控制器)来自动地控制二氧化碳捕捉系统的运行的至少一部分，可促进对运行的控制，从而减少对手动地控制系统的运行的需要。可通过蒸汽系统来将再生器蒸汽部分从动力设备锅炉的转送到二氧化碳捕捉系统的再生器。这意味着除了再生器之外，部分蒸汽还可由蒸汽系统使用，从而减少对动力设备的总蒸汽生产需要。二氧化碳捕捉系统的运行可由多个自动控制器自动地控制，即，不只是由一个自动控制器控制。这可促进提高对系统的自动控制，而且也可提高系统对动力设备的其余部分的适应性。利用多个自动化的控制器，控制可更加准确，并且可精细地调整。多个控制器也可由自动的主控制器控制。这意味着可以较高的水平联合地控制多个控制器，从而允许控制器共同且彼此相关地运行。 至少一个控制器可为布置成优化动力设备的整体运行的优化系统的一部分。这意味着二氧化碳捕捉系统可与动力设备的其余部分相关地运行，以便在总体上加强动力设备的运行。例如可通过不断地计算设定点以及将设定点分配给至少一个控制器来执行优化。在运行参数或与动力设备的运行有关的其它条件随着时间的过去而改变时，通过重新计算设定点以及将设定点重新分配给控制器，可自动地控制二氧化碳捕捉系统的运行，并且二氧化碳捕捉系统的运行也适于整个动力设备的运行。例如可通过使用稳态优化或者通过使用动态优化来优化动力设备的运行。可以离线或在线的方式优化动力设备的运行。可通过单独地、按顺序地或联合地优化二氧化碳捕捉系统和/或动力设备的其它部分(诸如蒸汽系统和/或锅炉)来优化动力设备的运行。可基于选自下者组成的组的至少一个变量的目标函数的最小化来优化动力设备的运行与动力设备的运行有关的操纵变量、受控变量和干扰变量，并且/或者可基于微分对策和/或庞特里亚金(Pontryagin)极小值原理来优化动力设备的运行。可关于动力设备的最大动力输出来优化包括二氧化碳捕捉系统的动力设备的运行，同时将二氧化碳捕捉保持在规定的水平处。该水平可为每时间单位或每过程气体体积单位捕捉到的二氧化碳的规定的总量，或者进入二氧化碳捕捉系统的过程气体的捕捉到的二氧化碳的百分比，或者离开二氧化碳捕捉系统的过程气体的二氧化碳浓度。因而可最大程度地提高动力输出，同时仍然保证不超过例如政府规定的最大二氧化碳排放。可优化包括二氧化碳捕捉系统的动力设备的运行，使得该优化包括动力设备的动力输出和二氧化碳捕捉水平之间的权衡。这意味着可基于例如出售产生的能量和捕捉到的二氧化碳的收入相对于例如将二氧化碳排放到大气的政府费用的成本来优化设备的总盈利。至少一个控制器可控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量。至少一个控制器可至少部分地基于与进入再生器的吸收剂溶液流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量，与进入再生器的吸收剂溶液流的属性有关的所述测量值由控制器自动地接收。因而控制器可基于从动力设备的另一个部分获得的值来控制转送到再生器的蒸汽量，所述值与使吸收剂溶液再生所需的蒸汽量有关。这可为前馈控制器。
备选地或另外，至少一个控制器可至少部分地基于与来自动力设备锅炉的过程气体流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量，与来自动力设备锅炉的过程气体流的属性有关的所述测量值由控制器自动地接收。这可为前馈控制器。备选地或另外，至少一个控制器可至少部分地基于与再生器内部的或离开再生器的富含二氧化碳的气体流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量，与再生器内部的或离开再生器的富含二氧化碳的气体流的属性有关的至少一个变量的所述测量值由控制器自动地接收。这可为反馈控制器。可用多个自动控制器来控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量。这些控制器可为上面论述的控制器中的一个或若干个，或者在控制转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量的方面有效的任何其它控制器。控制器可协作，以控制转送的蒸汽量。转送的蒸汽量因而可取决于动力设备中的多个不同的位置处的多个不同的度量，借此蒸汽量可更精确地适于动力设备的运行。
转送到再生器的蒸汽的再生器部分的至少一部分可作为给水回到动力设备锅炉。因而，蒸汽或蒸汽的冷凝物可在锅炉中重新用来产生新的蒸汽，从而提高动力设备的自足性，以及减少废水的量。这也促进二氧化碳捕捉系统在动力设备中的整体集成性。二氧化碳捕捉系统可包括吸收器组件，其中过程气体与提供给吸收器组件的吸收剂溶液量接触，借此吸收器组件中的吸收剂溶液从过程气体中捕捉二氧化碳。吸收器组件可布置成促进过程气体和吸收剂溶液之间的接触。吸收剂布置可包括一个或多个吸收器。至少一个控制器可至少部分地基于与过程气体流(该流正离开吸收器组件)的属性有关的至少一个变量的测量值来控制提供给吸收器组件的吸收剂溶液量，与过程气体流的属性有关的至少一个变量的所述测量值被控制器自动地接收。离开吸收器组件的过程气体流可比进入吸收器组件的过程气体具有更低的二氧化碳含量，因为吸收剂溶液可能已经从过程气体中捕捉了二氧化碳。上面关于构想的许多不同的自动控制器所论述的至少一个变量可为例如蒸汽、过程气体和/或吸收剂溶液的相应的测量流的流率、温度、压力和二氧化碳浓度中的一个或若干个。至少一个控制器可控制从动力设备锅炉转送出的、为了加热馈送给锅炉的锅炉给水而提供的蒸汽的给水加热部分的量，该控制以转送到再生器的蒸汽的再生器部分的量为基础。基于转送到再生器的蒸汽量，因而可控制用来加热锅炉给水的蒸汽量。例如在通往再生器的蒸汽和用于加热锅炉给水的蒸汽之间有固定的比可为方便的。因而，如果转送到再生器的蒸汽量增加，则为了加热锅炉给水而提供的蒸汽量也可增加。至少一个控制器可通过基于为了加热馈送给所述锅炉的锅炉给水而从动力设备锅炉中转送出的蒸汽量而改变从中压涡轮到低压涡轮的蒸汽的流率以及从而改变蒸汽的压力，来控制中压蒸汽轮机和低压蒸汽轮机之间的中压/低压交叉部处的背压。在蒸汽流已经传送通过蒸汽系统的至少一个蒸汽轮机之后，允许蒸汽的再生器部分的量的至少一部分被从蒸汽流中虹吸出可为方便的。因而在锅炉所产生的蒸汽被虹吸到再生器之后，借助于动力设备蒸汽系统中的一个或多个涡轮，该蒸汽可首先用来来产生动力。这同样可适用于为了加热锅炉给水而提供的任何蒸汽部分。
转送到再生器的蒸汽的再生器部分可为具有任何压力和温度的、直接或间接地来自锅炉的任何蒸汽。转送到再生器的蒸汽可为例如中压蒸汽或低压蒸汽，或者中压蒸汽和低压蒸汽的混合物。这意味着蒸汽在转送到再生器之前可能已经被用来在一个或多个涡轮中产生动力，因而蒸汽不是高压蒸汽。但是，也可单独地或与中压蒸汽和/或低压蒸汽结合起来使用高压蒸汽。动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分可在动力设备冷凝器中冷凝，从而产生冷凝物，其中，冷凝物的至少一部分可转送到热交换器，以冷却来自二氧化碳捕捉系统的再生器的富含二氧化碳的气体流，在此之后，冷凝物部分可作为给水回到锅炉。通过利用冷凝物部分来冷却由于吸收剂溶液的再生而产生的富含二氧化碳的气体流，即离开吸收剂溶液的二氧化碳，包括二氧化碳捕捉系统的动力设备的集成性和能量效率额外地得到增加。转送到热交换器冷凝物部分的量可由至少一个自动控制器自动地控制。根据另一个方面，本目标由一种动力设备实现，其包括动力设备锅炉，其适于燃烧有机燃料，以及适于产生蒸汽和包含二氧化碳的过程气体；蒸汽系统，其适于利用所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分的能含量的至少一部分；以及二氧化碳捕捉系统， 其适于通过这样来从所述过程气体中移除二氧化碳的至少一部分使二氧化碳吸收剂溶液与过程气体接触，使得来自动力设备锅炉中产生的所述过程气体的二氧化碳被二氧化碳吸收剂捕捉，从而使二氧化碳吸收剂富含二氧化碳，二氧化碳捕捉系统包括布置成促进过程气体和吸收剂溶液之间的接触的吸收组件，其中，吸收组件连接到动力设备上，使得锅炉所产生的过程气体的至少一部分可从动力设备转送到吸收组件；再生器，其布置成使吸收剂溶液再生，使得通过从吸收剂溶液中移除二氧化碳来使富含捕捉到的二氧化碳的吸收剂溶液至少部分地再生，其中，再生器连接到动力设备上，使得锅炉所产生的蒸汽的至少再生器部分可从动力设备转送到再生器；以及布置成控制二氧化碳捕捉系统的运行的自动控制器。使用这个其它方面的动力设备来执行上面论述的方法可为方便的。与该方法有关的以上论述在可适用的部分方面也与动力设备有关。参照了那个论述。
现在将参照附图来论述目前优选的实施例，其中
图I是示出了根据本发明的实施例的方法的步骤的示意性工艺流程图。图2是根据本发明的实施例的动力设备的示意性正视图。图3是根据本发明的实施例的优化系统的不同的水平的示意图。
具体实施例方式当将吸收剂溶液称为“贫”时，例如当接触二氧化碳捕捉系统中的过程气体时，或者在再生之后，这意味着关于二氧化碳，吸收剂溶液是不饱和的，并且因而吸收剂溶液可从过程气体中捕捉较多二氧化碳。当将吸收剂溶液称为“富”时，例如在接触二氧化碳捕捉系统中的过程气体时，或者在再生之前，这意味着吸收剂溶液是饱和的，或者至少几乎是饱和的，或者关于二氧化碳而过饱和，并且因而吸收剂溶液在能够从过程气体中捕捉任何较多的二氧化碳之前可能需要再生，或者二氧化碳可沉淀为固体盐。吸收剂溶液可为能够从过程气体中捕捉二氧化碳的任何溶液，诸如氨化溶液或胺化溶液。可通过使吸收剂溶液吸收或溶解任何形式(诸如呈溶解的分子CO2或溶解盐的形式)的CO2来实现用吸收剂溶液从过程气体中捕捉co2。动力设备包括连接系统的不同的部分的管道，并且动力设备布置成允许蒸汽、吸收剂溶液、过程气体等分别如需要的那样在动力设备内流动。管道可包括适于控制流量的阀、泵、喷嘴、热交换器等。蒸汽系统可包括联结到一个或多个用于产生功率的发电机上的一个或多个蒸汽轮机。使用设计成在不同的蒸汽压力处运行的至少三个串联联结的涡轮可为方便的。这些涡轮分别可称为高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮。在传送通过低压涡轮之后，蒸汽可在动力设备的冷凝器中冷凝。在传送通过高压涡轮之前，来自锅炉的蒸汽典型地可具有150巴-350巴的压力。在高压涡轮和中压涡轮之间的蒸汽称为高压蒸汽，并且典型地可具有62巴-250巴的压力。在中压涡轮和低压涡轮之间的蒸汽称为中压蒸汽，并且典型地可具有5巴_62巴的压力(诸如5巴-10巴)和在154°C和TlTC (310 ° 和530 0F )之间的温度。在经过低压涡轮之后的蒸汽称为低压蒸汽，并且典型地可具有0.01巴-5巴的压力(诸如3巴-4巴)和在135°C和143°C (275 ° 和290 0F )之间的温度。如上面论述的那样，关于二氧化碳捕捉系统与动力设备的其它部分的相互作用，提出的动力设备在热方面是高度集成的。这可降低二氧化碳捕捉系统的能量消耗，并且从而增加动力设备的总的动力产生。此集成还意味着二氧化碳捕捉系统可与动力设备的其余部分一起受控制。因而，可在整体控制策略中考虑动力设备的其它部分的运行对二氧化碳捕捉系统运行的影响，以及相反。控制策略可以下者为基础应用过程模型来计算二氧化碳捕捉系统、动力设备的其它部分(诸如蒸汽循环)或两者的运行参数、轨迹或运行设定点。这些技术可以二氧化碳捕捉系统、动力设备的其它部分或两者的稳态或动态模型为基础。这些模型可为综合性的全范围模型或局部模型，例如仅反映二氧化碳捕捉系统、动力设备的其它部分之间的主要相互作用的模型。可使用设备级控制系统(PCS)。在这个优化系统中，开发了整个动力设备或其部分的数学模型。特别地，这些模型可复制对整个设备的安全和可靠运行而言重要的特性。另夕卜，建模技术可为(但不限于)基于基本原理的建模方法或数据驱动式建模方法，包括(但不限于)人工神经网络、自回归移动平均(诸如有限脉冲响应模型，或者甚至基于一些条件的模型)或混合建模策略。模型包括不同类别的变量。操纵变量用来控制设备的行为。它们包括控制输入(诸如阀行程、质量流量、旋转速度等)和可改变的参数，诸如控制回路的参数。典型的操纵变量为
二氧化碳捕捉系统
I)再生器蒸汽流量，2)贫吸收剂溶液流率，3)通往贫冷却器的冷却水流率，4)用来冷却CO2压缩系统中的富含CO2的流的冷凝物流率。
动力设备的动力产生部分
I)燃料质量流量，2)蒸汽质量流量，3)给水流量，4)蒸汽集管的压力水平的设定点，5)蒸汽集管的温度水平的设定点。受控变量是需要被控制在某些运行极限内的变量或其函数。典型的受控变量为 二氧化碳捕捉系统
1)C02吸收效率，2)再沸器热任务/IP/LP蒸汽流量，3)跨过吸收系统的压降，4) IP蒸汽压力，5)在再生器的顶上回收的CO2的温度，6)在不同的压缩级的入口处的富含CO2的流的温度。动力设备的动力产生部分
I)动力输出，2)在诸如蒸汽集管的各种位置处的蒸汽压力和温度，3)蒸汽抽取流量。干扰变量是用作设备的不可控输入的变量。典型的干扰变量为
二氧化碳捕捉系统·
I)烟道气中的CO2浓度，2)在二氧化碳捕捉系统的入口处的烟道气的温度。动力设备的动力产生部分
I)环境条件，2)燃料质量，3)由于老化而引起的构件特性的变化，诸如传热系数的变化，4)由于电网干扰而造成的计划外的负荷改变，诸如频率变化、甩负荷等。将通过使用基于比例-积分-微分(PID)控制器(诸如级联控制器或比值控制器等)的许多高级控制方案来实施设备级控制系统的特定实施例。可与前一段的实施例组合的设备级控制系统的另一个实施例是使用过程模型以及稳态或动态优化来计算过程的最佳运行参数。优化程序可以操纵变量、受控变量以及可选地对附属于上面描述的模型所表达的设备动态特性的干扰变量和/或其它未知参数的估计值的目标函数的最小化为基础。目标函数典型地处罚相对于固定的运行条件和/或从给定的初始条件达到某个设备条件的预先定义的轨迹和/或时间和/或燃料消耗量、CO2产生量等的偏差。可或者以离线的方式或者以在线的方式执行优化程序。它也可包括允许估计例如可用于使设备动态特性稳定的未知参数的特征，以便实现优化目标，例如使目标函数最小化。优化程序可单独地、按顺序地或者共同地应用于或者二氧化碳捕捉系统或者动力设备的任何其它部分，诸如锅炉和/或蒸汽循环。具体而言，它也可由二氧化碳捕捉系统和设备的其它部分之间的微分对策组成，并且/或者它可以庞特里亚金的极小值原理为基础。优化程序的特殊实施例以模型预测控制为基础，模型预测控制基于在到未来的某个时间范围内预测的设备输出来使目标函数最小化。现在将参照图I来论述根据本发明的控制动力设备的目前优选的方法。在步骤I中，动力设备锅炉燃烧有机燃料，以使水沸腾，以及产生蒸汽。蒸汽通过管道而转送到蒸汽循环，蒸汽循环包括用于产生功率、发电的蒸汽轮机，并且有机燃料燃烧而产生的烟道气通过管道而转送到气体清洁系统，在气体清洁系统中，含有颗粒、硫和氮的污染物等被从烟道气中移除，在此之后，清洁的烟道气被转送到二氧化碳捕捉系统，在其中，吸收剂溶液从烟道气中捕捉二氧化碳。在步骤2中，中压(IP)蒸汽和低压(LP)蒸汽的混合物被从蒸汽循环中虹吸出，并且被转送到二氧化碳捕捉系统的再生器。虹吸的蒸汽量由至少一个自动控制器自动地控制。在步骤3中，从蒸汽循环中转送出的热蒸汽与富含二氧化碳的吸收剂溶液交换热，该溶液在包括在再生器中的再沸器中借助于热交换器从烟道气中捕捉二氧化碳，借此蒸汽不与吸收剂溶液直接接触。在再生器中，使富含二氧化碳的吸收剂溶液沸腾，从而提供较纯的二氧化碳气体流，它被转送到压缩机供压缩和在后来存储。因而从吸收剂溶液中移除吸收剂溶液捕捉到的二氧化碳的至少大部分，从而产生不饱和的吸收剂溶液或贫吸收剂溶液，该溶液回到二氧化碳移除系统，以从经过的烟道气中捕捉更多二氧化碳。现在将参照图2来论述根据本发明的动力设备10的目前优选的实施例。动力设备10包括锅炉11、蒸汽循环12和二氧化碳捕捉系统13。
蒸汽循环12包括高压涡轮14、中压涡轮15和低压涡轮16，以及冷凝器17。来自锅炉的蒸汽将在膨胀和冷却期间依次传送通过涡轮14、15和16，在此之后，已经经过低压涡轮16的蒸汽将在冷凝器17中在低压处冷凝。来自冷凝器17的冷的冷凝物然后可作为锅炉给水转送向锅炉11，以重新用来产生蒸汽。在到达锅炉之前，锅炉给水将被两个锅炉给水加热器20加热，以降低锅炉11的加热负荷，在此之后，给水再次进入锅炉11，以完成蒸汽循环12。但是，来自冷凝器17的一些冷凝物在CO2压缩热交换器22中改为用作冷却介质，并且从而在作为锅炉给水回到蒸汽循环之前被加热，从而降低锅炉给水加热器20的加热负荷。根据本发明的这个实施例，在已经经过中压涡轮15之后但在进入低压涡轮16之前，一些蒸汽被虹吸而远离蒸汽循环。这个蒸汽部分地被作为加热介质转送到再生器再沸器21中，并且部分地被作为加热介质转送到锅炉给水加热器20中。由于在IP-LP交叉部处的背压确保将蒸汽供应到LP涡轮和再沸器两者，所以这个 压力得到保持，而不管LP给水加热器20的蒸汽流如何变化。通过对阀19起作用的压力控制器18来实现这一点。二氧化碳捕捉系统包括吸收器23，其中来自锅炉11的烟道气可接触吸收剂溶液，借此吸收剂溶液从烟道气中捕捉二氧化碳；再生器24，其中，可通过借助于再沸器21进行加热来使来自吸收器23的富含二氧化碳的吸收剂溶液再生，以提供贫含二氧化碳的吸收剂溶液以及富含二氧化碳的气体流，贫含二氧化碳的吸收剂溶液可回到吸收器23，富含二氧化碳的气体流可离开再生器24 ;以及二氧化碳压缩组件25。吸收器23布置成接纳来自锅炉11的烟道气和来自再生器的以及可选地来自新鲜的贫吸收剂溶液(未显示)的另一种贫吸收剂溶液源的二氧化碳未饱的和或贫含二氧化碳的吸收剂溶液。吸收剂溶液可在吸收器23中再循环。来自再生器24的贫溶液在进入吸收器23之前可被热交换器26和/或27冷却。在热交换器26中，贫溶液可被离开吸收器23且前往再生器24的富溶液冷却。在热交换器27中，贫溶液另外可被常规的冷却介质(诸如水)冷却。除了放出富吸收剂溶液之外，吸收器23还布置成放出贫含二氧化碳的烟道气，即在与吸收剂溶液接触之后的烟道气。这个贫烟道气离开动力设备10，并且例如可被放出到大气。反馈PID控制器28将用来控制吸收器23中的CO2捕捉量，即使进入吸收器23的烟道气量会改变。这个控制器28将基于例如离开吸收器23的烟道气的二氧化碳含量，通过对例如在热交换器26和27之间的贫溶液流的阀起作用来试图把进入吸收器23的贫吸收剂溶液和烟道气的比保持为设定值，典型地为设计值。 再生器24布置成接纳来自吸收器23的、已经传送通过热交换器26的富含二氧化碳的吸收剂溶液，并且布置成通过热交换器26和27来将贫含二氧化碳的吸收剂溶液放出到吸收器23，以及放出离开再生器24且进入二氧化碳压缩组件25的富含二氧化碳的气体流。再生器24包括再沸器21，再沸器21是热交换器，其中，如上面论述的那样，来自蒸汽循环的蒸汽用来加热被从吸收器23接纳到再生器24中的富含二氧化碳的吸收剂溶液。在这个加热期间，吸收剂溶液捕捉到的二氧化碳作为富含二氧化碳的气体或基本上纯的二氧化碳离开溶液，借此使吸收剂溶液再生，并且使其可回到吸收器23。鉴于动力设备10的整体运行，图2中显示的一个或若干个控制器30、31和32可用来控制馈送到再沸器21的蒸汽量。如果例如二氧化碳捕捉系统的烟道气负荷改变，进入再生器的富吸收剂溶液流也可具有不同的流量和/或不同的CO2组成。为了最大程度地降低再沸器消耗的能量，控制器30可基于进入再生器的富吸收剂溶液流来控制蒸汽流率。这将是前馈控制器30。对于控制器30备选地或额外地，可使用控制器32，控制器32使用通往吸收器23的烟道气流的度量来对通往再沸器21的蒸汽流进行前馈控制。为了对再生器中的溶液的再生提供经精调的控制，额外的控制器31，即反馈控制器31可基于再生器中的托盘温度来进一步调节通往再沸器的蒸汽流。待测温度可为离开再生器的或在再生器的任何中间级处的富含CO2的气体流的温度。正好在蒸汽流进入再沸器21之前，控制器30、31和32可对例如蒸汽流的阀33起作用，并且/或者在蒸汽流进入IP-LP交叉部之后，控制器30、31和32可对节流阀34起作用。在这个具体实施例中，控制器30和31对阀33起作用，而控制器32则对阀34起作用。二氧化碳压缩系统25包括上面论述的热交换器22以及压缩机35。压缩机35可压缩来自再生器的富含二氧化碳的气体流，以促进存储二氧化碳，二氧化碳可为基本上纯的。二氧化碳甚至可被压缩成液体形式。经压缩的二氧化碳离开动力设备10，并且例如可被出售或较永久地存储，以避免被排放到大气。参照图3，现在将论述根据本发明的目前优选的优化系统，该优化系统是本发明的设备级控制策略的实施。图3示意性显示了根据本发明的设备级优化系统(POS) 5的运行。PCS 6从动力设备内的不同的传感器7中获得有关的数据。基于这个数据，使用上面描述的过程模型和一些优化程序来计算各种操纵变量的输出，并且该输出被传递回促动器。PCS 6例如可为包括分布式控制系统(DCS)和可编程的逻辑控制器(PLC)的数据米集系统。图4中左边的箭头代表优化系统中的向上的过程数据流，而右边的箭头则代表优化系统的输出。示例 I
在下面描述使用PID控制器的设备级控制系统的特定示例
I.将使用简单的反馈PID控制器来控制CO2捕捉的量，而不管负荷如何变化。这个控制器将试图将进入吸收器的贫溶液和烟道气的比保持为设定值，典型地是设计值。
2.基于I中描述的控制器，进入再生器的富溶液流也将具有不同的流量和/或不同的CO2组成。为了最大程度地降低再沸器所消耗的能量，将基于进入CO2捕捉系统的烟道气的量来改变蒸汽流率。这将是前馈控制器。3.为了对再生器中再生的溶液提供经精调的控制，额外的控制器，即反馈控制器将基于再生器中的托盘温度来进一步调节通往再沸器的蒸汽流。待控制的温度可为离开再生器或在再生器中的任何中间级处的、待由试验设备实验针对给定的设计而确定的富含CO2的气体流的温度。4.这两个控制器共同形成可称为“具有反馈调整的前馈”的高级控制方案。前馈控制器在蒸汽流中提供主要变化，以便应对富吸收剂流中的变化，而反馈控制器则提供精调。5.由于在IP-LP交叉部处的背压确保蒸汽供应到LP涡轮和再沸器两者，所以这 个压力得到保持，而不管通往LP给水加热器的蒸汽流如何变化。通过实施压力控制器来实现这一点。6.将使用另一组PID反馈控制器来控制来自冷凝器的、用来冷却压缩区段中的富含CO2的流的流的流量。7.另外，这个示例也将具有用以保持流到吸收器等的贫溶液的温度的其它控制器。8.将基于各个动力设备过程来确定关于前馈回路、设计比等的计算。可认为或者基础的或者经验上的这些关系构成“过程模型”。示例 2
作为示例I的步骤2-4的代替或补充，备选方案将使用再沸器中的温度来操纵热任务。这将是较缓慢的回路，但却将对馈送流变化提供良好响应。示例 3
作为示例I或2的步骤2-4的代替或补充，另一个备选将使用烟道气流量信号作为前馈控制器的前馈，前馈控制器操纵通过在IP-LP交叉部之后的节流阀的蒸汽流。然后通过基于再生器中的托盘温度来进一步操纵通往再沸器的蒸汽流，可实现精细地调节从富吸收剂中移除CO2。示例 4
在下面介绍实施为模型预测性控制系统的设备级优化系统(POS)的典型示例。在这个特定的示例中，带着以下目标来运行POS
将CO2吸收保持在规定的水平处，同时
最大程度地减小由于从蒸汽循环中虹吸出蒸汽的原因而产生的二氧化碳捕捉系统对动力产生的寄生负荷。 最大程度地减小由于与二氧化碳捕捉系统热集成的原因而产生的对锅炉运行的干扰。I.考虑其中动力设备在“稳态”条件下运行的场景。2.由于一些无法预料的情况，设备负荷可有所改变。随着烟道气流率/设备负荷减小，烟道气中的CO2浓度和烟道气温度也改变。这些信号被发送到PCS，PCS基于变化的大小来采取措施。
3.控制系统在这种情况下运行的方式如下
a.随着设备负荷减小，PCS计算通往吸收器的贫吸收剂溶液流的最佳减少量，以便保持CO2吸收效率。这个最佳流率作为设定点被传送给贫吸收剂流控制器。b.同时，通往再生器的蒸汽流也减少，以便应对捕捉到的较少量C02。计算通往再生器的蒸汽流量的最佳设定点，并且将其提供给调整控制器。c.来自再生器的减少的冷凝物流将提高对加热锅炉给水(BFW)加热器的加热需求。PCS计算用于BFW加热器的IP/LP蒸汽的流量设定点，以便补偿减少的冷凝物流量。d.类似地，来自冷凝器的冷凝物流的温度在其与压缩系统中的较少的富含CO2的流交换热时也将降低。这也将提高对上面在(C)中提到的BFW加热器的加热要求。为了避免这一点，PCS将减少从冷凝器到压缩系统的冷凝物流量，从而确保对BFW加热器的加热要求没有增加或有较少的增加。 e.最后，PCS也将计算通往热交换器以冷却CO2捕捉系统中的贫吸收剂的冷却水流率的新设定点。f.由于PCS的目标之一是最大程度地减小寄生负荷，所以将使用表示CO2捕捉系统引起的整个寄生负荷的变量，并且优化器将试图通过改变操纵变量来最大程度地减小这个值。g.如之前提到的那样，将或者使用稳态模型和优化器或者使用动态模型和优化器或结合稳态优化和动态优化两者来完成所有计算。4.如在上面可看到的那样，在模型预测性控制表现中，POS操纵调整PID控制器的设定点而非改变实际值。示例中的自(操纵或干扰)变量和因(受控)变量如下
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权利要求
1.一种控制动力设备的方法，所述动力设备包括 动力设备锅炉，其适于燃烧有机燃料，以及适于产生蒸汽和包含二氧化碳的过程气体； 蒸汽系统，其适于利用所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分的能含量的至少一部分；以及 二氧化碳捕捉系统，其适于通过这样来从所述过程气体的至少一部分中移除所述二氧化碳的至少一部分使二氧化碳吸收剂溶液与所述过程气体接触，使得来自所述动力设备锅炉中产生的所述过程气体的二氧化碳被所述二氧化碳吸收剂捕捉，从而使所述二氧化碳吸收剂富含二氧化碳， 所述方法包括 将所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的再生器部分转送到所述二氧化碳捕捉系统的再生器； 当所述吸收剂溶液富含二氧化碳时，通过借助于所转送的蒸汽加热所述二氧化碳吸收剂溶液以使所述吸收剂溶液贫含二氧化碳来在所述再生器中至少部分地使所述吸收剂溶液再生；以及 借助于至少一个自动控制器来自动地控制所述碳捕捉系统的运行。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，通过所述蒸汽系统来将所述蒸汽从所述动力设备锅炉转送到所述二氧化碳捕捉系统的所述再生器。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳捕捉系统的运行由多个自动控制器自动地控制。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个控制器由自动的主控制器控制。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器是布置成优化所述动力设备的整体运行的优化系统的一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过不断地计算设定点以及将所述设定点分配给所述至少一个控制器来执行所述优化。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使用稳态优化来优化所述动力设备的运行。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使用动态优化来优化所述动力设备的运行。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述优化以选自下者组成的组的至少一个变量的目标函数的最小化为基础与所述动力设备的运行有关的操纵变量、受控变量和干扰变量。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述优化以微分对策和/或庞特里亚金极小值原理为基础。
11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，关于所述动力设备的最大动力输出来优化包括所述二氧化碳捕捉系统的所述动力设备的运行，同时将二氧化碳捕捉保持在规定的水平处。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述动力设备的运行的优化包括所述动力设备的动力输出和二氧化碳捕捉水平之间的权衡。
13.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器控制转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的量。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器至少部分地基于与进入所述再生器的所述吸收剂溶液的流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的量，与进入所述再生器的所述吸收剂溶液的流的属性有关的所述测量值由所述控制器自动地接收。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器至少部分地基于与来自所述动力设备锅炉的所述过程气体的流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的量，与来自所述动力设备锅炉的所述过程气体的流的属性有关的所述测量值由所述控制器自动地接收。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器至少部分地基于与所述再生器内部的或离开所述再生器的富含二氧化碳的气体流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的量，与在所述再生器内部的或离开所述再生器的富含二氧化碳的气体流的属性有关的至少一个变量的所述测量值由所述控制器自动地接收。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，多个自动控制器协作，以控制转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的量。
18.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分的至少一部分作为给水回到所述动力设备锅炉。
19.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳捕捉系统包括吸收器组件，在所述吸收器组件中，所述过程气体与提供给所述吸收器组件的吸收剂溶液量接触，借此所述吸收剂溶液从所述过程气体中捕捉二氧化碳。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制器至少部分地基于与正离开所述吸收器组件的所述过程气体的流的属性有关的至少一个变量的测量值来控制提供给所述吸收器组件的吸收剂溶液量，与所述过程气体的流的属性有关的至少一个变量的所述测量值由所述控制器自动地接收。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一个变量是流率、温度、压力和二氧化碳浓度中的一个或若干个。
22.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在蒸汽流已经传送通过至少一个蒸汽轮机之后，蒸汽的再生器部分的量的至少一部分被从所述蒸汽流中虹吸出。
23.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，转送到所述再生器的蒸汽的再生器部分是中压蒸汽或低压蒸汽，或者中压蒸汽和低压蒸汽的混合物。
24.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分在动力设备冷凝器中冷凝，从而产生冷凝物，所述冷凝物的至少一部分被转送到热交换器，以冷却来自所述二氧化碳捕捉系统的所述再生器的富含二氧化碳的气体流，之后，所述冷凝物部分作为给水回到所述锅炉。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，转送到所述热交换器的冷凝物部分的量由所述至少一个自动控制器自动地控制。
26.一种动力设备,包括 动力设备锅炉，其适于燃烧有机燃料，以及适于产生蒸汽和包含二氧化碳的过程气体； 蒸汽系统，其适于利用所述动力设备锅炉所产生的蒸汽的至少一部分的能含量的至少一部分；以及 二氧化碳捕捉系统，其适于通过这样来从所述过程气体中移除所述二氧化碳的至少一部分使二氧化碳吸收剂溶液与所述过程气体接触，使得来自所述动力设备锅炉中产生的所述过程气体的二氧化碳被所述二氧化碳吸收剂捕捉，从而使所述二氧化碳吸收剂富含二氧化碳，所述二氧化碳捕捉系统包括 布置成促进所述过程气体和吸收剂溶液之间的接触的吸收组件，其中，所述吸收组件连接到所述动力设备上，使得所述锅炉所产生的所述过程气体的至少一部分可从所述动力设备转送到所述吸收组件； 再生器，其布置成使所述吸收剂溶液再生，使得通过从所述吸收剂溶液中移除二氧化碳来使富含捕捉到的二氧化碳的吸收剂溶液至少部分地再生，其中，所述再生器连接到所述动力设备上，使得所述锅炉所产生的蒸汽的至少再生器部分可从所述动力设备转送到所述再生器；以及 布置成控制所述二氧化碳捕捉系统的运行的自动控制器。
全文摘要
一种控制动力设备(10)的方法，该动力设备(10)包括锅炉(11)，其适于燃烧有机燃料，以及适于产生蒸汽和包含二氧化碳的过程气体；蒸汽系统；以及二氧化碳捕捉系统(13)，其适于通过使二氧化碳吸收剂溶液与过程气体接触来从过程气体中移除二氧化碳的至少一部分，该方法包括将动力设备锅炉(11)所产生的蒸汽的一部分转送到二氧化碳捕捉系统(13)的再生器(24)；通过借助于转送的蒸汽加热所述二氧化碳吸收剂溶液来在所述再生器(24)中使吸收剂溶液再生；以及借助于至少一个自动控制器来自动地控制碳捕捉系统(13)的运行。本发明还涉及一种包括二氧化碳捕捉系统(13)的动力设备(10)。
文档编号F01K25/06GK102713166SQ201080062034
公开日2012年10月3日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年11月20日
发明者A.M.普菲菲尔, J.马尚, N.B.罕达加马, R.R.科特达瓦拉, S.赫普纳, V.S.沙布德 申请人:阿尔斯通技术有限公司