邱若菡， 席 涵， 吳 嘯

(東南大學(xué) 大型發(fā)電裝備安全運(yùn)行與智能測(cè)控國(guó)家工程研究中心，南京 210096)

2020年我國(guó)燃煤電廠的二氧化碳排放量位居各行業(yè)之首，超過(guò)總排放量的1/3[1]。考慮到高參數(shù)、大容量機(jī)組大多在2000年后新建，這些機(jī)組還將繼續(xù)服役很長(zhǎng)一段時(shí)間[2]，解決燃煤電廠的碳排放問(wèn)題是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的必要途徑。全球碳捕集與封存研究院的報(bào)告指出，碳捕集與封存(CCS)技術(shù)可顯著減少能源密集型產(chǎn)業(yè)的二氧化碳排放，是一種重要的緩解氣候變化的手段[3]。因此，傳統(tǒng)火力發(fā)電廠必須充分利用CCS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型[4]。

與此同時(shí)，為提高電力系統(tǒng)對(duì)間歇性、波動(dòng)性可再生電力的消納能力，傳統(tǒng)火力發(fā)電廠已由基荷電源轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜谡{(diào)峰調(diào)頻的靈活電源。若碳捕集系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)火電廠負(fù)荷變化引起的煙氣波動(dòng)，并及時(shí)調(diào)整碳捕集率，滿足下游CO2利用端的需求變化，將無(wú)法充分發(fā)揮其減碳作用[5]。已有學(xué)者在火電機(jī)組-碳捕集系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)電力系統(tǒng)中的可再生能源輸出功率及用戶負(fù)荷靈活調(diào)整碳捕集率，通過(guò)改變抽汽質(zhì)量流量協(xié)調(diào)電-碳指令，可以有效提高可再生能源的消納水平[6-7]，同時(shí)也利于在波動(dòng)的電、碳市場(chǎng)條件下獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益[8]。然而對(duì)碳捕集系統(tǒng)而言，這一做法將會(huì)使再沸器抽汽的作用由控制變量轉(zhuǎn)變?yōu)閿_動(dòng)，影響碳捕集過(guò)程的安全高效運(yùn)行。因此，在未來(lái)嚴(yán)格的碳監(jiān)管制度下，為了保證給定的實(shí)時(shí)碳捕集水平，碳捕集系統(tǒng)無(wú)法提高火電機(jī)組的靈活性，甚至還成為制約系統(tǒng)靈活運(yùn)行的不利因素[5,9]。

在碳捕集系統(tǒng)內(nèi)布置吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備，在燃煤電廠發(fā)電需求較高、富液解吸能量不足時(shí)，將富液暫存在富液儲(chǔ)罐內(nèi)，并從貧液儲(chǔ)罐中釋放吸收劑以保證煙氣碳捕集水平，待機(jī)組能量充足時(shí)再抽取蒸汽用于溶劑再生，這是解決上述問(wèn)題的有效方法。Dowell等[5]比較了吸收劑存儲(chǔ)、煙氣排空和時(shí)變?nèi)軇┰偕?種碳捕集系統(tǒng)的運(yùn)行方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)吸收劑存儲(chǔ)策略可以有效降低在電力需求高峰期吸收劑再生所需的蒸汽量。Zaman等[9]發(fā)現(xiàn)，使用吸收劑存儲(chǔ)相比變化碳捕集率具有更低的運(yùn)行成本，且在實(shí)施嚴(yán)格碳排放法規(guī)時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)。Fl?等[10]通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，配備吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備后，碳捕集系統(tǒng)可以在維持90%碳捕集率的同時(shí)提高發(fā)電機(jī)組靈活性。

上述研究均聚焦于配置吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備的碳捕集系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，分析了吸收劑存儲(chǔ)裝備在日內(nèi)小時(shí)尺度下的運(yùn)行作用。尚未有文獻(xiàn)探討帶溶劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度指令的快速靈活追蹤。

目前，有關(guān)碳捕集系統(tǒng)靈活控制設(shè)計(jì)的研究主要集中于常規(guī)的吸收-解吸工藝流程，以適應(yīng)煙氣擾動(dòng)、靈活調(diào)整碳捕集率及維持再沸器溫度為主要任務(wù)。Lawal等[11]建立了化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的比例積分(PI)控制器，利用貧液質(zhì)量流量控制碳捕集率、再沸器熱負(fù)荷，從而控制再沸器溫度，動(dòng)態(tài)仿真發(fā)現(xiàn)碳捕集系統(tǒng)的吸收性能受吸收塔內(nèi)溶劑-煙氣的摩爾比影響較大，而再生性能主要受到再沸器熱負(fù)荷的影響。Nittaya等[12]利用相對(duì)增益陣列(RGA)分析，尋求碳捕集過(guò)程控制變量和被控變量的最佳配對(duì)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了以貧液質(zhì)量流量控制再沸器溫度、再沸器熱負(fù)荷從而控制碳捕集率為核心的6輸入6輸出控制系統(tǒng)，但該系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度較慢，需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。Chen等[13]在傳統(tǒng)比例積分微分(PID)控制基礎(chǔ)上增加了前饋控制和解耦技術(shù)，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化了控制參數(shù)，結(jié)果表明所提方法可以快速消除煙氣的擾動(dòng)影響，減少調(diào)節(jié)過(guò)程中吸收-解吸過(guò)程的耦合關(guān)聯(lián)。Wu等[14]為碳捕集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器(MPC)，MPC控制相比傳統(tǒng)PID控制具有更好的動(dòng)態(tài)控制效果。

然而，配置吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備后，碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)行需求和控制方式均發(fā)生了根本變化。由于吸收劑儲(chǔ)罐的存在，吸收和解吸的溶劑流量出現(xiàn)較大差別，系統(tǒng)可以依靠自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)吸收塔與解吸塔間的有效解耦。同時(shí)，系統(tǒng)將因更多的溶劑存量呈現(xiàn)更明顯的慣性特點(diǎn)。而由于系統(tǒng)具有較好的靈活性儲(chǔ)備，再沸器抽汽可被用于輔助發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)，其對(duì)碳捕集系統(tǒng)的作用由操作變量轉(zhuǎn)變?yōu)閿_動(dòng)。此外，控制系統(tǒng)在追蹤碳捕集率指令和滿足再沸器溫度的同時(shí)，還需要兼顧儲(chǔ)罐液位的波動(dòng)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行并預(yù)留一定的靈活性儲(chǔ)備。因此，配置吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備的碳捕集系統(tǒng)呈現(xiàn)新的大慣性、多擾動(dòng)、多約束特征，需要為其設(shè)計(jì)新型的控制系統(tǒng)，在保證碳捕集系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上支撐燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活運(yùn)行。

為此，筆者在對(duì)帶吸收劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，提出了基于吸收、解吸過(guò)程獨(dú)立設(shè)計(jì)和基于系統(tǒng)整體集中設(shè)計(jì)的2種預(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)在預(yù)測(cè)模型中考慮煙氣和抽汽質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，引入前饋?zhàn)饔茫瑢?shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的及時(shí)抑制補(bǔ)償。在碳捕集率設(shè)定值追蹤、煙氣與抽汽質(zhì)量流量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真中證明所提控制方法的有效性和優(yōu)越性。

1 帶吸收劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)介紹

采用Liao等[15]基于gCCS平臺(tái)建立的基于30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇胺(MEA)溶劑吸收的燃燒后碳捕集(PCC)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了貧液、富液存儲(chǔ)設(shè)備模型。gCCS是英國(guó)PSE公司基于gPROMS仿真平臺(tái)開發(fā)，專門用于CO2捕集、輸送和存儲(chǔ)全過(guò)程模擬的商用軟件[16]。系統(tǒng)工作流程如圖1所示：煙氣自下而上進(jìn)入吸收塔，與自上而下進(jìn)入的貧液(低CO2載荷吸收劑)逆向接觸，煙氣在脫除CO2后從吸收塔頂部離開排入大氣。吸收了CO2的富液(高CO2載荷吸收劑)從吸收塔底部離開并存儲(chǔ)于富液儲(chǔ)罐中。流入再生塔的富液質(zhì)量流量由富液泵控制，其在與再生貧液換熱后從上至下進(jìn)入解吸塔完成CO2解吸。解吸熱量由汽輪機(jī)抽汽提供。解吸后的CO2從解吸塔頂部離開進(jìn)入冷卻器，完成后續(xù)工藝。再生后的貧液流入貧液儲(chǔ)罐，再通過(guò)貧液泵控制碳捕集所需的貧液質(zhì)量流量，從而完成一次循環(huán)。碳捕集系統(tǒng)的吸收塔、解吸塔和儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。額定工況下碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表2。

圖1 帶溶劑存儲(chǔ)化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the model of PCC system with solvent storage

1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

掌握系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。隨著可再生能源的大量接入，燃煤電站變負(fù)荷運(yùn)行已成為常態(tài)。頻繁的煙氣波動(dòng)對(duì)碳捕集率的平穩(wěn)控制提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，碳捕集過(guò)程中需要維持合適的再沸器溫度以保證溶劑高效再生。此外，由于布置了吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備，在控制設(shè)計(jì)中有必要兼顧液位約束，以保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。為此，分別對(duì)貧液、富液與再沸器抽汽質(zhì)量流量進(jìn)行+5%階躍響應(yīng)測(cè)試，掌握碳捕集率與再沸器溫度的變化規(guī)律。此外，對(duì)于不含溶劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)而言，為達(dá)到整體系統(tǒng)的水力平衡，需要保證貧液質(zhì)量流量與富液質(zhì)量流量一致；而帶溶劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)可以通過(guò)貧液質(zhì)量流量和富液質(zhì)量流量的差異調(diào)節(jié)來(lái)增強(qiáng)碳捕集過(guò)程的靈活性。因此，為了體現(xiàn)儲(chǔ)液罐對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，同時(shí)對(duì)不含儲(chǔ)液罐(即無(wú)儲(chǔ)罐)的碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行了貧液與抽汽質(zhì)量流量的階躍響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果如圖2～圖4所示。碳捕集率yCL定義如下：

表1 化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of PCC system with solvent storage

表2 化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)的額定工況參數(shù)Tab.2 Nominal operating parameters of PCC system with solvent storage

圖2 貧液質(zhì)量流量階躍時(shí)碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.2 Dynamic response of PCC system during the lean solvent flow rate stepping

圖3 富液質(zhì)量流量階躍時(shí)碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.3 Dynamic response of PCC system during the rich solvent flow rate stepping

圖4 抽汽質(zhì)量流量階躍時(shí)碳捕集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.4 Dynamic response of PCC system during the steam flow rate stepping

(1)

式中：qm,fg,in和qm,fg,out分別為煙氣入口和出口質(zhì)量流量，kg/s；win和wout分別為煙氣入口和出口CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；t為時(shí)間，s。

由圖2可以看出，貧液質(zhì)量流量增加可以在短時(shí)間內(nèi)迅速提升碳捕集率。對(duì)于不含溶劑儲(chǔ)罐的碳捕集系統(tǒng)，由于抽汽質(zhì)量流量不變，再沸器溫度會(huì)因?yàn)樨氁嘿|(zhì)量流量的增加而逐漸降低，導(dǎo)致貧液CO2載荷逐漸增加，碳捕集率會(huì)緩慢降低到初始值附近，穩(wěn)定時(shí)間約為2.5 h；而當(dāng)碳捕集系統(tǒng)配置富液儲(chǔ)罐后，貧液質(zhì)量流量的變化并不會(huì)對(duì)再沸器溫度造成影響，因而碳捕集率會(huì)隨貧液質(zhì)量流量的階躍增加而快速上升并保持穩(wěn)定。由圖3可知，富液儲(chǔ)罐出口質(zhì)量流量階躍增加時(shí)，再沸器溫度會(huì)逐漸降低，由于貧液儲(chǔ)罐的引入，系統(tǒng)存在大量的水溶劑，具有龐大的熱慣性，因此再沸器溫度變化對(duì)碳捕集率的影響十分緩慢，碳捕集率的穩(wěn)定時(shí)間接近9 h。

由圖4可知，抽汽質(zhì)量流量階躍增加使得再沸器溫度逐漸上升，但由于溶劑存儲(chǔ)增大了系統(tǒng)的慣性，碳捕集率的變化十分緩慢，穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)大于無(wú)儲(chǔ)罐的碳捕集系統(tǒng)。綜合圖2～圖4的分析認(rèn)為，溶劑儲(chǔ)罐的引入消除了貧液質(zhì)量流量對(duì)解吸過(guò)程的影響，減弱和延緩了抽汽對(duì)吸收過(guò)程的影響，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)吸收與解吸過(guò)程間的解耦。此外，煙氣質(zhì)量流量變化將引起碳捕集率同步改變，而對(duì)再沸器溫度的影響很小[14]。基于上述分析，可以將抽汽質(zhì)量流量轉(zhuǎn)移至電站側(cè)用于調(diào)節(jié)發(fā)電功率，以提升機(jī)組的靈活性，而通過(guò)富液質(zhì)量流量調(diào)節(jié)可以保證再沸器溫度的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)CO2的高效解吸。

2 配置吸收劑存儲(chǔ)設(shè)備的碳捕集系統(tǒng)控制方法

2.1 控制策略

基于上述分析，針對(duì)帶吸收劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)提出了基于吸收-解吸獨(dú)立設(shè)計(jì)和基于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的控制策略，2種控制策略均采用含有前饋?zhàn)饔玫念A(yù)測(cè)控制方法，基于預(yù)測(cè)模型預(yù)估未來(lái)系統(tǒng)的響應(yīng)性能，提前做出調(diào)節(jié)動(dòng)作，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)緩慢、存在約束的問(wèn)題，并及時(shí)處理煙氣與抽汽側(cè)擾動(dòng)的影響?？刂平Y(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。

圖5 基于分散式MPC控制的帶溶劑存儲(chǔ)化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)Fig.5 Decentralized model predictive control of PCC system with solvent storage

動(dòng)態(tài)特性分析顯示，貧液質(zhì)量流量對(duì)碳捕集率的影響明顯，而富液質(zhì)量流量對(duì)再沸器溫度的影響較大。因此，在分散式控制中，吸收塔控制器利用貧液質(zhì)量流量控制碳捕集率，煙氣質(zhì)量流量作為可測(cè)擾動(dòng)；解吸塔控制器利用富液質(zhì)量流量控制再沸器溫度，抽汽質(zhì)量流量作為可測(cè)擾動(dòng)。在集中式控制中，碳捕集系統(tǒng)整體控制器通過(guò)貧液質(zhì)量流量和富液質(zhì)量流量共同調(diào)節(jié)碳捕集率和再沸器溫度，煙氣質(zhì)量流量和抽汽質(zhì)量流量作為系統(tǒng)的2個(gè)可測(cè)擾動(dòng)。

圖6 基于集中式MPC控制的帶溶劑存儲(chǔ)化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)Fig.6 Centralized model predictive control of PCC system with solvent storage

2.2 模型預(yù)測(cè)控制

使用如式(2)所示的離散狀態(tài)空間模型作為本文碳捕集系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型：

(2)

式中：k為步數(shù)，k=0,1,2,…；A0、B0、C0、D0、E0和F0為系統(tǒng)特性矩陣，可通過(guò)數(shù)據(jù)辨識(shí)獲得；x0、u、y分別為碳捕集系統(tǒng)的狀態(tài)量、輸入變量(如貧液質(zhì)量流量u1、富液質(zhì)量流量u2，單位為kg/s)和輸出變量(碳捕集率y1、再沸器溫度y2和溶劑儲(chǔ)罐液位y3，單位分別為%、K和m)；d為可測(cè)擾動(dòng)，包括吸收塔入口煙氣質(zhì)量流量d1和再沸器抽汽質(zhì)量流量d2，單位為kg/s。

在預(yù)測(cè)模型中考慮可測(cè)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，等效于引入前饋?zhàn)饔茫涌炝藢?duì)擾動(dòng)的抑制作用。

在式(2)基礎(chǔ)上采用增量形式的狀態(tài)空間方程作為預(yù)測(cè)模型，以獲得無(wú)差的跟蹤效果：

(3)

其中，Δx0(k)=x0(k+1)-x0(k)，由于x0(k)無(wú)法直接測(cè)量，采用卡爾曼濾波[18]進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)得到；O為零矩陣；x(k)=[Δx0(k)y(k-1)]T;Iny為單位矩陣；Δu(k)=u(k+1)-u(k)；Δd(k)=d(k+1)-d(k)。

定義滾動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)J如下：

(4)

考慮到貧液質(zhì)量流量和富液質(zhì)量流量的大小和速率限制，以及再沸器溫度和儲(chǔ)罐液位的限制，在碳捕集系統(tǒng)的MPC控制器設(shè)計(jì)中設(shè)置對(duì)以上變量的約束：

(5)

式中：umax和umin分別為輸入變量u的上下限；Δumax和Δumin分別為輸入變量變化速率Δu的上下限；ymax和ymin分別為輸出變量的上下限。

每一采樣時(shí)刻，在此約束條件下優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)式(4)，得到最優(yōu)的控制序列ΔU，并把當(dāng)前時(shí)刻的控制作用施加于系統(tǒng)，在下一時(shí)刻進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化。

3 算例分析

為驗(yàn)證所提出2種控制方法的追蹤性能與抗擾性能，設(shè)計(jì)了以下2個(gè)典型場(chǎng)景，并與常規(guī)的PI控制方法和不考慮擾動(dòng)前饋的集中式MPC控制方法進(jìn)行對(duì)比。MPC參數(shù)與約束設(shè)置如表3所示。PI控制配對(duì)方式為貧液質(zhì)量流量調(diào)節(jié)碳捕集率(比例系數(shù)kp1=50.30，積分系數(shù)kI1=3.27)，富液質(zhì)量流量維持再沸器溫度(比例系數(shù)kp2=139.89，積分系數(shù)kI2=0.092)。所有控制器的采樣時(shí)間均為30 s。

表3 MPC參數(shù)與約束設(shè)置Tab.3 Settings of the MPC parameters and constraints

3.1 算例1：碳捕集率追蹤性能

假設(shè)初始時(shí)刻碳捕集系統(tǒng)在表2所示的工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，碳捕集率設(shè)定值在第600 s和3 600 s時(shí)分別變化至90%和50%。仿真過(guò)程中抽汽質(zhì)量流量和煙氣質(zhì)量流量不變，控制目標(biāo)為追蹤碳捕集率設(shè)定值，保持再沸器溫度穩(wěn)定，控制效果如圖7所示。分散式MPC控制、集中式MPC控制和不含擾動(dòng)前饋的集中式MPC控制3種控制方法在第一和第二階段均表現(xiàn)出較好的碳捕集率追蹤性能，而傳統(tǒng)的PI控制在碳捕集率上升階段的調(diào)節(jié)速度慢于MPC控制，且在碳捕集率設(shè)定值下降較多的情況下出現(xiàn)了明顯超調(diào)。4種控制方法均表現(xiàn)出了較好的再沸器溫度控制效果，其中集中式MPC控制方法由于在過(guò)程中略微改變了富液質(zhì)量流量，使得再沸器溫度出現(xiàn)極小的波動(dòng)。4種控制方法均可滿足吸收劑儲(chǔ)罐液位的運(yùn)行約束。

(a)

3.2 算例2：煙氣和抽汽擾動(dòng)的抑制性能

假設(shè)初始時(shí)刻碳捕集系統(tǒng)在表2所示的工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，在第600 s時(shí)煙氣質(zhì)量流量增加3%，并于第2 400 s回到初始數(shù)值；在第4 800 s抽汽質(zhì)量流量增加3%，并在第6 600 s回到初始數(shù)值。仿真過(guò)程中碳捕集率和再沸器溫度設(shè)定值不變，控制結(jié)果如圖8所示。由于在預(yù)測(cè)模型中考慮了煙氣和抽汽擾動(dòng)的影響，分散式MPC控制和集中式MPC控制表現(xiàn)出了更優(yōu)的性能，能夠快速改變貧液質(zhì)量流量和富液質(zhì)量流量，對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而更好地追蹤碳捕集率設(shè)定值，并維持再沸器溫度恒定。

采用如式(6)所示的絕對(duì)誤差積分(IAE)EIAE準(zhǔn)則對(duì)控制性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)：

(6)

式中：e(t)為設(shè)定值與實(shí)際輸出的偏差；T為仿真時(shí)間，s。

4種控制方法的IAE指標(biāo)如表4所示，筆者所提2種控制方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。其中，基于碳捕集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的集中式MPC由于考慮了系統(tǒng)多變量間的耦合關(guān)聯(lián)，具有更好的控制性能。但因?yàn)槲談﹥?chǔ)罐大幅減弱了系統(tǒng)在吸收側(cè)和解吸側(cè)的耦合，基于分散設(shè)計(jì)的MPC也獲得了近似的控制效果，且設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、計(jì)算量更小、系統(tǒng)可靠性更好，還可以依據(jù)吸收側(cè)與解吸側(cè)的不同特性設(shè)置不同的控制器參數(shù)。

(a)

表4 抗擾動(dòng)性能的IAE指標(biāo)對(duì)比Tab.4 IAE comparison of anti-disturbance performance

仿真結(jié)果表明，所提的2種控制方法可以快速平穩(wěn)地追蹤碳捕集率設(shè)定值，并能很好地抑制煙氣和再沸器抽汽帶來(lái)的擾動(dòng)。在這2種控制方法下，帶溶劑存儲(chǔ)的碳捕集系統(tǒng)可以將再沸器抽汽質(zhì)量流量用于輔助發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)。

4 結(jié) 論

在深入分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，為帶吸收劑存儲(chǔ)的化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于吸收-解吸過(guò)程獨(dú)立設(shè)計(jì)的分散式MPC控制和基于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的集中式MPC控制2種控制方法。為了更好地發(fā)揮碳捕集系統(tǒng)利用再沸器抽汽輔助發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)，支撐機(jī)組靈活運(yùn)行的功能，所提控制方法將再沸器抽汽質(zhì)量流量視為碳捕集系統(tǒng)的擾動(dòng)而非控制變量，通過(guò)調(diào)節(jié)貧液質(zhì)量流量和富液質(zhì)量流量控制碳捕集率和再沸器溫度。通過(guò)在預(yù)測(cè)模型中考慮煙氣、抽汽對(duì)系統(tǒng)性能的影響，引入前饋?zhàn)饔茫瑢?shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的及時(shí)抑制補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明，所提的2種MPC控制方法可以很好地發(fā)揮帶吸收劑存儲(chǔ)的化學(xué)吸收碳捕集系統(tǒng)的性能優(yōu)點(diǎn)，有效抑制煙氣與抽汽擾動(dòng)影響，同時(shí)可對(duì)碳捕集率設(shè)定值進(jìn)行快速追蹤。與常規(guī)PI控制和不帶擾動(dòng)前饋設(shè)計(jì)的控制方法的對(duì)比分析證明了本文所提方法的有效性和優(yōu)越性。