一种富氧燃烧系统及其控制方法与流程

本发明属于煤化工领域，具体涉及一种富氧燃烧系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，气候变化日益复杂，温室效应与能源危机等问题不断加剧，减少温室气体排放已刻不容缓，因此，开展碳捕获、利用与封存(ccus)技术研究具有十分重要的意义。富氧燃烧技术作为一种非常具有应用前景的ccus技术，已在电力领域得到普遍认可，被世界各国广泛开展研究。中国作为一个煤炭资源十分丰富的国家，在中国的燃煤电站开展富氧燃烧技术的研究愈显其重要性。然而，富氧燃烧电站呈现出运行能耗高、运行成本高和运行可靠性低等不足，其商业示范及应用一直受到限制。如何采取有效的方法解决上述问题，成为了该技术所面临的巨大挑战。

相比于现有空气燃烧电站，富氧燃烧电站燃烧气氛从o2/n2转变为co2/o2，系统流程结构更为复杂，运行控制灵活性增强。针对这些特点，如何保障富氧燃烧系统高效、稳定、安全及可靠运行，国内外研究学者已经开展了大量的研究。这些研究主要包括：(1)系统运行参数优化，即通过单变量或多变量优化方式，设定能耗或成本为目标，得到优化运行参数；(2)系统能耗成本分布，即通过热力学分析方法(热力学第一定律和热力学第二定律)和热经济学分析手段，辨识系统热力学不可逆性源头和成本形成过程；(3)控制结构设计及分析，即根据运行参数目标，配对合适的操作变量和控制变量，满足运行控制稳定性要求；(4)控制干预与能耗成本关联性，即建立动态热力学分析方法，探究控制干预对系统运行能耗的影响，确认控制系统组成对能耗形成的权重。

然而，需要指出的是，这些研究主要侧重于稳态系统优化及运行控制稳定性要求，而鲜有关注通过控制结构优化来降低运行能耗与成本需求。面对节能减排及环境保护等要求，富氧燃烧系统运行控制面临着严峻的挑战。因此，为实现富氧燃烧系统高效低成本运行控制，本发明提出了一种富氧燃烧系统及其控制方法，该控制方法能确保系统安全可靠运行，满足富氧燃烧系统日常运行控制要求，且能显著降低运行能耗与成本需求，维持系统运行利润最大化，为富氧燃烧电站商业化应用和发展提供理论与技术指导。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是，通过优化控制结构的方法，提出一种富氧燃烧系统及其控制方法，该系统具有控制结构简单，在指令或干扰下运行控制稳定可靠，系统所获得的运行利润相比于参考方案达到最大化目标，实现富氧燃烧系统高效低成本运行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种富氧燃烧系统及其控制方法，所述富氧燃烧系统包括煤粉燃烧系统、运行控制系统及参数监测系统三个部分；所述煤粉燃烧系统由煤粉直流锅炉、蒸汽产生、尾气处理、烟气循环、注氧和配风等单元组成；所述运行控制系统，由运行利润目标计算与调控集成单元、蒸汽温度控制单元、烟风控制单元、烟气氧浓度控制单元和比例控制单元等组成，具体表现为：1)运行利润目标计算与调控集成单元：运行利润目标计算模块涉及运行过程中风机功耗、冷却水用量、燃料用量、发电量、尾气处理等所产生的收益与成本之和，调控模块涉及确定优化后的各运行参数设定目标值，从而实现富氧燃烧系统运行利润最大化；2)蒸汽温度控制单元：包括主蒸汽温度、再热蒸汽温度、再热抽气流量和锅炉给水流量等控制模块；主、再热蒸汽温度由串级控制模块实现，主控制信号为主、再热蒸汽物流温度，控制信号传输至喷水减温流量控制远程端点，以实现对蒸汽温度的调控；3)烟风控制单元：包括循环烟气、空气、进入co2压缩纯化系统烟气、总注氧、二次风、二次注氧、燃烬风及燃煤等流量控制模块，以实现循环烟气、烟风分配及注氧等的调控；4)烟气氧浓度控制单元：为串级控制模块，主控制信号为炉膛出口烟气氧浓度，控制信号传输至总注氧流量控制远程端点，以实现对锅炉燃烧的调控；5)比例控制单元：由锅炉水侧与锅炉烟气侧协调控制计算单元组成，包括燃煤/给水、给水/再热抽气、二次注氧/总注氧、燃煤/空气、燃煤/循环烟气、二次风/循环烟气等比例计算模块，从而实现对负荷变化等运行工况调控；所述参数监测系统，由烟气氧浓度、蒸汽温度、一次风氧浓度、二次风氧浓度、炉膛运行压力等监测单元组成。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，包括对富氧燃烧系统稳定运行的参数监测，即包含烟气氧浓度、蒸汽温度、一次风氧浓度、二次风氧浓度、炉膛运行压力等运行参数的显示仪表，在总控室设有远程监控窗口和参数范围预警。

所述运行利润目标计算与调控集成单元，运行利润目标计算分为收益和成本两部分，运行收益为电量供应收益和co2产品收益，运行成本包括原煤消耗、供氧、工艺用水(烟气冷凝和喷水减温)、co2压缩纯化、脱硫脱硝及除尘、排污以及风机运行电耗等；调控集成单元对各运行参数设定目标值的统一调控，调控信号传输至各参数控制模块的远程端点，使系统始终维持在最大利润运行工况。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，系统稳定运行时满足各参数数值范围，即进入co2压缩纯化系统烟气量/进煤量控制在3.2～3.4、循环烟气量/进煤量控制在7.4～7.6、二次烟气量/循环烟气量控制在0.5～0.7、二次风氧浓度控制在20％～40％、主蒸汽温度控制在590～605℃、再热蒸汽温度控制在615～625℃、出炉膛氧浓度控制在2％～7％。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，富氧燃烧系统在该控制下能应对负荷变化等运行指令和氧浓度变化等运行干扰，具有强鲁棒性，运行控制稳定可靠，且运行利润实现最大化。

相对于其他的富氧燃烧系统，本发明具有如下优点：

(1)所提出的一种富氧燃烧系统及其控制方法，该方案具有控制结构简单，运行控制稳定可靠，能应对多种运行指令或干扰，且鲁棒性更强；

(2)所提出的一种富氧燃烧系统及其控制方法，充分考虑富氧燃烧系统运行过程中收益与成本构成，设有运行利润计算与调控模块，实时监测运行参数变化，能达到运行利润最大值的目标，实现富氧燃烧系统的高效低成本运行控制。

附图说明

图1表示富氧燃烧系统控制结构图：a.发明案例和b.参考案例。

图2表示富氧燃烧系统控制逻辑结构图。

图3表示负荷变化过程中富氧燃烧系统输入变化图。

图4表示负荷变化过程中锅炉岛水侧蒸汽温度的动态响应图。

图5表示负荷变化工况中锅炉岛烟气侧各运行参数的动态响应图。

图6表示氧气纯度变化工况中锅炉岛系统氧气纯度变化和氧气流量的动态响应图。

图7表示氧气纯度变化工况中锅炉岛水侧蒸汽温度的动态响应图。

图8表示氧气纯度变化工况中锅炉岛烟气侧各运行参数的动态响应图。

图9表示漏风阶跃变化工况下漏风阶跃变化与氧气流量的动态响应图。

图10表示漏风阶跃变化工况下锅炉水侧蒸汽温度的动态响应图。

图11表示漏风阶跃变化工况下锅炉岛烟气侧各运行参数的动态响应图。

图12表示负荷变化工况下的单位运行利润图。

图13表示氧流量变化工况下的单位运行利润图。

图14表示漏风阶跃变化工况下的单位运行利润图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体的富氧燃烧系统，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。

实施：一种富氧燃烧系统及控制方法

如图1a所示，为一种富氧燃烧系统，所述富氧燃烧系统包括煤粉燃烧系统，由煤粉直流锅炉、尾气处理、蒸汽产生、烟气循环、注氧和配风等单元；锅炉烟气侧气体依次通过水冷壁(ww1和ww2)、高温过热器(shpa)、中温过热器(shpl)、低温过热器(fsh)、髙温再热器(rh)、低温再热器(frh)、省煤器(eco)、选择性催化还原装置(scr)、空气预热器(ah)、静电除尘装置(esp)、烟气脱硫装置(fgd)和烟气冷却器(fgc)等，一股烟气进入co2压缩纯化单元(cpu)，一股烟气用作循环与注入氧气混合配成一、二次风(po和so)，一股通入烟囱排放；锅炉水侧给水经省煤器、水冷壁、过热器(高、中、低温)和再热器(高、低温)转变为主蒸汽和再热蒸汽，设置喷水减温器(at1、at2和at3)用于调节蒸汽温度；所述富氧燃烧系统还包括运行控制系统，由运行利润目标计算与调控集成单元、蒸汽温度控制单元、烟风控制单元、烟气氧浓度控制单元和比例控制单元等组成；所述富氧燃烧系统还包括运行参数监测系统，由烟气氧浓度、蒸汽温度、一次风氧浓度、二次风氧浓度、炉膛运行压力等监测单元组成。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，包括以下控制系统：

1)运行利润目标计算与调控集成单元：运行利润目标计算模块涉及运行过程中风机功耗、冷却水用量、燃料用量、发电量、尾气处理等所产生的收益与成本之和，调控模块涉及确定优化后的各运行参数设定目标值，从而实现富氧燃烧系统运行利润最大化目标；

2)蒸汽温度控制单元：包括主蒸汽温度、再热蒸汽温度、再热抽气流量和锅炉给水流量等控制模块；主、再热蒸汽温度由串级控制模块实现，主控制信号为主、再热蒸汽物流温度，控制信号传输至喷水减温流量控制远程端点，以实现对蒸汽温度的调控；

3)烟风控制单元：包括循环烟气、空气、进入co2压缩纯化系统烟气、总注氧、二次风、二次注氧、燃烬风及燃煤等流量控制模块，以实现循环烟气、烟风分配及注氧等的调控；

4)烟气氧浓度控制单元：为串级控制模块，主控制信号为炉膛出口烟气氧浓度，控制信号传输至总注氧流量控制远程端点，以实现对锅炉燃烧的调控；

5)比例控制单元：由锅炉水侧与锅炉烟气侧协调控制计算单元组成，包括燃煤/给水、给水/再热抽气、二次注氧/总注氧、燃煤/空气、燃煤/循环烟气、二次风/循环烟气等比例计算模块，从而实现对负荷变化等运行工况调控。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，包括对富氧燃烧系统稳定运行的参数监测，即包含烟气氧浓度、蒸汽温度、一次风氧浓度、二次风氧浓度、炉膛运行压力等运行参数的显示仪表，在总控室设有远程监控窗口和参数范围预警。

所述运行利润目标计算与调控集成单元，运行利润目标计算分为收益和成本两部分，运行收益为发电量收益和co2产品收益，运行成本包括原煤消耗、供氧、工艺用水(烟气冷凝和喷水减温)、co2压缩纯化、脱硫脱硝及除尘、排污以及风机运行电耗等；调控集成单元对各运行参数设定目标值的统一调控，调控信号传输至各参数控制模块的远程端点，使系统始终维持在最大利润运行工况。

利润目标计算具体组成如下所示：

a.系统收益

c1:火力发电厂的发电收益

c2：co2产品的销售

b.原料成本

c3:火电站燃烧所需原煤成本

c4:空分系统供氧成本

c5:工业用水中工艺水成本

c6:工业用水喷淋水成本

c.排污/脱除/电耗所需成本

c7:锅炉岛系统出口的co2压缩与纯化所需费用

c8:氮化物排污费

c9:硫化物排污费

c10:脱硫脱硝、除尘费用

c11:烟气冷却所需的费用

c12:风机运行所消耗的费用

收益方程：

所述一种富氧燃烧系统控制方法，运行参数初始值设定为：进入co2压缩纯化系统烟气量/进煤量为3.3、循环烟气量/进煤量为7.5、二次烟气量/循环烟气量为0.6、二次风氧浓度为38.63％、主蒸汽温度为598℃、再热蒸汽温度为619℃、出炉膛氧浓度为3.36％。系统稳定运行时应满足各参数数值范围，即进入co2压缩纯化系统烟气量/进煤量控制在3.2～3.4、循环烟气量/进煤量控制在7.4～7.6、二次烟气量/循环烟气量控制在0.5～0.7、二次风氧浓度控制在20％～40％、主蒸汽温度控制在590～605℃、再热蒸汽温度控制在615～625℃、出炉膛氧浓度控制在2％～7％。

所述一种富氧燃烧系统控制方法，富氧燃烧系统在该控制下能应对负荷变化等运行指令和氧浓度变化等运行干扰，具有强鲁棒性，运行控制稳定可靠，且运行利润实现最大化。

对比例1：设定文献所提出的控制结构(jinetal.internationaljournalofgreenhousegascontrol2014,30,97-117)为参考案例，比较不同控制结构下富氧燃烧系统的动态特性和运行利润变化。

实施例：

富氧燃烧系统动态特性

如图1a所示，为所提出的富氧燃烧系统控制结构图。为验证所得控制结构的可行性，得到富氧燃烧系统的动态特性，建立富氧燃烧系统动态模型，耦合所提出的控制结构，对负荷变化和运行干扰(包括空分制氧系统的氧产品纯度变化和炉膛漏风变化)下的运行工况进行动态模拟，监测关键运行参数，包括蒸汽温度、烟风中氧浓度、炉膛出口压力等等。从图2-11可以看相出在三种运行工况下，各观测参数均能维持在设定值附近，表现出良好的运行稳定性，证明本发明所提出的控制结构能保证富氧燃烧系统运行控制稳定可靠。

在三种运行工况下，可以得到各运行工况下的单位运行利润，如图12、13和14所示。从图中可以看出，当运行工况发生变化时，本发明所提出的控制系统的单位运行利润基本保持在86美元/t煤以上，随工况变化的影响极小；而参考案例的控制结构在工况发生变化时，系统的单位运行利润却发生了一定程度的降低，由此也可以进一步证明本发明所提出的控制结构能降低运行成本。因此，基于运行利润最大化的富氧燃烧系统控制结构能有效地保持系统稳定运行，具有良好的抗干扰能力，且运行利润能保持在86美元/t煤以上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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