基于動態(tài)仿真的富氧燃燒鍋爐島控制策略優(yōu)化研究.pdf

1、在全球減排CO2的背景下，中國作為CO2排放量最大的國家擔(dān)負(fù)著巨大的減排壓力。富氧燃燒技術(shù)能夠與現(xiàn)有燃煤發(fā)電系統(tǒng)兼容，且技術(shù)障礙較低，是短期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行從而大量減排CO2的技術(shù)。近年來，針對富氧燃燒技術(shù)小型中試平臺的試驗(yàn)研究已有所發(fā)展，然而與之密切相關(guān)的全系統(tǒng)動態(tài)仿真及控制方案設(shè)計(jì)的研究工作卻十分有限，運(yùn)行控制方案的缺乏將嚴(yán)重制約富氧燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。基于此，本文選取國內(nèi)僅有的3MWth和35MWth兩套富氧燃燒試驗(yàn)系

2、統(tǒng)作為研究對象，建立了對應(yīng)的動態(tài)模型，對不同系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的煙氣循環(huán)系統(tǒng)與鍋爐島全局控制方案及運(yùn)行模式切換策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴對3MWth與35MWth富氧燃燒試驗(yàn)平臺進(jìn)行了介紹，并對其相似點(diǎn)和差異性進(jìn)行了比較。使用過程模擬軟件Aspen Plus對3MWth富氧燃燒鍋爐島進(jìn)行了建模分析。通過Aspen Custom Modeler工具自定義了汽包和爐膛輻射傳熱模型并嵌

3、入Aspen Plus中，建立了35MWth富氧燃燒鍋爐島穩(wěn)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，從質(zhì)量平衡和能量平衡的角度對兩套模型進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證，結(jié)果表明模型在空氣燃燒和富氧燃燒兩種工況下均能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配。⑵在Aspen Plus建立的穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)之上，加入設(shè)備的動態(tài)特性參數(shù)，基于Aspen Plus Dynamics建立了3MWth與35MWth富氧燃燒鍋爐島動態(tài)仿真模型。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了一種基于過程特征時間參數(shù)表征動態(tài)過程特性的模型驗(yàn)證

4、方法，在多種工況下對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示建立的動態(tài)仿真模型能夠很好地表征試驗(yàn)系統(tǒng)的動態(tài)特性。以3MWth富氧燃燒鍋爐島為例，對富氧燃燒鍋爐島在不同擾動條件下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，包括不同熱負(fù)荷，以及某恒定負(fù)荷條件下不同過剩氧系數(shù)，不同給水量以及變循環(huán)倍率的擾動測試。通過以上測試，得到了系統(tǒng)應(yīng)對不同擾動條件下的響應(yīng)特性，為試驗(yàn)過程中運(yùn)行工況尋優(yōu)提供了很好的支撐。⑶根據(jù)煙氣循環(huán)系統(tǒng)的功能確定了該系統(tǒng)的兩大控制目標(biāo)：煙氣循環(huán)倍率和循環(huán)煙氣壓力

5、，確定了兩組用于控制煙氣循環(huán)系統(tǒng)的控制方案。一個是循環(huán)煙氣閥門（Recyclevalve）和循環(huán)風(fēng)機(jī)（Recycle fan）的組分（簡稱為RR組合），另一個是排煙閥門（Stack valve）和循環(huán)風(fēng)機(jī)（Recycle fan）的組合（簡稱SR組合）。通過Bristol矩陣和Niederlinski index分析方法，對兩種控制方案的控制性能進(jìn)行了耦合分析，結(jié)果表明兩種控制方案均能滿足系統(tǒng)的控制要求。為進(jìn)一步比較兩種控制方案的性能和

6、效率，引入了動態(tài)?效率的評價工具，并在三種不同時間尺度和強(qiáng)度的擾動下，對兩種控制方案進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，三種擾動下的RR組合的動態(tài)?損失比SR組合分別高2.4％，1.7%和0.6%，因此SR組合的動態(tài)?效率更高。⑷從鍋爐島全局功能與安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度出發(fā)，通過從上到下分析及自底而上設(shè)計(jì)兩個步驟對35MWth富氧燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了分析，確定了系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)，包括爐膛出口氧濃度、爐膛壓力、一次風(fēng)中的氧濃度、蒸汽溫度及汽包水位。在此基礎(chǔ)上，建

7、立了常規(guī)控制層和監(jiān)控控制層回路。隨后，設(shè)計(jì)了多個單回路比例積分控制器方案。根據(jù)控制變量的特性，設(shè)計(jì)控制器并依據(jù)Zielger-Nichols準(zhǔn)則對控制器參數(shù)進(jìn)行了整定。在負(fù)荷響應(yīng)速率為2%/min及給水溫度與漏風(fēng)率擾動條件下，對控制方案的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，本文建立的鍋爐島全局控制方案不僅能滿足負(fù)荷的快速響應(yīng)，還具有良好的抗擾動。⑸空氣與富氧燃燒運(yùn)行模式切換是富氧燃燒系統(tǒng)運(yùn)行過程中的關(guān)鍵控制難題。依據(jù)富氧燃燒系統(tǒng)煙氣循環(huán)過程特性，

8、提出了運(yùn)行模式切換過程的四大控制目標(biāo)：系統(tǒng)安全兼顧燃燒與傳熱過程穩(wěn)定及高CO2濃度，制定了富氧燃燒系統(tǒng)運(yùn)行模式切換的控制原則。針對3MWth與35MWth兩種不同煙氣循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的富氧燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的運(yùn)行模式切換方案，結(jié)果表明本文提出的控制方案能夠?qū)⑾到y(tǒng)平穩(wěn)地從空氣燃燒運(yùn)行模式切換到富氧燃燒運(yùn)行模式，爐內(nèi)傳熱保持穩(wěn)定，煙氣中CO2濃度可高達(dá)80%。此外，爐內(nèi)微正壓運(yùn)行可減少系統(tǒng)漏風(fēng)，提高煙氣中CO2濃度。另外，將動態(tài)效率分析引入到3