基于热经济学的富氧燃烧CO2捕获过程先进控制结构及其性能优化研究

Oxy-fuel combustion is considered as one of the best applicable and promising CO2 capture technologies, and the system optimization and operation control become the key points for reducing the energy-cost and promoting the commercial application for this technology. However, traditional control methods focus on the single target of energy consumption or economic cost and the optimization of single control hierarchy, while lack the clear understanding of a control optimization method based on the coupled multiple control hierarchies and energy-cost dual objectives. Therefore, the proposed project aims to employ the theory of thermoeconomics characterized with both thermodynamics and economic cost for optimizing the operation control, to uncover the correlation between thermoeconomics and process control, and to construct multi-level coupling collaborative control optimization mechanism. By the combination of dynamic simulation, advanced control and thermoeconomics, novel thermoeconomic-based control pairing criteria is theoretical derived, a new dynamic thermoeconomic method is developed, the control objective, variable, pairing, moves and reference trajectory are optimized in a way of multi-level and top-down, advanced control structure based on the integration of thermoeconomics and model predictive control is established, the dynamic behaviors during different operating conditions are identified, the impact laws of energy consumption from operation and cost formation caused by control intervention, strategy and inherent components are analyzed, and then the high energy efficiency and low economic cost operation control will be achieved for oxy-fuel combustion process with CO2 capture. The successful implementation of this project will offer the theoretical basis and technical support to achieve optimal design, reliable operation and commercial application for oxy-fuel combustion process with CO2 capture.

富氧燃烧是最具应用前景的CO2捕获技术之一，系统优化与运行控制是降低能耗成本和促进商业推广的关键。然而，传统控制方法侧重于能耗或成本单一目标及单一控制层级优化，对基于多个控制层级耦合、能耗成本双重目标的控制优化机制尚不清晰。因此，本项目拟运用兼顾热力学与经济成本的热经济学理论优化运行控制，揭示热经济学与过程控制之间的关联，构建多层级耦合协同控制优化机制。结合动态模拟、先进控制及热经济学等，推导新型热经济学控制匹配判据，提出通用的动态热经济学方法，自上而下多层级优化控制目标、变量、匹配、动作、轨迹及性能，建立基于热经济学与模型预测控制相耦合的先进控制结构，获取不同运行工况下的动态特性，分析控制干预、策略及内部组成对运行能耗与成本形成的影响规律，从而实现富氧燃烧CO2捕获过程高效低成本运行控制。本项目的成功实施有望为富氧燃烧CO2捕获过程的优化设计、可靠运行和商业化应用提供理论依据和技术支撑。

作为一种具有商业化应用前景的二氧化碳捕获、利用与封存技术，富氧燃烧使用纯氧代替空气与燃料燃烧，通过循环烟气调节炉膛温度分布，以较低成本实现二氧化碳捕集与利用，具有技术可靠、规模放大性好和环境友好的优点。然而，由于引入空分制氧、压缩纯化和烟气循环，富氧燃烧面临着运行控制难度大与能耗成本高的问题。基于此，本项目从控制优化节能角度出发，耦合热经济学与先进控制，揭示热经济学与过程控制之间的关联，优化富氧燃烧二氧化碳捕获过程控制结构与性能，主要开展了“基于热经济学的新型控制匹配判据及性能优化方法”、“基于热经济学的富氧燃烧二氧化碳捕获过程控制结构优化”、“基于动态热经济学的富氧燃烧二氧化碳捕获过程控制性能优化”等研究，在多层级控制优化与动态热经济学评价上取得了一些成果。在控制优化方法上，提出了基于过程模型的动态热经济学分析方法，将热经济学理论计算编译成过程模型中的计算模块，通过过程模型、控制模型与热经济学在线耦合，以富氧燃烧二氧化碳压缩纯化系统为案例，实现了对复杂工业过程的实时热经济学分析。对于多层级控制优化，使用自寻优控制理论优选控制变量，结合模型预测控制优化控制动作，运用动态热经济学优化控制性能，提出了基于单位运行能耗/单位运行成本最小化和运行利润最大化的富氧燃烧系统自寻优控制结构，建立了基于自回归分析模型与状态空间模型的富氧燃烧系统模型预测控制结构。动态模拟结果表明，所提出的先进控制结构均表现良好的鲁棒性，满足典型运行工况要求，且能显著降低能耗成本，维持富氧燃烧系统最大单位运行利润在￥200 /tCO2左右。在动态热经济学分析方面，分析了富氧燃烧系统在典型运行工况下动态热力学与经济学性能，解析了控制策略对富氧燃烧系统运行利润组成和运行成本组成动态演变规律。这些研究成果，有利于深入理解富氧燃烧系统能耗成本形成与运行控制调节，为实现富氧燃烧系统高效低成本运行和商业化应用提供了理论指导与技术支持。