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CCPP煤气系统建模与运行优化研究

褚菲  
【摘要】:我国是钢铁大国,作为国民经济支柱之一的钢铁工业是我国能源消耗大户,消耗的能源占全国能源总消耗的15%。近年来,随着人们环保意识的增强,如何提高产品质量,降低资源、能源消耗,减少环境污染物的排放,是钢铁工业面临的严峻问题。将联合循环发电与炼钢/铁工艺相结合,燃用炼钢/铁过程的副产煤气发电,能起到能源高效循环再利用和减少环境污染物排放的目的,为钢铁工业的清洁生产和循环经济探索出一条未来社会可接受的新路。作为联合循环和炼钢/铁工艺中间过渡环节的煤气系统(以下简称CCPP煤气系统),起到了承上启下的作用,其运行状态的好坏直接影响到后续联合循环机组的安全性、稳定性和经济性。然而,受前段炼钢/铁工艺的影响,煤气系统的流量、压力和温度等波动较大,造成煤气压缩机容易发生喘振和运行效率不高等问题。阻碍了联合循环在钢铁工业副产煤气等二次能源回收利用中的进一步推广应用。本文以上海某钢厂备用电厂联合循环机组煤气系统为背景,根据煤气系统的实际运行情况,在深入分析煤气系统特点的基础上,全面系统地开展了CCPP煤气系统建模和运行优化方法的研究,并在此基础上进行了CCPP煤气系统防喘振控制模型系统的设计。本文的主要工作归纳如下:1.CCPP煤气系统工艺复杂,涉及的部件众多,其中煤气压缩机是压力提升部分的核心装置。本文在已有理论成果的基础上,基于压缩机能量传递和能量损失机理,建立了多级离心压缩机的机理模型。基于此模型,可以预测压缩机在设计工况和非设计工况下的性能。该模型还可用于分析几何尺寸等参数变化对压缩机性能的影响。在上述压缩机模型的基础上,结合冷却器、分离器和调节阀的机理模型以及煤气热力性质的计算模型,建立了CCPP煤气系统的模型,用于模拟煤气系统的生产运行,为煤气系统运行优化方法和防喘振控制策略的研究奠定了基础。2.针对机理模型在离心压缩机建模中所遇到的困难,提出采用并行混合模型的结构建立大型离心压缩机的性能预测模型。该模型由机理模型与数据补偿模型并联组成,因此能够充分发挥不同建模方法的优点。机理模型能够在趋势上较好的反映主要影响因素对压缩机性能的影响。补偿模型则利用过程数据弥补机理模型由于理论假设等所带来的模型偏差。过程数据通常含有异常点,直接利用这些数据建立补偿模型,往往会出现过拟合现象,导致混合模型部分或完全失效。对于多维数据中的异常点,很难利用传统方法将其一一剔除,为此提出了基于鲁棒PLS、模糊系统以及改进减聚类算法的非线性鲁棒建模方法。该方法能够有效抑制过程数据中异常点的影响,并能够简化模糊系统模型的结构。最后,通过仿真实验,验证了上述混合建模方法的有效性。3.针对CCPP煤气系统的运行优化问题,首先根据煤气系统的实际运行情况,分析了影响煤气系统运行经济性的主要因素,确定了以冷却水流量为决策变量的煤气系统运行优化方案。针对CCPP煤气系统工艺复杂,影响因素众多,变量相关性强的特点,提出了基于历史数据的运行优化方法。分别提出了基于过程模型的运行优化方法和基于过程逆模型的运行优化方法,并将两种方法应用于煤气系统冷却器的运行优化,取得了良好的优化效果。针对新过程运行时间短,建模数据不足的现象,提出基于相似过程之间数据特征的相似性,将已有相似过程历史数据中包含的丰富过程信息和运行经验通过JY_PLS模型迁移到新过程上,并结合少量试运行,加快新过程运行优化的思想。分别提出了基于过程模型迁移的新过程的运行优化方法,以及基于过程逆模型迁移的新过程的运行优化方法,并将两种方法应用于新的相似煤气系统冷却器的运行优化,取得了良好的优化效果。4.在CCPP煤气系统模型和煤气压缩机模型的基础上,设计并开发了CCPP煤气系统防喘振控制模型系统软件。详细介绍了系统的硬件结构、数据流向、界面设计和各主要模块的功能。该系统具有数据处理、模型训练、在线模拟、结果显示以及历史查询等功能,为煤气压缩机防喘振控制策略的研究和推广奠定了基础。将软件实际应用于某钢厂备用电厂的煤气系统,有助于提高煤气系统运行的安全性和稳定性。最后,在总结全文的基础上,探讨了钢铁企业煤气系统建模和运行优化领域有待进一步研究的课题。


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