带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法，涉及热工自动控制技术领域，解决了考虑吸收剂存储的火电机组碳捕集系统的技术问题，其技术方案要点是通过调度结构和控制结构的结合，发挥碳捕集系统灵活性支撑功能，基于调度结构的调度结果实现对CO2捕集率的快速调节，并辅助发电机组功率调节，并有效抑制烟气与抽汽流量对捕集系统的扰动影响；同时利用超临界燃煤电厂内吸收剂储存与CO2捕集工艺的耦合关联，提升机组整体电

【技术实现步骤摘要】
带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法


[0001]本申请涉及低碳经济能源系统和自动控制
，具体涉及低碳经济能源系统调度与控制技术，尤其涉及一种带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法。

技术介绍

[0002]随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，传统火力发电厂必须充分利用碳捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage,CCS)，实现能源行业低碳转型。与此同时，为提高电力系统对间歇性、波动性可再生电力的消纳能力，传统火力发电厂已由基荷电源转变为用于调峰调频的灵活电源。若无法适应火力发电厂负荷变化而引起的烟气变化，满足下游二氧化碳利用端的变化需求，碳捕集系统将无法充分发挥其减碳作用。此外，由于碳捕集过程中吸收剂再生需要从汽轮机中抽取大量蒸汽以供给热量，碳捕集系统会大幅增加发电机组的能耗。因此，需要根据波动的电碳市场条件以及用户负荷，及时调整CO2捕集率，通过改变抽汽流量协调电
‑
碳指令，实现机组整体运行利润最大化。然而对于碳捕集系统而言，再沸器抽汽的作用由控制变量转变为扰动，这将影响捕集过程的安全高效运行。因此，在未来更为严格的碳监管制度下，为了保证给定的实时CO2捕集水平，常规的碳捕集系统不仅无法提高火电机组的灵活性，反而将成为制约系统灵活运行的不利因素。
[0003]为碳捕集系统部署吸收剂存储设备，在燃煤电厂发电需求较高，富液解吸能量不足时，将富液暂存于富液罐内，并从贫液罐中释放吸收剂保证烟气碳捕集水平，待机组能量充足时再抽取蒸汽用于溶剂再生，是解决上述问题的有效方法。与此同时，考虑吸收剂存储的碳捕集系统依靠自身结构特点，可以实现吸收与解吸过程的有效解耦，而解吸侧的再沸器抽汽流量可以辅助燃煤机组调节发电出力。因此，考虑吸收剂存储之后，碳捕集过程和燃煤机组分别能够获得更宽范围的CO2捕集水平和电力输出功率，由此实现燃煤电站
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碳捕集整体系统的灵活运行。
[0004]然而，在增加系统整体运行优化空间的同时，吸收剂存储装置也增加了系统的复杂度。通过有效的调度方法，分配合理的出力指令，将燃煤电站、碳捕集系统和吸收剂存储系统协同，是实现系统整体稳定、低碳、经济、灵活运行的关键。而对调度指令的平稳、快速追踪又高度依赖于底层的控制系统。添加吸收剂存储设备之后，碳捕集系统呈现新的大惯性、多扰动、多约束特征，碳捕集系统的动态特性、运行需求和控制方式也发生了根本变化。为此，研究考虑吸收剂存储的燃煤电站
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碳捕集系统的整体优化调度问题，结合部署吸收剂存储后的碳捕集系统结构特点及动态特性，提出合理的控制方案并设计新型的控制系统，对提高吸收剂存储模式的燃煤电站
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碳捕集系统的系统经济性、碳减排效益和运行灵活性具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法，其
技术目的是为提升火电机组整体电
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碳收益提供最优调度策略，基于调度结果实现对碳捕集率的快速调节，并辅助发电机组功率调节，并有效抑制烟气与抽汽流量对捕集系统的扰动影响。
[0006]本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法，该方法通过调度结构和控制结构实现，所述调度结构包括优化调度模型，所述控制结构通过吸收侧MPC控制器和解吸侧MPC控制器实现控制，该方法包括：
[0008]通过所述优化调度模型获得每小时燃煤电厂功率输出、每小时平均CO2碳捕集率及吸收剂储罐液位的调度指令；其中，碳捕集系统包括吸收侧和解吸侧，吸收侧的控制量为贫液流量，被控量为CO2捕集率；解吸侧的控制量为富液流量，被控量为再沸器温度；碳捕集系统的扰动包括烟气流量和抽汽流量；所述优化调度模型的目标函数为最大化燃煤电厂净运行利润，所述优化调度模型的约束条件包括燃煤电厂功率输出约束、碳捕集系统运行约束、吸收剂存储设备约束以及电力功率平衡约束；
[0009]对带吸收剂存储的火电机组
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碳捕集系统进行开环阶跃实验，获取火电机组
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碳捕集系统的动态特性实验曲线；
[0010]根据所述动态特性实验曲线对应的数据，通过子空间辨识方法，辨识获得表征所述碳捕集系统动态特性的离散状态空间模型，将所述离散状态空间模型扩增为增量式状态空间模型，再对所述增量式状态空间模型进行推导得到预测模型；
[0011]构建所述预测模型的滚动优化目标函数，并将所述调度指令输入到所述预测模型，以对所述碳捕集系统对应的分散式MPC控制器进行设计，得到所述吸收侧MPC控制器和所述解吸侧MPC控制器；
[0012]通过所述吸收侧MPC控制器对吸收侧CO2捕集率进行跟踪控制，通过所述解吸侧MPC控制器对解吸侧再沸器温度进行控制。
[0013]本申请的有益效果在于：本申请通过调度结构和控制结构的结合，发挥碳捕集系统灵活性支撑功能，基于调度结构的调度结果实现对CO2捕集率的快速调节，并辅助发电机组功率调节，并有效抑制烟气与抽汽流量对捕集系统的扰动影响；同时利用超临界燃煤电厂内吸收剂储存与CO2捕集工艺的耦合关联，提升机组整体电
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碳收益。
附图说明
[0014]图1为本申请具体实施方式的系统示意图；
[0015]图2为本申请具体实施方式的控制结构示意图；
[0016]图3为本申请具体实施方式的调度实验仿真条件示意图；
[0017]图4为本申请具体实施方式的调度实验仿真结果曲线示意图；
[0018]图5为本申请具体实施方式的系统开环阶跃响应曲线示意图；
[0019]图6为本申请具体实施方式的追踪性能控制实验仿真结果曲线示意图；
[0020]图7为本申请具体实施方式的抗扰性能控制实验仿真结果曲线示意图。
具体实施方式
[0021]下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
[0022]本实施例中对应的带吸收剂存储的火电机组
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碳捕集系统，如图1所示，该系统为燃煤电厂
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碳捕集系统。燃煤电厂主要设备包括磨煤机、锅炉、汽轮机和发电机，其他辅助设备包括高压加热器、低压加热器、除氧器、管路和阀门。碳捕集系统主要设备包括吸收塔、再生塔、再沸器、贫液罐、富液罐和冷凝器，其他辅助设备包括换热器、贫液泵、富液泵、管路和阀门。煤粉在锅炉中燃烧后产生的烟气自下而上进入吸收塔，与自上而下进入的贫液(低CO2载荷吸收剂)逆向接触，烟气在脱除CO2后从吸收塔顶部离开排入大气。吸收了CO2的富液(高CO2载荷吸收剂)从吸收塔底部离开并存储于富液罐中。流入再生塔的富液流量由富液泵控制，其在与再生贫液换热后从上至下进入解吸塔完成CO2解吸。解吸热量由发电机组的汽轮机抽汽提供。解吸后的CO2从解吸塔顶部离开进入冷却器，完成后续工艺。再生后的贫液流入贫液罐存储，通过贫液泵控制CO2捕集所需的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带吸收剂存储的火电机组碳捕集系统调度与预测控制方法，该方法通过调度结构和控制结构实现，所述调度结构包括优化调度模型，所述控制结构通过吸收侧MPC控制器和解吸侧MPC控制器实现控制，其特征在于，该方法包括：通过所述优化调度模型获得每小时燃煤电厂功率输出、每小时平均CO2碳捕集率及吸收剂储罐液位的调度指令；其中，碳捕集系统包括吸收侧和解吸侧，吸收侧的控制量为贫液流量，被控量为CO2捕集率；解吸侧的控制量为富液流量，被控量为再沸器温度；碳捕集系统的扰动包括烟气流量和抽汽流量；所述优化调度模型的目标函数为最大化燃煤电厂净运行利润，所述优化调度模型的约束条件包括燃煤电厂功率输出约束、碳捕集系统运行约束、吸收剂存储设备约束以及电力功率平衡约束；对带吸收剂存储的火电机组
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碳捕集系统进行开环阶跃实验，获取火电机组
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碳捕集系统的动态特性实验曲线；根据所述动态特性实验曲线对应的数据，通过子空间辨识方法，辨识获得表征所述碳捕集系统动态特性的离散状态空间模型，将所述离散状态空间模型扩增为增量式状态空间模型，再对所述增量式状态空间模型进行推导得到预测模型；构建所述预测模型的滚动优化目标函数，并将所述调度指令输入到所述预测模型，以对所述碳捕集系统对应的分散式MPC控制器进行设计，得到所述吸收侧MPC控制器和所述解吸侧MPC控制器；通过所述吸收侧MPC控制器对吸收侧CO2捕集率进行跟踪控制，通过所述解吸侧MPC控制器对解吸侧再沸器温度进行控制。2.如权利要求1所述的调度与预测控制方法，其特征在于，所述目标函数表示为：其中，C
sell
表示电力交易收益；表示CO2交易收益；C
CFPP
表示燃煤电厂运维成本；C
PCC
表示碳捕集系统运维成本；C
mis
表示负荷不匹配成本；电力交易收益C
sell
表示为：其中，表示分时电价；P
CFPP
(t)表示t时刻电站的电力输出；n
t
表示调度小时数；CO2交易收益表示为：其中，表示单位CO2交易价；ζ表示燃煤电厂获得的碳排放额系数；表示t时刻的系统CO2排放量；燃煤电厂运维成本C
CFPP
表示为：其中，α
coal
表示原料燃煤的价格；m
coal
(t)表示t时刻的煤耗量；表示燃煤电站的单位维护成本；碳捕集系统运维成本C
PCC
表示为：
其中，表示t时刻的CO2捕集量；ΔV
str
(t)表示t时刻吸收剂储罐偏离基础液位的体积；表示燃煤电厂的单位维护成本；β
str
表示单位体积吸收剂价格；负荷不匹配成本C
mis
表示为：其中，α
mis
表示负荷不匹配的交易价格；P
buy
(t)表示t时刻的上网购电量；P
cut
(t)表示t时刻的负荷切除量。3.如权利要求1所述的调度与预测控制方法，其特征在于，所述燃煤电厂功率输出约束表示为：300MW≤P
CFPP
(t)≤660MW；所述碳捕集系统运行约束包括针对CO2捕集率CL(t)和再沸器温度T
reb
(t)的约束，表示为：所述吸收剂存储设备约束表示为：其中，V
L
(t)表示t时刻吸收剂在贫液罐的体积，V
R
(t)表示t时刻吸收剂在富液罐的体积；表示贫液存储容积的上限，表示贫液存储容积的下限，表示富液存储容积的上限，表示富液存储容积的下限；表示贫液罐进口流量，表示贫液罐出口流量，表示富液罐进口流量，表示富液罐出口流量；ρ
ls
表示贫液的密度，ρ
rs
表示富液...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴啸，邱若菡，沈炯，李益国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：