与空分装置集成的阿拉姆循环发电厂的动态仿真

摘要

在二氧化碳含量是由于人类活动的空前上涨，如果任其发展，可导致增加全球变暖。电力和25％左右这个温室气体排放的热量产生帐户。的阿拉姆周期，一个新的氧 - 燃料动力循环，其发射基本上没有CO₂也没有_X，固有地与空气分离装置一体化。在这项研究中，Aspen Plus软件动力学被用来集成阿拉姆电厂/空气分离单元（ASU）具有高度的热和功集成的建模。开发的稳态模型与净功率开发的模型一致。监管和先进的PID控制器都是主要设备实现，以满足经营目标。控制器设定点的变化，功率斜坡下降和天然气组成的变化进行了研究和关键设备性能指标进行了监测和分析。这项研究表明，与ASU集成了阿拉姆循环发电厂是可控的一个紧密集成的配置下的控制策略。

1.介绍

美国大约三分之一的温室气体排放是由发电产生的。美国三分之二的电力来自化石燃料燃烧，由于美国拥有丰富的廉价天然气，这一情况在2040年之前不会有明显改变。这些燃烧过程产生的二氧化碳是一种强效的温室气体。该CO₂2017年美国发电排放为18亿吨。根据冰核记录文件，今天大气中的二氧化碳含量比80万年前还要多。根据最近的一项研究，我们只有不到11年的时间来大幅减少温室气体排放，以避免全球气温上升2摄氏度带来的有害影响，这相当于大气中二氧化碳含量达到450ppm。碳捕获、利用和储存(CCUS)是一种很有前途的技术，可以帮助减少化石燃料发电厂的大量排放。碳捕集主要有三种方法:(1)预燃;(2)二次燃烧;(3) CO的氧燃料燃烧₂回收和捕捉。预燃烧用于整体气化联合循环(IGCC)中，二氧化碳在进入燃气轮机之前从合成气中被捕获。在燃烧后，二氧化碳气体在燃烧后被溶剂、吸附剂或膜捕获。氧燃烧是指在有氧的情况下燃烧，然后将浓缩的二氧化碳捕获并用于提高石油采收率、化学原料或封存。氧燃碳捕集工艺的缺点是需要空气分离装置和二氧化碳压缩及净化装置[1-五]。

用的59.7％和零CO高效率的新的先进的氧 - 动力循环₂也没有_X发射是阿拉姆周期。这种高度间壁式氧 - 燃烧循环利用再循环的超临界二氧化碳（97％回收）的稀释的氧气和天然气在高温和高压下操作燃烧器。其余3％的高压/高纯度的管线级CO₂准备好运输，利用和地下储存。该系统的一个组成部分是空气分离单元（ASU）供给高纯度氧气到燃烧器。与ASU电厂的这种组合的结果是需要控制的有效策略的两个工厂之间的互动很多。工艺操作的性能指标包括可持续性和经济学（即能量）。但总是有可持续性和盈利[之间的冲突6，7]。综合控制策略的运用将使电厂运行平稳、经济;然而，由于额外的控制器和工程努力的成本，它可能导致更高的资本支出。应该谨慎地选择最佳的控制器数量和适当的控制策略，以优化工厂的运行和资本成本。为此，应了解电厂/ASU运行参数和约束条件。

即使电厂预计将以其设计能力运行，它也应该能够在非设计条件下运行。非设计工况，也称为系统的暂态行为，是过程要求、电厂运行模式或电力负荷变化的结果。对于阿拉姆电厂/ASU，必须实施灵活和鲁棒的控制方案，并进行密集的质量和能量集成，以使源自电厂某部分的负荷变化等干扰能够传播到整个网络。由于这种密集的热和功积分，减少了选择操作变量(MVs)的自由度[8，9]。

ASU是氧燃烧过程的一个组成部分，它应该能够处理电厂的上升速率以及灵活的过程操作。运作的灵活性部分是由于风力和太阳能等零星可再生能源的使用增加，这些能源已连接到电网[10，11]。这将导致发电厂以动态的方式运行。为了实现这一点，灵活的操作对ASU和电厂各自的控制器设计和实现都提出了挑战。采用自顶向下和自底向上的分析方法设计控制结构。自顶向下的分析包括定义目标，识别基于可用自由度的操纵变量，以及选择适当的过程变量进行度量。在自底向上的设计中，分别对流量、压力和液位控制回路实施调节控制，而在监督作用中，采用级联和比例控制，这是先进PID控制策略的一部分[12，13]。

据作者所知，还没有在阿拉姆电厂与ASU集成任何公开或动态控制策略的研究。用的变量的选择沿控制策略取决于度在动态仿真可用自由的与合适的控制理念，以适应设定点（SP）的变化和分别拒绝干扰，沿着。在本文中，稳态仿真首先描述，其次是设备尺寸，控制策略的描述，并且所述动态仿真结果。

2.方法

2.1。方法框架

为了设计和实施一个动态的系统控制器和控制策略，动态仿真是一个重要的工具。此外，它会导致更好地了解过程响应某一设定值（SP）或干扰变量（DV）变化，可以提高工厂运作的安全性和可靠性。这也是一个经济有效的方式对控制器的实施进行可行性研究，然后才能做了详细的前端工程设计（FEED）研究或试验工厂成立。它也可以作为运营商一个有用的训练模拟器。相比之下，稳态模型是不存在于自然界的瞬态和不能帮助检测或分析的动态系统的特性[14，15]。

市场上只有少数合适的模拟工具可以处理复杂和困难的过程，如蒸馏、燃烧、反应器、复杂的化学，以及过程单元或工厂之间的热和工作集成[16]。本研究在Aspen Plus V.10中进行稳态仿真，并导入Aspen Plus Dynamics V.10中。使用了两个不同的物业包:Peng Robinson用于空分单元，soav - redlich - kwong用于Allam循环。Aspen Plus Dynamics是Aspen Tech公司的动态建模工具包，可用于为石化、化工和其他行业的工艺设计和工厂操作能力建模[17]。这里，稳态仿真可以通过选择“流驱动”或“压力驱动的”模型被转换为一个动态仿真。在这种动态研究中，“流驱动”解算器被用来广泛的动态模拟的应用程序是合适的。稳态仿真结果最近在其他地方发表[五]和在部分中描述简要地2.2为使所有设定点的变化和扰动的基准条件。

2.2。综合阿拉姆周期/ ASU的稳态仿真

在本研究中，Allam循环的氧化燃烧过程需要145.8 tph的氧气来燃烧36 tph的天然气。所选择的ASU是一个低温双柱系统，它产生99.5%摩尔纯度的氧气流和氮气流。两柱之间存在紧密的能量和质量积分。它也可以处理液体产品和大容量的气体产品。环境空气被主空气压缩机(MAC)吸走，在主低温热交换器中通过低压柱的出口流进行过冷。一部分过冷空气通过膨胀器送到低压柱(LPC)，另一部分送到高压柱(HPC)。从HPC底部(5.6 bar)的工艺流被发送到LPC顶部(1.2 bar)作为回流。LPC的底部流是纯O₂和LPC的顶部物流是N₂。的气态氧（GOX）通过LPC的底部从主低温热交换器来通过O压缩₂压缩机和发送到在阿拉姆植物燃烧器[18]。

阿拉姆循环是一个高压、高回热的超临界布雷顿循环。在这里，天然气和氧气的混合物在CO的存在下燃烧₂可作为稀释剂降低燃烧器的绝热火焰温度。1110℃的燃烧室出口气流被送入高温、高压的东芝涡轮。涡轮的废气在745℃左右被冷却在一个与回收CO交换热量的回热器中₂流式传输到燃烧室。水从CO除去₂流中的分离器。该CO₂被压缩后，大部分(97%)被回收回燃烧室，3%用于提高原油采收率(EOR)或地质封存。为了提高采收率，CO的纯度₂应大于95％，和用于隔离，它应该是85％和99％之间。19]。数字1示出的块流程图集成复杂，和表1示出了流流动条件，使空气分离单元的稳态仿真。表2显示了我们工作的比较和阿拉姆等人的作品。在稳定状态下[五，20.，21]。

2.3。综合阿拉姆周期/ ASU的动态模拟

要将稳态模拟导出为动态模拟，需要对设备进行选型和评级。对于高性能混凝土(HPC)和LPC，分级涉及到指定的塔的类型(塔板或填料)、塔板的设计、进料塔板的位置，以及对浸水和渗水的考虑。对高性能混凝土进行了回流筒和污水坑的选型，对低压混凝土进行了污水坑的选型。根据进入或离开容器的总液体量，50%满相当于5分钟的液体含率，这是基于启发式的大小。对于回流鼓，这是液体馏出物和回流的总和，对于池，这是从底部塔盘进入再沸器的液体[22，23]。表3给出，其中效率和级数的输入是取自文献的旋转设备的规格。表4示出了HPC / LPC规格。对于主低温换热器，一区分析是为在逆流模式一个区域来完成。

由于循环内不同流程单元之间的相互作用以及与流程表的其他部分相比缓慢的循环动力学，循环流的动态模拟可能难以收敛。回收的流也容易不稳定和敏感的影响的外部干扰[24-26]。区域分析需要被转换到动态模式之前，换热器来完成。所使用的CO分离的分离器₂和H₂O的长度为10米，直径为3米。对于分离器，传热选项设置为17℃恒温。然后，通过选择流驱动求解器，将稳态仿真导出到动态环境中。

2.4。控制策略和控制器

控制策略的选择主要基于盈利能力和可用资产的最大利用。具有高度热/工集成和大型循环流的工厂更容易在控制回路中发生交互，同时自由度降低，即。，可用的操纵变量。在动态研究中，每个MV消耗一个自由度，而这个自由度又决定了相应的控制变量CV。在这项工作中，所选择的MVs被认为是最有效和最相关的目标CVs。一层先进的PID控制是实现在一个过程的监管控制称为集成的操作层次为这项工作。采用内模控制(IMC)方法对控制器进行整定，以保证控制系统的稳定性和鲁棒性。

2.4.1。监管PID控制

可配置的PID控制器是过程和电力工业的主力。PID控制器可以在没有模型来实现，并且可以调谐基于响应速度，渐近性，和死区时间[27，28]。PI控制器而只被用于减少振荡和，因为它放大该过程噪声的稳定时间微分作用中使用的最常见形式。PI广泛用于流量，压力，水平，组成和温度控制回路。

在ASU中，冷凝器压力、回流汽包水位和高压塔(HPC)的水仓水位采用PI控制器。同样，对于低压柱(LPC)，柱压力和水池水位也使用PI控制器。对于阿拉姆电厂，分离器有压力和液位控制，两者都是PI型。在这个仿真中最重要的PI控制器是温度控制器(tic1)，它维持着燃烧室出口到涡轮进口的气体的温度。它是通过控制CO的量来维持的₂出口EOR /吸收，这反过来又控制CO的再循环₂回到燃烧器。这个公司₂是一种稀释剂，可降低在化学计量比附近运行的氧燃烧过程的绝热火焰温度。该稀释剂还有助于通过减少点火延迟时间和火焰速度来控制反应温度[29]。

2.4.2。高级PID控制(比例级联)

比率控制适用于保持受控流与野生流之间的规定比例，如燃烧过程中的燃料-空气比、两种燃料成分的掺混比、精馏塔中的蒸汽-进料比等。30.]。在这项研究中，燃料 - 空气比控制器被部署以维持天然气之间的燃烧器和进料空气在主空气压缩机中的化学计量比。此外，为了从燃烧器出口控制甲烷滑动量，所述甲烷组成控制器（AIC-1）级联到比率控制器（RC-1），以提供一个可调节的比率。数字2示出了用于集成的植物的控制结构，和表五提供控制器ID、控制器类型、涉及的过程变量(PV)/操纵变量(MV)和控制器调优。

3。结果与讨论

3.1。燃烧器出口温度控制器的设定点跟踪（TIC-1）

通过对燃烧室出口温度的二次设定值变化，对燃烧室出口温度进行了设定值跟踪。被监视的过程变量是（一世）甲烷从燃烧器中滑出（ⅱ）燃烧室出口气流的温度、压力和流量（ⅲ）温度，压力，和涡轮机排气流的流(iv)水浓度在用于封存/ EOR管道二氧化碳线（五）可供出口净功率

在燃烧室出口温度控制器(tic1)上执行双设定值变化，调节管道二氧化碳流量以调节CO₂回流到燃烧室。当燃烧室的出口温度控制的设定点变为高，再循环CO₂流回燃烧器被降低（更流到管道用于EOR /封存），以提高所述燃烧器的温度。

燃烧器温度的设定点变化的响应是光滑并且不表现出任何过冲或振荡。由于燃烧器出口温度（PV）从1110℃下提高到1120℃，存在CO浓度没有变化₂和在水中浓度的边际变化管道二氧化碳线。The net power decreases by 200 kW due to less recycle flow of CO₂到燃烧器。当燃烧器出口温度较高的涡轮排气温度上升。因为典型的涡轮机入口温度范围为高（1100℃〜1200℃），涡轮排气进行到INCONEL的由同流换热器的高温部分合金617的细节在图绘制3。

3.2。各种控制器抗干扰性能

在本节中，我们将介绍控制器在集成的Allam功率循环/ASU中抑制由天然气成分变化和功率斜坡下降引起的干扰的性能。的场景是（一世）天然气成分的变化（ⅱ）植物缓降

被监视的过程变量是（一世）甲烷从燃烧器中滑出（ⅱ）温度，压力和给定的设备正在研究流动（ⅲ）在用于封存/ EOR管道二氧化碳线二氧化碳浓度(iv)水浓度在用于封存/ EOR管道二氧化碳线（五）涡轮排气条件（ⅵ）可供出口净功率

3.2.1。天然气组成变化的抑制

天然气的组合物，其从一个储存器到另一个而变化，可以引起扰动到电厂操作[31]。在这种情况下，在模拟运行的2小时内，甲烷的质量百分比从97.5%降低到87.5%，乙烷的质量百分比从1.5%提高到11.5%。

这使得涡轮进口温度暂时从1110℃下降到1108℃，但通过使用燃烧室出口温度控制器(tic1)迅速抑制了扰动，减少了循环CO₂流动到燃烧器以回收燃烧器返回到1110°C的温度。来自燃烧器的甲烷滑移也恢复回暂时浸后，因为甲烷组成控制器（AIC-1）级联到燃料空气比控制器（RC-1）。The carbon dioxide purity was unaffected, and water concentration dropped from 299.5 ppm to 298.5 ppm. According to the Department of Energy (DOE) regulation, the water content in the pipeline should not exceed 500 ppm to prevent hydrate formation and corrosion [32]。The change in natural gas composition caused a reduction in power by 100 kW. Figure4显示详细的图。

3.2.2。电厂从基本负荷(100%)降至非高峰负荷(85%)

发电厂(天然气、核能和煤炭)设计为一年中的大部分时间每天24小时运转。这是向电网供电的基本负荷。然而，不断增加的使用可再生能源，如太阳能、风能和水力发电，尽管从环境的角度来看是有利的，但由于其间断性/季节性的性质，可能导致供应问题。因此，每当可再生能源上线时，发电厂必须能够降低电价，优先向电网提供可再生能源。

In this study, the power plant complex is ramped down from 100% to 85% in ten hours (the natural gas flow rate is decreased from 36,000 kg/hr to 30,600 kg/hr) using the controller FIC-2. The turbine inlet temperature was maintained at its set point by using the combustor outlet temperature controller (TIC-1). The methane composition controller (AIC-1), which is cascaded to the ratio controller (RC-1), was able to bring the methane slip to its set point after the ramp down. The concentrations of CO₂坡度下降时，水均在管道规范范围内。出口净功率下降了1.86兆瓦。数字五显示详细的图。

4.结论和建议

动态模拟对于设计，控制和经济/环境影响研究是必不可少的。对于阿拉姆周期基准稳态仿真证明是与净功率所做的工作非常吻合。这项工作是我们的集成ASU /氧燃料阿拉姆植物复合，并提出了第一次的稳态模型后续研究先进的控制策略，以及这种动态设定点跟踪和干扰抑制反应的发展整合复杂。

设定点变化的燃烧器出口温度控制器做出。此外，两个干扰场景：在天然气组合物的变化和植物斜坡下降至85％的负载（例如，以容纳对可再生能源的功率输入到电网）进行了调查。重要的性能变量进行了监测。与循环和高度的热和功一体化进程植物具有可控制的自由度的数量较少。我们的动态模拟显示，与ASU集成了阿拉姆循环发电厂甚至在一个紧密集成的配置是控制与控制策略。

由于水在管道CO的浓度₂should not exceed 500 ppm (to prevent pipeline corrosion), it is recommended to install a carbon dioxide processing unit (CPU) downstream in the event of large disturbances. An intermediate O₂坦克加快Ø₂响应NG供应量的变化也应加以探讨。

进一步的先进的控制策略，包括模型预测控制（MPC），设备故障的情况，以及对电力负荷的需求调度/优化发展建议为今后的工作。

数据可用性

本研究使用了之前报道的数据来支持本研究，并在文中的相关地方引用作为参考。

的利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢德克萨斯航空研究中心(TARC拨款编号:079LUB0096A和117LUB0165A)和拉马尔大学愿景计划(拨款编号:420065)的财政支持。

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