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一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法

阅读：1发布：2020-07-27

专利汇可以提供一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，限定对象为带熔融盐储能的槽式光热辅助化学吸附燃烧后CO2捕集系统，充分依据当前系统储能、光照强度预报和烟气量预报，估计未来一段时间内适宜的CO2捕集率设定值，并设计前馈反馈控制系统实现对设定值的平稳快速追踪，增强了光热辅助燃烧后CO2捕集系统对烟气变化和太阳光强度变化的适应能力，提升了系统的运行调节品质；仿真结果表明，该方法在光照强度及烟气流量变化的情况下可以很好实现光热辅助燃烧后CO2捕集系统的运行控制。，下面是一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度、集热器熔融盐流量控制槽式太阳能集热器出口熔融盐温度、饱和蒸汽发生器熔融盐流量控制过热蒸汽压力、过热器熔融盐流量控制过热汽温配置比例积分反馈控制回路；
(2)设定光热辅助燃烧后CO2捕集系统中再沸器温度、蒸汽压力、温度、槽式太阳能集热器出口熔融盐温度为定值，记录系统闭环稳定运行时，不同光照强度对应的高温熔融盐产量；不同捕集率、烟气量下对应的熔融盐消耗量；不同光照强度、捕集率、烟气量下各被控量和控制量的稳态数据，根据这些数据建立高温熔融盐产量和消耗量模型以及整体系统的稳态模型；
(3)选定较大的调度指令计算采样周期T1，在每一采样时刻，根据当前时刻的系统储能热罐液位l0、未来一段时间的烟气量预报F、光照强度预报R，结合高温熔融盐产量和消耗量模型，通过优化计算，预估系统未来一段时间的最佳CO2捕集率设定值序列C，最佳捕集率设定值序列C中第一项c1为下一时刻捕集率设定值，将其传递给控制层；
(4)选定较小的控制指令计算采样周期T2，将当前时刻的CO2捕集率设定值c0与下一时刻CO2捕集率设定值c1以T2为时间间隔进行插值，得到当前调度周期T1内每一控制采样时刻的捕集率设定值；在每一采样时刻，根据稳态系统模型计算与当前时刻烟气量、光照强度和捕集率设定值对应的控制作用，作为系统前馈uff，前馈作用与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用，施加于光热辅助燃烧后CO2捕集系统。
2.如权利要求1所述的有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，其特征在于，步骤(2)中，稳态为热罐和冷罐的液位不变或定速率变化。
3.如权利要求1所述的有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，其特征在于，步骤(3)中，采样周期T1取0.5h-1h，计算时域N取NT1＝6-12h。
4.如权利要求1所述的有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，其特征在于，步骤(4)中，采样周期T2取0.5min-1min。
5.如权利要求1所述的有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，其特征在于，步骤(3)中，优化计算具体为：每一采样时刻，优化求解式(1)计算系统未来一段时间的最佳捕集率设定值序列：
式中，C为未来计算时域N内的CO2捕集率设定值序列，C＝[c1 c2 … cN]，c1,c2,...,cN分别为未来N个采样时刻的捕集率设定值，ΔC为CO2捕集率设定值变化的增量，c0为当前时刻系统的CO2捕集率设定值；
Q和R为优化指标中的权值矩阵，反应对捕集率变化率及其大小的偏重程度；
L为未来计算时域N内的储热罐液位序列，L＝[l1 l2 … lN]，l1,l2,...,lN分别为未来N个采样时刻的储热罐液位；
其中，l0为当前时刻的储热罐液位，FSG为未来计算时域N内的高温熔融盐产量，为未来一段时间内光照R的函数，FSG＝f(R)，根据高温熔融盐产量模型计算；FSU为未来计算时域N内的熔融盐消耗量，为未来一段时间内烟气量F和捕集率C的函数，FSG＝f(F，C)，可根据高温熔融盐消耗量量模型计算；Cmin、Cmax、ΔCmin、ΔCmax分别为CO2捕集率设定值的幅值和变化速率约束；Lmin、Lmax分别为储热罐液位的幅值约束；最佳捕集率设定值序列C中第一项c1为下一时刻捕集率设定值，将其传递给控制层。

说明书全文

一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热工过程控制技术领域，尤其是一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法。

背景技术

[0002] 随着温室效应及相关气候生态问题的日益严峻，减排CO2已成为国际社会应对气候变化的关键举措。基于化学吸附法的燃烧后CO2捕集技术直接从燃料燃烧产生烟气中分离CO2，是当前化工、发电等产业中可以应用的成熟碳捕集技术。

[0003] 限制化学吸附燃烧后CO2捕集技术大规模应用的关键问题在于脱碳系统运行过程中化学溶剂的再生需要消耗大量热蒸汽(如从火电厂汽机中低压缸抽汽)，从而降低生产企业的效率。使用清洁无污染的光热技术替代传统供汽是解决上述问题以及合理利用太阳能的有效方式。然而由于光热辅助CO2捕集系统本身特性较为缓慢，太阳能光照强度会在一天时间内发生变化，且因天气原因具有不确定特征，生产企业如火电厂的烟气产量也会随负荷变化，其运行控制具有一定难度。开发一种有效的光热辅助CO2捕集系统运行控制方法对于该技术的推广应用很有必要。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，能够在光照强度及烟气流量变化的情况下很好实现光热辅助燃烧后CO2捕集系统的运行控制。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种有效的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，包括如下步骤：

[0006] (1)以贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度、集热器熔融盐流量控制槽式太阳能集热器出口熔融盐温度、饱和蒸汽发生器熔融盐流量控制过热蒸汽压力、过热器熔融盐流量控制过热汽温配置比例积分反馈控制回路；

[0007] (2)设定光热辅助燃烧后CO2捕集系统中再沸器温度、蒸汽压力、温度、槽式太阳能集热器出口熔融盐温度为定值，记录系统闭环稳定运行时，不同光照强度对应的高温熔融盐产量；不同捕集率、烟气量下对应的熔融盐消耗量；不同光照强度、捕集率、烟气量下各被控量和控制量的稳态数据，根据这些数据建立高温熔融盐产量和消耗量模型以及整体系统的稳态模型；

[0008] (3)选定较大的调度指令计算采样周期T1，在每一采样时刻，根据当前时刻的系统储能热罐液位l0、未来一段时间的烟气量预报F、光照强度预报R，结合高温熔融盐产量和消耗量模型，通过优化计算，预估系统未来一段时间的最佳CO2捕集率设定值序列C，最佳捕集率设定值序列C中第一项c1为下一时刻捕集率设定值，将其传递给控制层；

[0009] (4)选定较小的控制指令计算采样周期T2，将当前时刻的CO2捕集率设定值c0与下一时刻CO2捕集率设定值c1以T2为时间间隔进行插值，得到当前调度周期T1内每一控制采样时刻的捕集率设定值；在每一采样时刻，根据稳态系统模型计算与当前时刻烟气量、光照强度和捕集率设定值对应的控制作用，作为系统前馈uff，前馈作用与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用，施加于光热辅助燃烧后CO2捕集系统。

[0010] 优选的，步骤(2)中，稳态为热罐和冷罐的液位不变或定速率变化。

[0011] 优选的，步骤(3)中，采样周期T1一般取0.5h-1h，计算时域N一般考虑NT1＝6-12h。

[0012] 优选的，步骤(4)中，采样周期T2一般取0.5min-1min。

[0013] 优选的，步骤(3)中，优化计算具体为：每一采样时刻，优化求解式(1)计算系统未来一段时间的最佳捕集率设定值序列：

[0014]

[0015] 式中，C为未来计算时域N内的CO2捕集率设定值序列，C＝[c1 c2 … cN]，c1,c2,...,cN分别为未来N个采样时刻的捕集率设定值，ΔC为CO2捕集率设定值变化的增量，[0016]

[0017] c0为当前时刻系统的CO2捕集率设定值；

[0018] Q和R为优化指标中的权值矩阵，反应对捕集率变化率及其大小的偏重程度；

[0019] L为未来计算时域N内的储热罐液位序列，L＝[l1 l2 … lN]，l1,l2,...,lN分别为未来N个采样时刻的储热罐液位；

[0020]

[0021] 其中，l0为当前时刻的储热罐液位，FSG为未来计算时域N内的高温熔融盐产量，为未来一段时间内光照R的函数，FSG＝f(R)，可根据高温熔融盐产量模型计算；FSU为未来计算时域N内的熔融盐消耗量，为未来一段时间内烟气量F和捕集率C的函数，FSG＝f(F，C),可根据高温熔融盐消耗量量模型计算；Cmin、Cmax、ΔCmin、ΔCmax分别为CO2捕集率设定值的幅值和变化速率约束；Lmin、Lmax分别为储热罐液位的幅值约束；最佳捕集率设定值序列C中第一项c1为下一时刻捕集率设定值，将其传递给控制层。

[0022] 本发明的有益效果为：本发明的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，充分依据当前系统储能、光照强度预报和烟气量预报，估计未来一段时间内适宜的CO2捕集率设定值，并设计前馈反馈控制系统实现对设定值的平稳快速追踪，增强了光热辅助燃烧后CO2捕集系统对烟气变化和太阳光强度变化的适应能力，提升了系统的运行调节品质；仿真结果表明，该方法在光照强度及烟气流量变化的情况下可以很好实现光热辅助燃烧后CO2捕集系统的运行控制。附图说明

[0023] 图1为本发明的系统结构示意图。

[0024] 图2为本发明的方法流程示意图。

[0025] 图3为本发明的控制(实线)在光照情况变动下的控制效果示意图。

具体实施方式

[0026] 如图1所示，该控制方法以带熔融盐储能的槽式光热辅助化学吸附燃烧后CO2捕集系统为被控对象，选取CO2捕集率、再沸器温度，过热蒸汽压力、温度、槽式太阳能集热器出口熔融盐温度为系统被控量；选取贫液流量、蒸汽阀门开度、饱和蒸汽发生器熔融盐流量、过热器熔融盐流量和集热器熔融盐流量为系统控制量。首先基于稳态系统模型，在考虑火电厂烟气流量、系统储能、光照的基础上，确定适宜系统运行的CO2捕集率设定值和前馈控制量，并与以PI回路为基础的反馈控制系统结合，建立一种光热辅助燃烧后CO2捕集系统前馈反馈运行控制方法。

[0027] 将本发明的运行控制方法应用于某带熔融盐储能的槽式光热辅助化学吸附燃烧后CO2捕集系统仿真模型中，捕集系统采用乙醇胺作为吸附剂，设计工况下可处理0.13kg/s,CO2浓度为25.2wt％的烟气。运行控制的目标是在变动的光照强度和烟气流量下，寻找适宜的系统捕集率设定值，并快速追踪设定值，确保系统平稳高效的工作。

[0028] 本发明的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，构造以贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度、集热器熔融盐流量控制槽式太阳能集热器出口熔融盐温度、饱和蒸汽发生器熔融盐流量控制过热蒸汽压力、过热器熔融盐流量控制过热汽温配置比例积分反馈控制回路。在线运行时利用高温熔融盐产量和消耗量模型以及系统的稳态模型，依据当前系统储能，未来光照强度的预报和烟气量预报估计适宜系统运行的CO2捕集率设定值和前馈控制量，与反馈控制系统结合。本发明方法总体上可以增强光热辅助燃烧后CO2捕集系统对烟气变化和太阳光强度变化的适应能力，提升系统的运行调节品质[0029] 如图2所示，本发明的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，具体包括如下步骤：

[0030] 步骤1，以贫液流量控制CO2捕集率、蒸汽阀门开度控制再沸器温度、冷罐出口熔融盐流量控制槽式太阳能集热器出口熔融盐温度、两处热罐出口熔融盐流量分别控制蒸汽压力和温度配置比例积分反馈控制回路；

[0031] 步骤2，设定光热辅助燃烧后CO2捕集系统中再沸器温度设定值为383K、过热蒸汽压力设定值为0.21Mpa、温度设定值为413K、槽式太阳能集热器出口熔融盐温度设定值为550K，记录系统闭环稳定运行时，200-500w/m2区间内不同光照强度对应的高温熔融盐产量；50％-90％区间内不同捕集率、0.07-0.15kg/s区间内不同烟气量对应的熔融盐消耗量；
以及上述变化区间内不同光照强度、捕集率、烟气量下各被控量和控制量的稳态数据(所指稳态对热罐和冷罐液位不做严格要求，液位不变，或定速率变化均可)，根据这些数据，通过RBF神经网络建模方法建立高温熔融盐产量和消耗量模型，以及整体系统的稳态模型；

[0032] 步骤3，选定调度指令计算采样周期T1＝30min，在每一采样时刻，根据当前时刻的系统储能(热罐液位l0)、未来一段时间的烟气量预报F、光照强度预报R，结合高温熔融盐产量和消耗量模型，通过粒子群优化的方法求解问题(1)，估计系统未来一段时间的最佳CO2捕集率设定值序列C。

[0033]

[0034] 式中，C为未来计算时域N内的CO2捕集率设定值序列，C＝[c1 c2 … cN]，c1,c2,...,cN分别为未来N个采样时刻的捕集率设定值，取N＝12。ΔC为CO2捕集率设定值变化的增量，

[0035]

[0036] c0为当前时刻系统的CO2捕集率设定值。

[0037] Q和R为优化指标中的权值矩阵，反应对捕集率变化率及其大小的偏重程度；

[0038] L为未来计算时域N内的储热罐液位序列，L＝[l1 l2 … lN]，l1,l2,...,lN分别为未来N个采样时刻的储热罐液位。

[0039]

[0040] 其中，l0为当前时刻的储热罐液位，FSG为未来计算时域N内的高温熔融盐产量，为未来一段时间内光照R的函数，FSG＝f(R),可根据高温熔融盐产量模型计算。FSU为未来计算时域N内的熔融盐消耗量，为未来一段时间内烟气量F和捕集率C的函数，FSG＝f(F，C),可根据高温熔融盐消耗量量模型计算。

[0041] Cmin,Cmax,ΔCmin,ΔCmax分别为CO2捕集率设定值的幅值和变化速率约束；Lmin,Lmax分别为储热罐液位的幅值约束。

[0042] 最佳捕集率设定值序列C中第一项c1为下一时刻捕集率设定值，将其传递给控制层。

[0043] 步骤4，选定控制指令计算采样周期T2＝30s，将当前时刻的CO2捕集率设定值c0与下一时刻(30min后)CO2捕集率设定值c1以30s为时间间隔进行插值，得到当前调度周期30min内每一控制采样时刻的捕集率设定值。在每一采样时刻，根据稳态系统模型，利用粒子群算法计算与当前时刻烟气量，光照强度和捕集率设定值对应的控制作用，作为系统前馈uff。前馈作用与反馈回路计算的控制作用ufb叠加得到最终控制作用，施加于光热辅助燃烧后CO2捕集系统。

[0044] 步骤5，在各自采样时刻重复步骤3～4以实现连续控制。

[0045] 本实施例为了验证本发明中光热辅助的燃烧后CO2捕集系统运行控制方法的效果，做了一组仿真试验：CO2捕集系统初始捕集率稳定于80％，由于天气变化，光照强度在t＝1000s时由458w/m2下降至412w/m2。

[0046] 如图3所示，由于光照强度降低，系统通过稳态模型自动修正CO2捕集率设定值至73％，并依靠前馈反馈控制迅速平稳地追踪捕集率设定值，其余光热辅助燃烧后CO2捕集系统中的主要参数，如再沸器温度，过热蒸汽压力、温度，太阳能集热器出口熔融盐温度、等均控制良好，热罐液位稳定，保证系统具有一定蓄能，整套捕集系统可以很好适应太阳光强度变化，具有满意的运行调节品质。

[0047] 本发明的光热辅助燃烧后CO2捕集系统运行控制方法，在构建比例积分反馈控制回路的基础上，利用高温熔融盐产量和消耗量模型以及系统的稳态模型，依据当前系统储能，未来光照强度的预报和烟气量预报确定适宜系统运行的CO2捕集率设定值和前馈控制量，并将其与反馈控制系统结合，增强光热辅助燃烧后CO2捕集系统对烟气变化和太阳光强度变化的适应能力，提升系统的运行调节品质。

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