專利名稱：用于使用模型預(yù)測(cè)控制器來優(yōu)化化學(xué)循環(huán)燃燒裝置的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體涉及優(yōu)化系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于化學(xué)循環(huán)(chemical looping) 裝置的過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
化學(xué)循環(huán)(CL)是可用于發(fā)電裝置的目前開發(fā)的過程，該發(fā)電裝置燃燒諸如煤、生 物量和其它機(jī)會(huì)燃料的燃料。CL過程可實(shí)施于發(fā)電裝置中，并且在減小裝置大小、減少排放 和增加裝置操作效率以及其它益處方面提供有前景的改進(jìn)。典型的CL系統(tǒng)利用高溫過程，由此諸如鈣基或金屬基化合物的固體例如在稱作 氧化器的第一反應(yīng)器與稱作還原器的第二反應(yīng)器之間“循環(huán)”。在氧化器中，來自噴入氧化 器內(nèi)的空氣的氧在氧化反應(yīng)中由固體捕集。然后所捕集的氧由氧化固體攜帶到還原器以例 如用于諸如煤的燃料的燃燒和/或氣化。在還原器中的還原反應(yīng)之后，不再具有捕集的氧 的固體返回到氧化器以再次氧化，并且重復(fù)該循環(huán)。取決于燃料與空氣的比率，在氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)中產(chǎn)生不同的氣體。因此，可控 制燃料與空氣的比率使得CL系統(tǒng)可以以不同方式利用，諸如作為混合燃燒氣化過程，其 產(chǎn)生氫氣用于燃?xì)鉁u輪、燃料電池和/或其它基于氫氣的應(yīng)用；作為混合燃燒氣化過程，其 產(chǎn)生合成氣體(合成氣)，該合成氣體包含不同量的氫氣和二氧化碳用于燃?xì)鉁u輪和/或燃 料電池；或者作為燃燒過程用于基于燃燒的蒸汽發(fā)電裝置。CL過程例如比諸如常規(guī)循環(huán)流化床(CFB)裝置的傳統(tǒng)裝置的過程更復(fù)雜。因此， 應(yīng)用于CL過程的傳統(tǒng)裝置控制必然導(dǎo)致用于每個(gè)CL環(huán)路的單獨(dú)的控制環(huán)路。然而，使用 用于每個(gè)CL環(huán)路的單獨(dú)控制環(huán)路效率較低，并且不優(yōu)化CL過程的性能，這是因?yàn)榫_控制 取決于每個(gè)環(huán)路中的多個(gè)參數(shù)以及在環(huán)路之間交叉的參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。此外，CL過程具有多相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，其特征為由于質(zhì)量輸送和化學(xué)反應(yīng)速率 所致的過程非線性和時(shí)間延遲。因此，在過程設(shè)計(jì)的早期階段不考慮控制優(yōu)化系統(tǒng)的傳統(tǒng) 發(fā)電裝置設(shè)計(jì)還不足以用于過程性能與系統(tǒng)可操作性的集成優(yōu)化。另外，CL過程中的許多變量是非線性的和/或具有與其它變量復(fù)雜的關(guān)系，例如 變量的環(huán)路間的相互作用。因此，有效地模擬這些多個(gè)相互依賴變量關(guān)系的模型迄今是不 精確的、效率低的并且工作起來困難和/或耗時(shí)。因此目前已開發(fā)的優(yōu)化系統(tǒng)集中于優(yōu)化常規(guī)燃燒發(fā)電裝置。此外，這些優(yōu)化系統(tǒng) 集中于解決很具體的局部優(yōu)化問題而不是裝置操作的全局優(yōu)化。此外，用于常規(guī)燃燒發(fā)電 裝置的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析基于變量之間線性關(guān)系的假設(shè)。因此，用于常規(guī)燃燒發(fā)電裝置的相關(guān) 統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)用于分析CL過程中變量的復(fù)雜的、相互關(guān)聯(lián)的非線性動(dòng)態(tài)時(shí)是繁瑣的并且不 精確的。在基于CL系統(tǒng)的下一代發(fā)電裝置中，蒸汽-水側(cè)控制要求將保持與當(dāng)前常規(guī)裝置 基本上相同(例如，給水與蒸汽流量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、汽包液位)。然而，預(yù)期的是，將 需要利用蒸汽-水側(cè)變量和燃燒/氣化CL變量的改進(jìn)的控制以更好地處理CL過程中固有過程變量相互作用。此外，常規(guī)發(fā)電裝置模擬器限于蒸汽/水側(cè)過程動(dòng)態(tài)并且僅僅非常簡 單的燃燒或爐過程動(dòng)態(tài)被建模；諸如在CL過程中的復(fù)雜的氣氛控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型在此 時(shí)是不可用的。還需要CL系統(tǒng)的過程與器械集成和優(yōu)化。更具體而言，CL集成過程目前并未以 經(jīng)濟(jì)最佳操作條件受到控制。這在負(fù)荷變化期間和當(dāng)發(fā)生其它裝置干擾時(shí)尤為如此。上文 所述的許多變量和過程之間的復(fù)雜關(guān)系影響CL過程的性能，并且還使最佳地且有效地控 制CL過程的努力復(fù)雜化。因此，希望開發(fā)集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)，并且更具體地克服上述不足的用 于CL發(fā)電裝置的集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文所示的方面，提供用于優(yōu)化發(fā)電裝置的化學(xué)循環(huán)過程的控制系統(tǒng)，其包 括優(yōu)化器、收入算法和成本算法。收入算法基于發(fā)電裝置的多個(gè)輸入?yún)?shù)提供收入輸入至 優(yōu)化器。成本算法基于發(fā)電裝置的多個(gè)輸出參數(shù)提供成本輸入至優(yōu)化器。優(yōu)化器基于收入 輸入和成本輸入中的至少一個(gè)確定優(yōu)化的操作參數(shù)方案，并且供應(yīng)優(yōu)化的操作參數(shù)方案至 發(fā)電裝置。根據(jù)本文所示的其它方面，用于優(yōu)化發(fā)電裝置的系統(tǒng)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用于 接收輸入?yún)?shù)的輸入端和用于輸出輸出參數(shù)的輸出端。該系統(tǒng)還包括非線性控制器，其接 收輸出參數(shù)，基于所接收的輸出參數(shù)優(yōu)化輸入?yún)?shù)，并且輸出優(yōu)化的輸入?yún)?shù)至化學(xué)環(huán)路 的輸入端。根據(jù)本文所示的另外的方面，用于優(yōu)化發(fā)電裝置的系統(tǒng)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用 于接收輸入?yún)?shù)的輸入端，用于輸出輸出參數(shù)的輸出端，以及可操作地連接到化學(xué)環(huán)路的 非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器。非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器包括模型部件、可操作地連接到 模型部件的模擬器部件以及可操作地連接到模型部件的優(yōu)化器部件。非線性模型預(yù)測(cè)控制 控制器接收輸出參數(shù)，基于所接收的輸出參數(shù)優(yōu)化輸入?yún)?shù)，并且輸出優(yōu)化的輸入?yún)?shù)至 化學(xué)環(huán)路的輸入端。通過下面的附圖和詳細(xì)描述來舉例說明上述特征和其它特征。


現(xiàn)參看為示范性實(shí)施例的附圖，其中相似的元件利用相似的附圖標(biāo)記表示圖1是基于氧化鈣的兩環(huán)路化學(xué)循環(huán)(CL)系統(tǒng)的方塊圖。雙環(huán)路過程設(shè)計(jì)也適 用于基于鈣的化學(xué)循環(huán)。圖2是基于CL燃燒的蒸汽發(fā)電裝置的方塊圖；圖3是用于CO2預(yù)留CL系統(tǒng)的集成優(yōu)化系統(tǒng)的方塊圖；圖4是示出集成CL過程性能設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)優(yōu)化的方塊圖；以及圖5是用于CL過程的模型預(yù)測(cè)控制(MPC)控制器的方塊圖。
具體實(shí)施例方式本文公開用于CL裝置的化學(xué)循環(huán)(CL)系統(tǒng)的集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)，類似于在以引用的方式結(jié)合到本文中的美國專利No. 7，083，658中更詳細(xì)地描述的系統(tǒng)。參 看圖1，CL系統(tǒng)5包括例如還原器10的第一環(huán)路10和例如氧化器20的第二環(huán)路20?？諝?30供應(yīng)到氧化器20，并且鈣(Ca) 40在其中氧化以產(chǎn)生氧化鈣(CaO) 50。在CL系統(tǒng)5的CL 過程中，CaO 50供應(yīng)到還原器10，并且作為載體將氧傳送到供應(yīng)至還原器10的燃料60 (例 如諸如煤60)。因此，傳送到還原器10的氧在還原器10中與煤60相互作用。然后還原的 氧化鈣40返回到氧化器20以再次氧化成CaO 50，并且重復(fù)CL過程。在氧化期間從空氣30提取的氮?dú)?N2) 70以及氧化所造成的熱(未示出)離開氧 化器20。同樣，在還原器10中在還原期間所產(chǎn)生的氣體80離開還原器10。氣體80例如 包括合成氣體(合成氣)、氫氣(H2)和/或二氧化碳?xì)怏w(CO2)。氣體80的組成，例如其中 的合成氣、H2和/或(X)2的比例，基于煤60與空氣30的比率而變化。示范性實(shí)施例不限于上文參看圖1描述的兩個(gè)環(huán)路，而是可包括單環(huán)路或多于兩 個(gè)環(huán)路。例如，在可選的示范性實(shí)施例中，CL系統(tǒng)5例如包括第三環(huán)路(未示出)，諸如煅 燒爐(calciner)環(huán)路，其允許從重整的合成氣80生成H2?；阝}的CL系統(tǒng)5也可包括熱環(huán)路，其例如生成蒸汽以驅(qū)動(dòng)渦輪。具體而言，參 看圖2，熱環(huán)路90包括使用蒸汽105驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)100的蒸汽渦輪95，該蒸汽105通過利用 由氧化器20中氧化期間所產(chǎn)生的熱來使給水110沸騰而生成?？諝?0供應(yīng)到氧化器20，如上文參看圖1所述，而諸如灰和/或過量硫酸鈣 (CaSO4)的廢料115從氧化器20移除以在外部設(shè)施(未示出)中處置。煤60以及碳酸鈣 (CaCO3) 120和再循環(huán)的蒸汽125供應(yīng)到還原器10用于其中的還原反應(yīng)。在操作中，還原反應(yīng)發(fā)生在煤60中的碳和硫、CaC03120與CaS04127之間。該還原 反應(yīng)產(chǎn)生硫化鈣(CaS) 128，其由分離器130分離并且之后通過密封罐控制閥(SPCV) 135供 應(yīng)到氧化器20。例如，基于CL裝置負(fù)荷，CaS 1 的一部分通過SPCV 135再循環(huán)到還原器 10，如圖2所示。此外，分離器將例如CO2的氣體80與CaS 128分離。CaS 1 在氧化器20中的氧化反應(yīng)中氧化，從而產(chǎn)生CaSO4127，其通過分離器130 與N270分離并且經(jīng)由SPCV 135供應(yīng)回到還原器10。例如，CaS04127的一部分基于CL裝置 負(fù)荷通過SPCV 135再循環(huán)回到氧化器20。氧化反應(yīng)也產(chǎn)生熱，其使給水110沸騰為供應(yīng)到 蒸汽渦輪95的蒸汽105。雖然描述了基于氧化鈣的CL系統(tǒng)，但是本發(fā)明也應(yīng)用于基于金屬氧化物的CL系 統(tǒng)，其類似于在以引用的方式結(jié)合到本文中的美國專利申請(qǐng)No. 10/542, 749中描述的系 統(tǒng)?，F(xiàn)將參看圖3至圖5更詳細(xì)地描述用于CL裝置的集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng) 的示范性實(shí)施例。應(yīng)注意的是，集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)不限于本文所述的CL裝置構(gòu) 造。例如，在可選的示范性實(shí)施例中，集成過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)可與任何和所有的基于 CL的系統(tǒng)一起使用，包括但不限于單環(huán)路、雙環(huán)路和多(例如兩個(gè)或更多個(gè))環(huán)路CL系 統(tǒng)，無論是基于鈣還是基于金屬氧化物；具有或不具有蒸汽活化環(huán)路；具有/不具有煅燒環(huán) 路；進(jìn)行CO2捕集(capture)以利用(utilization)或封存(sequestration)的基于CL的 下一代基于CL的裝置；以及基于CL的(X)2預(yù)留(ready)發(fā)電裝置，但不限于此。該CL過程涉及多相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，其特征為由于質(zhì)量輸送速率和化學(xué)反應(yīng)速 率所致的過程非線性和時(shí)間延遲。因此，如將在下文中更詳細(xì)地描述，非線性優(yōu)化和控制技術(shù)有益于控制CL過程。具體而言，示范性實(shí)施例包括從第一性原理方程(例如，質(zhì)量、 動(dòng)量和能量平衡)導(dǎo)出的非線性動(dòng)態(tài)化學(xué)循環(huán)建模和模擬。建模和模擬包括常微分方程 (ODE)、代數(shù)方程(AE)和偏微分方程(PDE)的任何組合。此外，經(jīng)驗(yàn)建模方法，例如神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)(NN)，諸如帶外生輸入的非線性自回歸網(wǎng)絡(luò)(NARX)，帶外生輸入的非線性自回歸滑動(dòng)平 均(NARMAX)、小波網(wǎng)絡(luò)模型以及維納-哈默斯坦(Wiener-Hammerstein)模型，例如用于混 合動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)，其組合簡化的第一性原理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。另外，使用線性化模型與 非線性模型的多變量模型預(yù)測(cè)控制(MPC)提供CL過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方案。除了提供優(yōu)化的 建模、模擬和控制之外，根據(jù)示范性實(shí)施例的多變量MPC耐受干擾和模型不精確性，從而提 供CL過程的穩(wěn)定控制。MPC可用作監(jiān)督控制器，其檢查例如使用PID控制器、模糊控制器或 任何類型的自適應(yīng)控制器(自調(diào)調(diào)節(jié)器，神經(jīng)自適應(yīng)控制器、小波網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控 制器)的調(diào)節(jié)控制。MPC也可用作直接控制器以利用多個(gè)相互作用的環(huán)路來調(diào)節(jié)并優(yōu)化CL 過程。參看圖3，用于基于CL的(X)2預(yù)留發(fā)電裝置205的優(yōu)化系統(tǒng)200包括系統(tǒng)207，諸 如控制系統(tǒng)207，例如裝置控制系統(tǒng)207，其具有優(yōu)化器210。在示范性實(shí)施例中，系統(tǒng)優(yōu)化 器210是多變量優(yōu)化器210，其執(zhí)行發(fā)電裝置205的總體基于經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。更具體而言，多 變量優(yōu)化器210集中于與發(fā)電裝置205相關(guān)的器械的熱經(jīng)濟(jì)性能、排放減少和/或控制以 及壽命延長標(biāo)準(zhǔn)。為了執(zhí)行發(fā)電裝置205的總體基于經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化，多變量優(yōu)化器210分別通過成本 算法225和收入算法230接收發(fā)電裝置205的輸入?yún)?shù)215和輸出參數(shù)220，如圖3所示。 在示范性實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)215包括但不限于燃料流量、吸附劑流量、空氣流量、水流 量、石灰石流量和固體循環(huán)速率。輸出參數(shù)220包括例如發(fā)電率、CO2利用、CO2捕集和CO2 存儲(chǔ)(storage)，但不限于此。多變量優(yōu)化器210從成本算法225和收入算法230接收輸出，以例如基于預(yù)定的 操作約束235和環(huán)境約束240確定發(fā)電裝置205的優(yōu)化的操作參數(shù)方案。具體而言，在示 范性實(shí)施例中，成本算法225對(duì)輸入?yún)?shù)215的預(yù)定個(gè)別成本因素Ci與個(gè)別輸入\的乘積 集合進(jìn)行求和，而收入算法230對(duì)輸出參數(shù)220的預(yù)定個(gè)別收入因素Pi與個(gè)別輸出Yi的乘 積集合進(jìn)行求和。個(gè)別成本因素Ci例如包括但不限于輔助功率成本、石灰石成本和燃料成 本。個(gè)別收入因素Pi例如包括排放信用(credit)和壽命延長信用，但不限于此。多變量優(yōu)化器210使用圖3所示的分布式控制系統(tǒng)245和先進(jìn)過程控制(APC)系 統(tǒng)250將優(yōu)化的操作參數(shù)方案應(yīng)用到發(fā)電裝置205。因此，發(fā)電裝置205以最佳的總體基于 經(jīng)濟(jì)的操作點(diǎn)操作。在示范性實(shí)施例中，APC系統(tǒng)250例如包括以下構(gòu)件(未示出)，諸如過濾器、閃蒸 干燥器吸收器(FDA)、噴霧干燥器吸收器(SDA)、靜電除塵器(ESP)和/或煙氣脫硫(FGD) 系統(tǒng)，但不限于此。示范性實(shí)施例還可包括軟傳感器(soft sensor)模塊255，如圖3所示。軟傳感器 模塊255包括軟傳感器(未示出)，例如虛擬傳感器，其使用軟件來處理從輸出參數(shù)220 (或 者發(fā)電裝置205的其它參數(shù))獲得的信號(hào)。軟傳感器能夠組合并處理所測(cè)量的參數(shù)以提供 額外參數(shù)而無需直接測(cè)量額外參數(shù)。根據(jù)示范性實(shí)施例的軟傳感器基于現(xiàn)有傳感器的融 合；可選地，軟傳感器例如可基于開發(fā)用于模擬和控制的模型，但是可選的示范性實(shí)施例不限于此。此外，根據(jù)可選的示范性實(shí)施例的優(yōu)化系統(tǒng)200不限于與圖3所示的基于CL的 CO2預(yù)留發(fā)電裝置205 —起使用。例如，優(yōu)化系統(tǒng)200可與任何基于CL的發(fā)電裝置一起使 用，諸如單環(huán)路或多環(huán)路CL系統(tǒng)(無論是基于鈣還是基于金屬氧化物)和進(jìn)行(X)2捕集以 利用或封存的基于CL的裝置，但是可選的示范性實(shí)施例不限于此?，F(xiàn)參看圖4，根據(jù)示范性實(shí)施例的集成CL裝置系統(tǒng)的優(yōu)化過程，包括性能設(shè)計(jì)和 控制設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步詳細(xì)地描述。在示范性實(shí)施例中，圖4所示的優(yōu)化過程包括于系統(tǒng)優(yōu)化 器210 (圖幻中，但是圖4所示的優(yōu)化過程的實(shí)施不限于此；替代地，圖4所示的優(yōu)化過程 可實(shí)施于任何優(yōu)化器中，并且特別地實(shí)施于與各種基于CL的發(fā)電裝置相關(guān)的任何優(yōu)化器 中，如上文更詳細(xì)地描述。在優(yōu)化過程300中，例如在用于集成CL裝置系統(tǒng)的優(yōu)化過程300中，優(yōu)化過程300 包括性能設(shè)計(jì)優(yōu)化和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化功能。具體而言，過程性能設(shè)計(jì)規(guī)范305和控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范310分別根據(jù)過程性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)315和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)320得到優(yōu)化。在示 范性實(shí)施例中，過程性能設(shè)計(jì)規(guī)范305例如包括燃料的預(yù)定性質(zhì)、吸附劑性質(zhì)、所需裝置容 量、給定發(fā)電率的耗熱率、CO2品質(zhì)和數(shù)量，H2品質(zhì)、H2生成效率，但不限于此?？刂葡到y(tǒng)設(shè) 計(jì)規(guī)范310例如包括控制系統(tǒng)類型、響應(yīng)速度和操作參數(shù)的公差/誤差容限，但不限于此。過程性能設(shè)計(jì)模塊325供應(yīng)過程性能設(shè)計(jì)規(guī)范305和過程性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)315至過 程性能模擬分析器330和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊335。過程性能模擬分析器330基于來自過程 性能模擬器340的輸出來分析過程性能設(shè)計(jì)規(guī)范305和過程性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)315。同時(shí)，動(dòng)態(tài) 與控制模擬分析器345基于來自動(dòng)態(tài)模擬器350的輸出來分析來自控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊335 的輸出。在示范性實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)模擬器350是降階建模(ROM)動(dòng)態(tài)模擬器350。來自過 程性能模擬分析器330和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的輸出供應(yīng)到過程性能與控制評(píng)估器 355，其判斷來自過程性能模擬分析器330和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的輸出是否個(gè)別地 優(yōu)化。如果來自過程性能模擬分析器330和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的輸出未個(gè)別地優(yōu) 化，則來自過程性能模擬分析器330和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的未優(yōu)化的輸出供應(yīng)回 到過程性能設(shè)計(jì)模塊325用于額外分析，例如上述分析的隨后迭代。如果來自過程性能模 擬分析器330和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的輸出被優(yōu)化，則來自過程性能模擬分析器330 和動(dòng)態(tài)與控制模擬分析器345的輸出被組合并發(fā)送到總系統(tǒng)優(yōu)化器360，例如諸如遺傳算 法(GA)優(yōu)化器360，以輸出優(yōu)化的裝置性能與操作參數(shù)365。如圖4所示并且在上文中更詳細(xì)地描述，根據(jù)示范性實(shí)施例的優(yōu)化過程300使用 平行的過程性能與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。通過使用過程性能模擬器340和動(dòng)態(tài)模擬器350， 優(yōu)化的裝置性能與操作參數(shù)365被預(yù)測(cè)、評(píng)估并且從而有效地優(yōu)化。過程性能模擬器340 例如包括使用理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臒崃W(xué)、熱經(jīng)濟(jì)和排放預(yù)測(cè)，理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠?如諸如在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的過程模型和/或回歸模型以及基于操作數(shù)據(jù)庫的NN模型，但不限于 此。動(dòng)態(tài)模擬器350例如包括第一性原理模型，或者可選地，組合的第一性原理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?或小波網(wǎng)絡(luò)模型，以及控制邏輯模擬模塊。對(duì)于延長壽命控制(未示出)，包 括材料模型，從而允許材料損壞預(yù)測(cè)和壽命延長控制模擬(未示出)。同樣，環(huán)境經(jīng)濟(jì)模型 (未示出)可包括于可選的示范性實(shí)施例中，從而提供例如諸如S02、N0x、微粒和(X)2的排放 的分析和優(yōu)化。
由于優(yōu)化的裝置性能與操作參數(shù)365的確定可涉及多個(gè)迭代以在多個(gè)設(shè)計(jì)設(shè)想 中進(jìn)行選擇，故可包括額外的優(yōu)化器(未示出)使得過程性能與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)均在由優(yōu)化 器360優(yōu)化之前預(yù)先優(yōu)化?，F(xiàn)參看圖5，現(xiàn)將更詳細(xì)地描述根據(jù)示范性實(shí)施例的MPC最佳控制器，并且更具體 地用于CL過程的MPC最佳控制器。在示范性實(shí)施例中，諸如MPC控制器400的控制器400 是先進(jìn)的最佳控制系統(tǒng)，其使用MPC以控制CL過程405。如上所述，CL過程405可用于單 環(huán)路或多環(huán)路CL系統(tǒng)以及進(jìn)行(X)2捕集以利用或封存的基于CL的裝置和/或基于CL的 CO2預(yù)留發(fā)電裝置，但不限于此。同樣如上所述，CL過程涉及多相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，其特征為由于質(zhì)量輸送速率和 化學(xué)反應(yīng)速率所致的過程非線性和時(shí)間延遲。因此，常規(guī)(例如線性)優(yōu)化和控制不足以 用于CL過程優(yōu)化。因此，根據(jù)示范性實(shí)施例的MPC控制器400例如包括從第一性原理方程 (諸如，質(zhì)量、動(dòng)量和能量平衡)導(dǎo)出的非線性動(dòng)態(tài)化學(xué)循環(huán)建模和模擬。而且，諸如非線性 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)驗(yàn)建模方法用于混合動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)，其組合簡化的第一性原理模型與數(shù)據(jù)驅(qū) 動(dòng)模型。特別地，MPC控制器400包括諸如模型410的模型部件410，諸如模擬器415的模 擬器部件415和諸如優(yōu)化器420的優(yōu)化器部件420。在示范性實(shí)施例中，MPC控制器400優(yōu)于當(dāng)前裝置控制系統(tǒng)構(gòu)件，例如現(xiàn)有的比 例-積分-微分(PID)控制器，以利用具有優(yōu)化能力的基于模型的預(yù)測(cè)控制來補(bǔ)充和/或 替換當(dāng)前裝置控制系統(tǒng)。更具體而言，根據(jù)示范性實(shí)施例的MPC控制器400的模型410包 括非線性穩(wěn)態(tài)模型和一個(gè)或更多個(gè)線性或非線性動(dòng)態(tài)模型。此外，穩(wěn)態(tài)模型和/或動(dòng)態(tài)模 型各可使用自適應(yīng)、模糊和/或NN建模技術(shù)，和/或第一性原理建模技術(shù)以對(duì)CL過程405 的復(fù)雜、非線性多相流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)建模。另外，在示范性實(shí)施例中，模型410可包括CL系統(tǒng)模型，或者可選地，CL子系統(tǒng)和 /或CL構(gòu)件模型，其用作用于基于模型的狀態(tài)估計(jì)器、參數(shù)估計(jì)器和/或故障檢測(cè)器的基 礎(chǔ)。因此，軟傳感器控制模塊255(圖幻的新軟傳感器可從它得到并且與用于優(yōu)化CL過程 405的控制系統(tǒng)集成。在示范性實(shí)施例中，模擬器415是動(dòng)態(tài)模擬器415，其使用先進(jìn)的技術(shù)來模擬CL過 程405。具體而言，動(dòng)態(tài)模擬器415可為ROM模擬器，例如基本上與動(dòng)態(tài)模擬器350相同，例 如在上文中參看圖4描述，但是可選的示范性實(shí)施例不限于此。同樣，根據(jù)示范性實(shí)施例的 優(yōu)化器部件420與優(yōu)化器360(圖4)基本上相同，但不限于此。例如，在可選的示范性實(shí)施 例中，優(yōu)化器部件420包括系統(tǒng)優(yōu)化器210并且更具體地裝置控制系統(tǒng)207的多變量優(yōu)化 器 210(圖 3)。在操作中，MPC控制器400從CL過程405接收CL過程輸出參數(shù)425。CL過程輸 出參數(shù)425包括但不限于負(fù)荷需求、功率和氣體(例如Η2、Ν2、0)2和/或合成氣)流率。使 用設(shè)置點(diǎn)430和預(yù)定參數(shù)435，MPC控制器400優(yōu)化建模裝置參數(shù)并且提供基于建模裝置參 數(shù)的優(yōu)化的CL過程輸入控制參數(shù)440至CL過程405。在示范性實(shí)施例中，優(yōu)化的CL過程 輸入控制參數(shù)440是固體輸送存量控制變量，但是可選的示范性實(shí)施例不限此。例如，優(yōu)化 的CL過程輸入控制參數(shù)440可為反應(yīng)器溫度控制變量、環(huán)路溫度控制變量、床溫度控制變 量、負(fù)荷緩變(ramping)控制變量、裝置起動(dòng)控制邏輯算法、反應(yīng)器壓力變量、反應(yīng)器壓差 變量、裝置關(guān)閉控制邏輯算法和燃料/空氣/石灰石/蒸汽比率，但是可選的示范性實(shí)施例不限于前述列表?？傊鶕?jù)示范性實(shí)施例的過程設(shè)計(jì)與控制優(yōu)化系統(tǒng)包括多變量、非線性控制優(yōu) 化系統(tǒng)，其為化學(xué)循環(huán)裝置提供集成的、動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)的性能與控制設(shè)計(jì)優(yōu)化。因此，裝置排 放顯著減少和/或有效地最小化，同時(shí)顯著地改進(jìn)總體經(jīng)濟(jì)裝置效率，從而導(dǎo)致較低的總 體操作成本。雖然參考各種示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解的是，可 做出各種變化并且等效物可替代本發(fā)明的元件，而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，可做出許多 修改以使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離本發(fā)明的本質(zhì)范圍。因此，預(yù)期本發(fā) 明不限于作為設(shè)想用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式的特定實(shí)施例，相反本發(fā)明將包括屬于權(quán)利 要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收輸入?yún)?shù)的輸入端和用于輸出輸出參數(shù)的輸出端；以及 非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器，其可操作地連接到所述化學(xué)環(huán)路， 其中，所述非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器接收所述輸出參數(shù)，基于所述接收的輸出參數(shù) 優(yōu)化所述輸入?yún)?shù)，并且輸出優(yōu)化的輸入?yún)?shù)至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器包括 模型部件；模擬器部件，其可操作地連接到所述模型部件；以及 優(yōu)化器部件，其可操作地連接到所述模型部件。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模型部件包括以下中的至少一個(gè)穩(wěn)態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、自適應(yīng)模型、模糊模型和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所述模擬器部件包括降階建模模擬器，以及所述優(yōu)化器部件包括多變量優(yōu)化器和遺傳算法優(yōu)化器中的至少一個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)包括以下中的至少一個(gè)固體輸送存量控制變量、反應(yīng)器溫度控制變量、 環(huán)路溫度控制變量、床溫度控制變量、負(fù)荷緩變控制變量、裝置起動(dòng)控制邏輯算法、反應(yīng)器 壓力變量、反應(yīng)器壓差變量、裝置關(guān)閉控制邏輯算法以及燃料流量、空氣流量、石灰石流量 和蒸汽流量中的至少兩個(gè)的比率，以及所述輸出參數(shù)包括以下中的至少一個(gè)負(fù)荷需求、發(fā)電率、氫氣流率、氮?dú)饬髀?、二氧?碳流率和合成氣體流率。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述化學(xué)環(huán)路包括基于鈣的化學(xué)環(huán)路和基于金屬氧化物的化學(xué)環(huán)路中的一個(gè)，以及 所述發(fā)電裝置包括以下中的一個(gè)單環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、多環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、進(jìn)行 CO2捕集以利用或封存的基于化學(xué)循環(huán)的裝置以及基于化學(xué)循環(huán)的(X)2預(yù)留裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器優(yōu)化所述 發(fā)電裝置的操作的總體效率。
7.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性模型預(yù)測(cè)控制控制器還包括可 操作地連接到所述優(yōu)化器部件的軟傳感器模塊。
8.一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的化學(xué)循環(huán)過程的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括 優(yōu)化器；收入算法，其基于所述發(fā)電裝置的多個(gè)輸入?yún)?shù)提供收入輸入至所述優(yōu)化器；以及 成本算法，其基于所述發(fā)電裝置的多個(gè)輸出參數(shù)提供成本輸入至所述優(yōu)化器， 其中，所述優(yōu)化器基于所述收入輸入和所述成本輸入中的至少一個(gè)確定優(yōu)化的操作參 數(shù)方案，并且供應(yīng)所述優(yōu)化的操作參數(shù)方案至所述發(fā)電裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置包括以下中的一個(gè)單環(huán) 路化學(xué)環(huán)路、多環(huán)路化學(xué)環(huán)路、進(jìn)行(X)2捕集以利用或封存的基于化學(xué)循環(huán)的裝置以及基于 化學(xué)循環(huán)的CO2預(yù)留裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置還包括基于鈣的化學(xué)環(huán)路和基于金屬氧化物的化學(xué)環(huán)路中的一個(gè)。
11.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)輸入?yún)?shù)包括以下中的至少一個(gè)燃料流量、吸附劑流量、空氣流量、水流量、 石灰石流量和固體循環(huán)速率，以及所述多個(gè)輸出參數(shù)包括以下中的至少一個(gè)發(fā)電率、CO2利用、(X)2捕集、CO2存儲(chǔ)、H2利 用、H2捕集、吐存儲(chǔ)、合成氣體利用、合成氣體捕集和合成氣體存儲(chǔ)。
12.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述收入算法還基于排放信用和壽命延長信用中的至少一個(gè)提供所述收入輸入至所 述優(yōu)化器。
13.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述成本算法還基于輔助功率成本、石灰石成本和燃料成本中的至少一個(gè)提供所述成 本輸入至所述優(yōu)化器。
14.一種用于優(yōu)化發(fā)電裝置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括化學(xué)環(huán)路，其具有用于接收輸入?yún)?shù)的輸入端和用于輸出輸出參數(shù)的輸出端；以及非線性控制器，其接收所述輸出參數(shù)，基于所接收的輸出參數(shù)優(yōu)化所述輸入?yún)?shù)，并且 輸出優(yōu)化的輸入?yún)?shù)至所述化學(xué)環(huán)路的輸入端。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性控制器包括模型預(yù)測(cè)控制控 制器。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非線性控制器包括模型部件；模擬器部件，其可操作地連接到所述模型部件；以及優(yōu)化器部件，其可操作地連接到所述模型部件。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模型部件包括以下中的至少一個(gè)穩(wěn)態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、自適應(yīng)模型、模糊模型和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所述模擬器部件包括降階建模模擬器，以及所述優(yōu)化器部件包括多變量優(yōu)化器和遺傳算法優(yōu)化器中的至少一個(gè)。
18.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)包括以下中的至少一個(gè)固體輸送存量控制變量、反應(yīng)器溫度控制變量、 環(huán)路溫度控制變量、床溫度控制變量、負(fù)荷緩變控制變量、裝置起動(dòng)控制邏輯算法、反應(yīng)器 壓力變量、反應(yīng)器壓差變量、裝置關(guān)閉控制邏輯算法以及燃料流量、空氣流量、石灰石流量 和蒸汽流量中的至少兩個(gè)的比率，以及所述輸出參數(shù)包括以下中的至少一個(gè)負(fù)荷需求、發(fā)電率、氫氣流率、氮?dú)饬髀省⒍趸?碳流率和合成氣體流率。
19.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述化學(xué)環(huán)路包括基于鈣的化學(xué)環(huán)路和 基于金屬氧化物的化學(xué)環(huán)路中的一個(gè)。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電裝置包括以下中的一個(gè)單環(huán)路 化學(xué)循環(huán)裝置、多環(huán)路化學(xué)循環(huán)裝置、進(jìn)行(X)2捕集以利用或封存的基于化學(xué)循環(huán)的裝置以 及基于化學(xué)循環(huán)的(X)2預(yù)留裝置。
全文摘要
用于優(yōu)化發(fā)電裝置的化學(xué)循環(huán)過程的控制系統(tǒng)(207)包括優(yōu)化器(420)、收入算法(230)和成本算法(225)以及化學(xué)循環(huán)過程模型。過程模型用于從過程輸入變量預(yù)測(cè)過程輸出。過程輸入和輸出變量中的某些關(guān)于裝置的收入；某些其它變量關(guān)于裝置操作的成本。收入算法(230)基于發(fā)電裝置的多個(gè)輸入?yún)?shù)(215)提供收入輸入至優(yōu)化器(420)。成本算法(225)基于發(fā)電裝置的多個(gè)輸出參數(shù)(220)提供成本輸入至優(yōu)化器(420)。優(yōu)化器(420)基于收入輸入和成本輸入中的至少一個(gè)確定優(yōu)化的操作參數(shù)方案，并且供應(yīng)優(yōu)化的操作參數(shù)方案至發(fā)電裝置。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102084303SQ200980108364
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
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