基于不同灵活运行模式的燃烧后碳捕集电厂控制方法

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。

主权项

1.一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P_G、富液分流比λ_R和再沸器热功率因子其中，等效发电功率P_G定义为发电机组净发电功率P_N、厂用电功率P_τ以及碳捕集等效能耗P_CCS-EQ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Q_REB与使得等效CO₂捕集效率α_CAP为基准值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P_G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P_G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P_G控制整体运行指标的基准值；2-2）通过调节富液分流比λ_R控制碳捕集系统的瞬时CO₂捕集速率E_CAP：通过调节富液分流阀门使富液分流比λ_R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从而实现对碳捕集系统的瞬时CO₂捕集速率E_CAP的控制；2-3）通过调节再沸器热功率因子控制等效CO₂捕集效率α_CAP：在完成等效发电功率P_G和富液分流比λ_R的调节并使得再沸器热功率因子后，调节蒸汽速率阀门对再沸器热功率因子再进行±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，使其在基准值附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P_G，t、富液分流比λ_R，t、再沸器热功率因子和启停控制变量I_t，t=1,2…T；其中，启停控制变量I_t的取值为0或1，I_t=0表示停机，I_t=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E_CAP，t，其表达式为$E_{\mathrm{CAP},t}=\frac{{\lambda }_{R,t}·\overline{P_{G,t}}}{f_{\eta ,t}}·\frac{{\alpha }_{\mathrm{CAP},t}}{{\alpha }_{\mathrm{CAP}}^B}·E_{\mathrm{CAP}}^B$其中，为等效发电功率标幺值，表达式为为等效发电功率基准值；f_η,t为等效发电效率因子，表达式为f_η,t＝η_t/η^B；η_t为等效发电效率，表达式为η_t=P_G,t/(q·F_t)；q为标准煤燃烧值；F_t为总发电煤耗；η^B为等效发电效率基准值；α_CAP，t为等效CO₂捕集效率，表达式为为等效CO₂捕集效率基准值；k_r为关系曲线在处的斜率；为CO₂捕集速率基准值，表达式为为CO₂产生速率基准值，表达式为为单位等效发电功率的CO₂产生速率基准值；（II）CO₂净排放速率E_EMI，t，其表达式为E_EMI，t=E_GEN,t-E_CAP，t其中，E_GEN,t为CO₂产生速率，表达式为（III）碳捕集系统等效能耗P_CCS-EQ，t，其表达式为P_CCS-EQ，t=r_R·Q_REB,t+P_ELE，t+P_COM，t其中，Q_REB,t为碳捕集系统消耗的再沸器热功率；P_ELE，t为碳捕集系统消耗的辅助电功率；P_COM，t为碳捕集系统消耗的压缩电功率；Q_REB，t、P_ELE，t和P_COM，t的表达式为$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{REB},t}=\frac{\overline{P_{G,t}}}{f_{\eta ,t}}·{\lambda }_{R,t}·\overline{Q_{\mathrm{REB},t}}·w_{\mathrm{REB}}·E_{\mathrm{CAP}}^B\\ P_{\mathrm{ELE},t}=\frac{\overline{P_{G,t}}}{f_{\eta ,t}}·{\lambda }_{R,t}·(w_{\mathrm{ELE}1}+w_{\mathrm{ELE}2})·E_{\mathrm{CAP}}^B\\ P_{\mathrm{COM},t}=\frac{\overline{P_{G,t}}}{f_{\eta ,t}}·\frac{{\alpha }_{\mathrm{CAP},t}}{{\alpha }_{\mathrm{CAP}}^B}·{\lambda }_{R,t}·w_{\mathrm{COM}}·E_{\mathrm{CAP}}^B\end{array}\right.$其中，r_R为电力当量因子；w_REB为等效CO₂捕集效率为基准值时捕集单位CO₂所消耗的再沸器热功率；w_ELEI为捕集单位CO₂所消耗的辅助电功率中与吸收速率成正比的部分；w_ELE2为捕集单位CO₂所消耗的辅助电功率中与解析速率成正比的部分；w_COM为压缩单位CO₂所消耗的电功率；（IV）净发电功率P_N，t，其表达式为P_N，t＝P_G，t-P_τ，t-P_CCS-EQ,t其中，P_τ，t为总厂用电功率，表达式为P_τ,t＝P_G，t·(τ₀+τ_C)；τ₀为蒸汽发电系统的厂用电率；τ_C为碳捕集系统的初始固定能耗所等效的厂用电率；3-3）构建燃烧后碳捕集电厂运行优化模型的目标函数，表达式如下：max{R_EL+R_ER-C_E-C_STA+R_C-R_OTH}其中，R_EL=q_L·S_PL，为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内获得的合约售电收益总和；q_L为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的合约电量总和；S_PL为等效合约电价；为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内参与实时电力市场获得的交易收益总和；P_L，t为根据合约在时段t的计划发电功率；S_GS,t为时段t的实时电价；为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的可变发电成本总和；c_EQ,t为单位等效发电功率所对应的可变发电成本，表达式为c_FUE为燃料价格；F^B为总发电煤耗基准值；为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的启停费用总和；S_STA为发电机组的单次启停费用；为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的碳交易收益总和；E_L为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的碳排放额度；S_C，t为时段t的碳价；为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的其他可变成本总和；c_OTH为捕集单位CO₂所需的其他可变成本总和；3-4）确定决策变量的可行区间和运行状态变量的控制范围，进而确立燃烧后碳捕集电厂运行优化模型的约束条件：（I）等效发电功率P_G，t上下限约束，即$I_t·P_{G,\min }\le P_{G,t}\le I_t·P_G^B$其中，为等效发电功率基准值；P_G,min为等效发电功率最小值；（II）等效发电功率P_G，t的调整速率约束，即$\left\{\begin{array}{c}{P}_{G,t+1}-P_{G,t}\le {\gamma }_U\\ P_{G,t}-P_{G,t+1}\le {\gamma }_D\end{array}\right.$其中，γ_U、γ_D分别为等效发电功率P_G,t在一个时段内的增加量和减小量的最大值；（III）机组最小启停时间约束，即$\left\{\begin{array}{c}{T}_{D,t}-(I_t-I_{t-1})·T_{D,\min }\ge 0\\ T_{U,t}-(I_{t-1}-I_t)·T_{U,\min }\ge 0\end{array}\right.$其中，T_D,min、T_U，min分别发电机组的最小连续开机时间和最小连续停机时间；T_U，t、T_D，t分别为机组在时段t已经持续保持在开机和停机状态的时间，表达式为$\left\{\begin{array}{c}{T}_{U,t}=\underset{i=t-T_{U,\min }}{\overset{t-1}{\Sigma }}{I}_t\\ T_{D,t}=\underset{i=t-T_{D,\min }}{\overset{t-1}{\Sigma }}(1-I_t)\end{array}\right.$（IV）富液分流比λ_R，t上下限约束，即0≤λ_R，t≤1（V）等效CO₂捕集效率α_CAP，t上下限约束，即α_CAP，max≤α_CAP，t≤α_CAP，min其中，α_CAP，max、α_CAP，min分别为等效CO₂捕集效率的最大值和最小值；（VI）碳捕集系统的调整速率约束，即$\left\{\begin{array}{c}-{\mathrm{\Delta Q}}_{\mathrm{REB},\min }\le Q_{\mathrm{REB},t+1}-Q_{\mathrm{REB},t}\le {\mathrm{\Delta Q}}_{\mathrm{REB},\max }\\ -{\mathrm{\Delta \lambda }}_{R,\min }\le {\lambda }_{R,t+1}-{\lambda }_{R,t}\le {\mathrm{\Delta \lambda }}_{R,\max }\end{array}\right.$其中，ΔQ_REB，max、ΔQ_REB，min分别为再沸器热功率Q_REB,t在一个时段内的增加量和减小量的最大值；Δλ_R,max、Δλ_R,min分别为富液分流比λ_R，t在一个时段内的增加量和减小量的最大值；（VII）碳排放约束，即$\frac{\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{E}_{\mathrm{EMI},t}}{\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}{P}_{N,t}}\le e_{N,\max }$其中，e_N，max为燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内的平均净碳排放强度的最大允许值；上述决策变量、目标函数以及约束条件构成了灵活运行模式下燃烧后碳捕集电厂的运行优化模型；3-5）求解该运行优化模型，得到燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内所有时段的决策变量的最优值；3-6）以各决策变量最优值作为调控目标值，按照所述燃烧后碳捕集电厂的设备协调控制部分的步骤2-1）-2-3），实时调节燃烧后碳捕集电厂的启停控制变量I_t、等效发电功率P_G，t、富液分流比λ_R,t和再沸器热功率因子至目标值，以实施燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制；3-7）根据当前时段的决策变量的目标值计算出燃烧后碳捕集电厂的各运行状态变量即CO₂捕集速率E_CAP，t、CO₂净排放速率E_EMI，t、碳捕集系统等效能耗P_CCS-EQ，t和净发电功率P_N，t在当前时段的理论值，同时对燃烧后碳捕集电厂的实时运行状态进行监测，得到设备控制变量P_G，t、λ_R,t和以及运行状态变量E_CAP，t、E_EMI，t、P_CCS-EQ，t和P_N，t在当前时段的实际值，对比设备控制变量和运行状态变量的理论值与实际值，若偏差在允许范围内，则在下一个时段按步骤3-5）得到的各决策变量最优值作为调控目标值，转步骤3-6），实施燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制；若偏差超过允许范围，则以设备控制变量和运行状态变量在当前时段的实际值作为运行优化模型的初始条件，以剩余时段作为决策周期重新求解运行优化模型，将得到的新的各决策变量最优值作为下一时段的调控目标值，转步骤3-6），实施燃烧后碳捕集电厂的运行优化控制；3-8）重复执行步骤3-7），直至完成燃烧后碳捕集电厂在决策周期T内全部时段的运行优化控制。