一种燃烧后碳捕集系统仿真建模方法与流程

本发明涉及工业仿真领域，尤其涉及基于运行数据和机理模型建立基于未知实际溶液的燃煤电站燃烧后碳捕集系统仿真建模方法。

背景技术：

1、人类工业活动导致的温室气体排放是导致全球气候变化的主要原因，燃煤发电机组的二氧化碳捕集和封存(ccs)技术是减少大气中温室气体排放和减缓气化变化的重要措施。目前，主要的碳捕集技术包括燃烧前碳捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后碳捕集。由于常规燃煤发电机组尾部烟气中的co2浓度较低(分压约为10-15kpa)，co2分离的难度较大，因此基于化学吸收法的燃烧后碳捕集技术，以其工作压力低、技术相对成熟等优点，成为当前燃煤电站碳捕集技术示范应用的主流。

2、由于燃煤发电机组需要深度灵活参与调峰，使得由锅炉尾部烟道排向碳捕集系统的烟气参数以及用于捕集系统吸收液再生的汽轮机抽汽参数频繁变化，从而影响了碳捕集系统的运行状态。因此，建立燃煤电站碳捕集系统的全工况动态仿真系统，是开展运行参数匹配优化、运行控制及故障处理的重要手段。

3、现有的燃煤电站燃烧后碳捕集系统建模和仿真方法多以机理建模方法为主，通过质量平衡、能量平衡、组分平衡以及反应方程和传质速率方程等，描述碳捕集过程中的物理化学过程，基本能够正确地反映系统各参数间的影响关系。但机理建模所需的设备结构参数和物性参数很多，难以准确和完整地获得。特别是，目前的机理模型都建立在吸收液配比和物性参数已知的基础上，当吸收液配比复杂或由于其它各种原因难以获得吸收液的性质参数时，仿真模拟计算无法进行。实际上，吸收液配比和物性参数的变化对碳捕集系统的运行也有影响。因此，如何根据实际运行数据获得可用于系统仿真建模所需的表征吸收液性质的参数，对于建立既体现过程机理，又与实际运行数据吻合的燃煤电站燃烧后碳捕集系统全工况动态仿真模型具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种燃烧后碳捕集系统仿真建模方法，尤其是燃煤电站燃烧后碳捕集系统仿真建模方法。旨在解决在吸收液性质未知的情况下，基于运行数据和机理模型进行碳捕集系统全工况仿真建模的问题。本发明首先建立了基于化学吸收法的燃煤电站燃烧后碳捕集系统的机理模型，然后根据气液相平衡原理、质量平衡和能量平衡原理，分别建立了以co2液相压力三参数方程的系数、吸收塔溶液热容、解吸塔溶液热容为待定系数的线性回归方程，最后利用碳捕集系统稳态工况运行数据，求解上述线性回归方程，获得用于机理模型的实际溶液性质参数，应用于以实际未知溶液为吸收液的燃烧后碳捕集系统全工况仿真模型，提高了仿真建模的精度。

2、本发明通过如下技术方案实现。

3、一种燃烧后碳捕集系统仿真建模方法，所述碳捕集系统主要包括吸收塔、解吸塔、贫富液换热器、再沸器，所述方法包括：

4、s1，分别通过吸收塔、解吸塔和再沸器的气液相平衡关系以及所述碳捕集系统稳态工况下co2捕集量与溶液co2负载的关系得到co2吸收容量α、循环容量β和吸收热δhabs的拟合关系式：

5、

6、

7、式中，brich为吸收塔底部富液co2负载；blean为再沸器出口贫液co2负载；pabs,co2、preb,co2分别为吸收塔底部和再沸器出口co2分压；mco2为解吸塔顶部出口co2质量流量；mco2为co2分子量；mr为碳捕集系统的吸收剂质量流量，mr为吸收剂的分子量；tabs为吸收塔底部温度，treb为再沸器出口的温度；下角标0表示基准工况，mreb,co2,0为基准工况下再沸器出口co2质量流量。

8、其中，所述吸收塔底部的co2气液相平衡方程包括：

9、

10、所述解吸塔顶部出口的气液相平衡方程包括：

11、

12、pdes,co2＝cdes,co2pdes＝pdes-pdes,h2o，

13、

14、

15、所述再沸器出口的气液相平衡方程包括：

16、

17、

18、preb＝preb,h2o+preb,co2。

19、式中，pabs、pabs,co2分别为吸收塔底部压力和co2分压，cabs,co2为吸收塔底部co2气相摩尔分数，tabs为吸收塔底部温度，brich为吸收塔底部富液co2负载；pdes、pdes,co2、pdes,h2o分别为解吸塔顶部出口压力以及co2和h2o的分压，cdes,co2、cdes,h2o分别为解吸塔顶部出口co2和h2o的气相摩尔分数，tdes为解吸塔顶部出口温度，为水在溶液中的摩尔浓度，为水的活度系数；为解吸塔顶部出口h2o的饱和分压，mco2、mh2o为解吸塔顶部出口co2和h2o的质量流量，mco2、mh2o为co2和h2o的分子量；preb、preb,co2、preb,h2o分别为再沸器出口压力以及co2和h2o的分压，treb为再沸器出口的温度，为再沸器出口h2o的饱和分压，blean为再沸器出口贫液co2负载；mr为碳捕集系统的吸收剂质量流量，mr为吸收剂的分子量。

20、s2，筛选并获得所述碳捕集系统n个工况下的稳态运行数据，n为大于2的整数，并形成运行数据集，分别代入s1所述的拟合关系式，通过计算得到α、βmr、δhabs。

21、所述运行数据包括：吸收塔底部温度tabs、压力pabs、co2气相摩尔分数cabs,co2；解吸塔顶部温度tdes、压力pdes、解吸塔顶部出口co2质量流量mco2和h2o质量流量mh2o，再沸器温度treb、压力preb；以及所述碳捕集系统的吸收液溶剂质量流量mr；吸收塔烟气进口质量流量mabs,g,in、温度tabs,g,in和出口质量流量mabs,g,out、温度tabs,g,out，吸收塔吸收液进口质量流量mabs,l,in、温度tabs,l,in，吸收液出口质量流量mabs,l,out、温度tabs,l,out；吸收塔烟气进口和出口中h2o的气相摩尔分数解吸塔进口气液混合相温度tdes,in、解吸塔进口压力pdes,in，解吸塔进口流量mdes,in，再沸器热源功率qex。

22、建立co2的液相压力三参数计算公式：

23、

24、式中，mco2,l为液相co2质量流量。

25、s3，建立吸收塔能量平衡方程，并通过重复s2中筛选所述碳捕集系统n个工况下的稳态运行数据，获得运行数据集，代入所述吸收塔能量平衡方程，计算得到所述吸收塔溶液热容cp,abs,l。

26、所述的吸收塔能量平衡方程，具有如下形式：

27、

28、式中，cp,abs,g、cp,abs,l为吸收塔中的烟气和溶液的热容，为在吸收塔中被吸收的co2和h2o的质量流量。

29、其中，上述方程中吸收塔中被吸收的co2和h2o的质量流量能够按下式计算：

30、

31、

32、s4，建立解吸塔和再沸器能量平衡方程，并通过重复s2中筛选所述碳捕集系统n个工况下的稳态运行数据，获得运行数据集，代入所述吸收塔能量平衡方程，计算得到所述解吸塔溶液热容cp,des,l。

33、所述的解吸塔和再沸器的能量平衡方程，具有如下形式：

34、

35、式中，cp,des,g、cp,des,l为解吸塔中的气体热容和溶液热容；mdes,g,in、mdes,l,in为解吸塔进口的气相和液相质量流量，为在解吸塔中被解吸的co2和h2o的质量流量。

36、在解吸塔中被解吸的co2和h2o的质量流量解吸塔进口的气相和液相质量流量mdes,g,in、mdes,l,in能够根据如下方式计算得到：

37、

38、

39、mdes,g,in＝mdes,in,g,co2+mdes,in,g,h2o

40、mdes,l,in＝mdes,in-mdes,g,in

41、其中，

42、

43、

44、式中，pdes,in,co2、pdes,in,h2o为解吸塔进口压力及co2和h2o的分压，bdes,in为解吸塔进口co2负载，略低于富液co2负载，为解吸塔进口h2o的饱和分压，cdes,in,h2o、cdes,in,co2为解吸塔进口的co2和h2o的气相摩尔分数，mdes,in,g,co2、mdes,in,g,h2o为解吸塔进口气相中的co2和h2o的质量流量，即预解吸量。

45、s5，利用s2-s4所得到溶液参数(α、βmr、δhabs及吸收塔溶液热容cp,abs,l、解吸塔溶液热容cp,des,l)，建立并得到基于化学吸收法的燃烧后碳捕集系统机理模型，所述碳捕集系统机理模型包括吸收塔模型、解吸塔模型、贫富液换热器模型、再沸器模型；并进行碳捕集系统全工况实时仿真。

46、所述吸收塔模型和解吸塔模型，均采用填料塔模型，假设塔内的温度、浓度、速度等参数径向分布一致，沿着塔高方向将塔分为若干个具有固定边界的控制体，对每个控制体建立质量守恒和能量守恒方程，并利用物理扩散和化学平衡方程描述每个控制体内的co2吸收和解吸反应。

47、所述质量守恒方程，具有如下形式：

48、

49、

50、式中，t为时间，z表示相对于塔底的轴向高度，mi,g和mi,l分别为组分i的气相和液相质量流量，ni,gg和ni,l为分别组分i的气相和液相质量，mi,gl为组分i通过气液界面的传质量，组分i包括n2、o2、h2o和co2。

51、所述能量守恒方程，具有如下形式：

52、

53、

54、式中，tg和tl为气相和液相温度，qg和ql为气相和液相能流，hgl为气液界面等效导热系数，和为气液界面co2和h2o的质量流量，δhabs和δhvap为co2的反应热和h2o的相变热，qex为外部热源的能流。

55、所述气液界面传质方程，具有如下形式：

56、mi,gl＝kv(pi,l-pi,g)

57、pi,g＝cipg

58、

59、

60、式中，kv为总传质系数，pi,l和pi,g分别为组分i的液相分压和气相分压，pg为气相压力，ci为组分i的气相摩尔分数，和分别为h2o和co2的液相压力，为h2o的饱和蒸气压，为水在溶液中的摩尔浓度，为水的活度系数，b为溶液的co2负载，r为气体常数，a和β分别为代表吸收容量和循环容量的系数。

61、所述再沸器模型选用集总参数建模，物质守恒、能量守恒方程和传质方程与解吸塔模型相同，并以来自汽轮机的抽汽作为外部热源。

62、将上述获得的参数代入相应的机理模型中，获得燃烧后碳捕集系统全工况仿真模型。

63、与现有技术相比，本发明包括如下优点和有益效果：

64、本发明通过建立碳捕集系统相关机理模型，利用稳态工况的运行数据，可以在吸收溶液性质未知的情况下，通过求解最小二乘线性回归问题，获得模型计算中与吸收溶液性质相关的参数，再将参数代入从而得到碳捕集系统全工况仿真模型。既能在吸收溶液配比复杂或溶液性质未知的情况下，实现碳捕集系统仿真建模，又能提高模型精度。