TW201250176A - Optimized integrated controls for oxy-fuel combustion power plant - Google Patents

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201250176 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭不内容係關於用於—氧㈣燃燒發電廠之最佳化集 成控制。明確而言，本揭示内容係關於用於一氧燃料粉煤 發電廠或-氧燃料循環流化床發電廠之最佳化集成控制。 【先前技術】 氧燃料燃燒系統使用替代空氣之氧氣來燃燒初級燃料以 產生主要包括水蒸汽及二氧化碳之一煙道氣。此導致一煙 道氣且二氧化碳濃度大於8〇%體積比。當三分之二之煙道 氣係在系統内再循環時，剩餘部分（主要由二氧化碳與水 蒸汽及少量氬氣、氮氣、氮氧化物及硫氧化物組成）被清 除、壓縮且隨後被輸送至儲存槽或其他應用。 圖1描、.會.農組態以允許氧燃燒之一例示性發電廠1 〇〇。發 電廠100大體上包括一空氣分離單元2〇〇、一鍋爐綱及一 煙道氣處理系統彻。空氣分離單元200係與銷爐300及煙 道氣處理系統4〇〇流體連通。鋼爐則及煙道氣處理系統 4〇〇位於空氣分離單元之下游，且煙道氣處理系統彻位於 銷爐300之下游。空氣分離單元扇使外部空氣與氮氣分離 且將富氧氣體輸送至鋼爐綱。鋼爐係與—蒸汽滿輪機 302連通且將蒸汽供應至渦輪機302以將其驅動。煙道氣係 自鍋爐300排放至一煙道氣乾燥器3〇4及一靜電除塵器 306。 源自於靜電除塵器306之經乾燥且不φ顆粒之煙道氣之 一部分係再循環至鍋爐3〇〇，其中該煙道氣部分與額外進 160072.doc 201250176 入二氣（其备含氧氣且不含氮氣）混合且被輸送至鍋爐。 未經再循環之煙道氣之剩餘部分（其等富含二氧化碳）係經 進一步處理以去除濕氣，接著在一壓縮機3〇8中經歷壓縮 且在一隔離設施3 1 〇中經歷隔離。 存在與將氧燃料燃燒用在一發電廠中相關聯之諸多具挑 戰性新問題。以下列舉此等問題之部分。 將氧燃料燃燒系統用在一發電廠中以實現二氧化碳之更 容易捕獲會導致比未使用氧燃料燃燒之相當發電廠多之額 外能量消耗。此額外能量消耗主要源於空氣分離單元中之 能量消耗（約25%至約30%)及煙道氣再循環（約5%至約 10%)。能量消耗之此增加導致發電廠之輸出減少。 由於使用富氧氣體，所以當改變氧氣與再循環煙道氣之 比率時’燃燒發生改變。此給控制發電廠提出新的挑戰。 發電廠系統之外部干擾（諸如電負載需求或二氧化碳產 量之改變）會影響空氣分離單元200、銷爐3 〇〇及煙道氣處 理系統400。因為煙道氣之再循環及發電廠之封闭迴路控 制係與電負載需求或二氧化碳產量之改變相互關聯，所以 此等改變導致空氣分離單元200、鍋爐3〇〇及煙道氣處理系 統400之功能改變。 為改良發電廠之功能之效率且為使電負載需求之改變及 二氧化碳產量之改變之影響最小化，可期望使用可協力起 作用之控制系統來改良能量產生且同時改良二氧化碳隔 離。 【發明内容】 160072.doc 201250176 本文中揭示一種用於使一氧燃料發電廠最佳化之控制系 、’’先該控制系統包括：一最佳化器，其與該氧燃料發電廠 連通，該氧燃料發電廠可操作以使二氧化碳自—煙道氣流 再循環至一鍋爐；一控制平台，該控制平台可操作以控制 該氧燃料發電廠；及一模擬器，該模擬器可操作以模擬該 氧燃料發電廠之性能。 本文中描述一種方法，其包括：模擬與一電網連通之一 氧燃料發電廠中之一空氣分離單元、一鍋爐、一煙道氣乾 燥器、一靜電除塵器及/或一煙道氣冷凝器及一渦輪發電 機之一性能；由該模擬性能產生該空氣分離單元、該鍋 爐、該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣冷凝 器之性能之一模型；量測該空氣分離單元、該鍋爐、該煙 道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣冷凝器之一輸 出；及藉由比較該模擬性能與實際性能而使該空氣分離單 元、該鍋爐、該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或煙道 氣冷凝器及一渦輪發電機之性能最佳化。 【實施方式】 下文中將參考其中顯示各種實施例之附圖而更完全地描 述本發明。然而，本發明可體現為諸多不同形式且不應被 解釋為受限於本文中所闡述之實施例。相反，提供此等實 施例使得本揭示内容詳盡完全且將對熟習技術者完全傳達 本發明之範疇。相同元件符號意指全部相同元件。 應瞭解，當一元件被稱為在另一元件「上」時，其可直 接在另一元件上或該等元件之間可存在介入元件。相比而 】60072.doc 201250176 言’當一元件被稱為直接在另一元件「上」時，不存在介 入元件。如本文中所使用，術語「及/或」包含相關聯列 舉項之一或多者之任何及全部組合。 應瞭解’雖然術語第一、第二、第三等等可在本文中用 以描述各種元件、組件 '區域、層及/或區段，但此等元 件、組件、區域、層及/或區段不應受限於此等術語。此 等術s吾僅用以使一元件、組件、區域、層或區段與另一元 件、組件、區域、層或區段相區別。因此，在不背離本發 明之教示之情況下，以下所論述之一第一元件、組件、區 域層或區段可被稱為一第二元件'組件、區域、層 段。 — 」及「該」意欲亦包含複數形式。應進—步瞭解 本文中所使用之術語係僅為了描述特定實施例且非意欲 限制。如本文^制，若無另㈣確指[則單數形式 :特^括」「包含」在用在本說明書中時特指存在所公 不排广二°°、整體、步驟、操作、元件及/或组件，^ =排除存在或增加一或多個其他特徵、區域、整體] -刼作、兀件、組件及/或其等之群組。 ’ 此外，相對術語(諸如「下」或「 頂可在…用以描述-元件與另―二上J叙 如圖中所繪示。應瞭解相對術語 70之關係’ 及圖令所描繪之定向。例二/羞裝置之不同定向 置’則被描述為在其他元件之，中之裝置經倒 該等其他元件之「上，彳目，丨μ J側上之凡件將定向在 」匆上。因此，例示性術語「 I60072.doc 201250176 涵蓋「下」與「上」兩者之一定向’其取決於圖之特定定 向。類似地’若圖之一者中之裝置經倒置，則被描述為在 其他元件「下j或「下方」之元件將定向在該等其他元件 「上方」。因此，例示性術語「下」或「下方」可涵蓋上 與下兩者之一定向。 若無另外界定，則本文中所使用之全部術語（包含技術 及科學術語）具有與本發明所屬技術之一般者通常所理解 含義相同之含義。應進一步瞭解，術語（諸如常用詞典中 所界定之術語）應被解譯為具有與其等在相關技術背景中 之含義一致之含義且不應被解譯為意指理想化或過度正式 (若本文中無明確界定）。 本文中參考示意性繪示理想化實施例之橫截面說明圖而 描述例示性實施例。就此而言，可預期說明圖之形狀因 (例如）製造技術及/或容限而變動。因此，本文中所述之實 施例不應被解釋為受限於區域之特定形狀（如本文所繪 示），且包含由（例如）製造引起之形狀偏差。例如，被繪示 或描述為平坦之一區域通常可具有粗糙及/或非線性特 徵。再者’可使繪示之銳角成圓形。因此，圖中所繪示之 區域實際上為例示性且其等之形狀非意欲繪示一區域之精 確形狀及非意欲限制申請專利範圍之範疇。 本文中揭示一種用於控制基於氧燃料燃燒之一二氧化碳 捕獲發電廠之集成系統，該發電廠包含非線性控制器及最 佳化器且將一穩態經濟最佳化器與一動態最佳化器組合。 該集成系統可有利用在各種發電廠中且可用以併入使用期 160072.doc 201250176 限延長控制、排放最佳化'經濟最佳化及負載斜坡控制。 §玄集成系統亦可用以包含故障偵測器以促進整個發電廠之 一故障控制容限策略。在一例示性實施例中，該集成系統 可用在一氧燃料二氧化碳燃燒發電廠中。 本文_亦揭示一種用於控制基於氧燃料燃燒之一二氧化 碳捕獲發電廠之方法’該發電廠包含非線性控制器及最佳 化器。在一實施例中，該方法包括模擬與一電網連通之一 氧燃料發電廠中之一空氣分離單元、一鍋爐、一煙道氣乾 燥器、一靜電除塵器及/或一煙道氣冷凝器及一渦輪發電 機之性能。由該模擬性能產生該空氣分離單元、該鍋爐、 該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣冷凝器及 一漏輪發電機之性能之一模型。量測該空氣分離單元、該 鋼爐、該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣冷 凝器及一渦輪發電機之輸出。比較該模型與實際輸出且接 著藉由比較該模擬性能與實際性能而使該空氣分離單元、 該鋼爐、該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣 冷凝器及一渦輪發電機之性能最佳化。 將一集成處理最佳化系統用在一發電廠中產生諸多優 點。可藉由使用使該發電廠之各種特徵（包含發電處理、 鋼爐設計處理及發電廠佈置）協調之最佳化器而顯著改良 該發電廠之效率且使二氧化碳捕獲之負面影響最小化。在 一實施例中，可藉由在該發電廠之不同部件（其等經集 成、經共同控制且彼此連通）之間使用處理最佳化器而控 制及最小化二氧化碳捕獲之負面影響。在一例示性實施例 160072.doc 201250176 中’可藉由使涉及發電之處理（諸如氡氣產生、煤供給、 煙道氣清除及再循環）與涉及發電廠設計之處理（諸如鋼爐 設計及蒸汽循環佈置）最佳化而顯著控制及最小化二氧化 碳捕獲之負面影響。 發電處理之即時最佳化將有助於發電廠維持競爭性利 潤，其考量單元動態性能及電、燃料、吸附劑之變化市場 價格、主要排放物（二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、 汞、顆粒物質及類似物）之交易價格及與維護成本相關之 組件使用期限延長。 圖2反映在使煙道氣再循環（即，在一氧燃料二氧化碳燃 燒發電廠中）時用於控制及最佳化發電廠性能之一例示性 氧燃料經濟最佳化器及控制系統5〇〇(下文稱為控制系統 500)。在一實施例中，發電廠可為一粉煤發電廠或一循環 流化床發電廠。控制系統5〇〇包括與一分散式控制系統平 台800連通之-模M器7〇〇。分散式控制系統平台_係與 。主控制器及-最佳化器_連通。在_實施例中，模擬 器70〇、分散式控制系統平台800及最佳化器9〇〇係彼此可 操作連通。在-例示性實施例中，模擬器鹰、分散式控 制系統平台800及最佳化器9〇〇係彼此電連通。最佳化器 900包括與一發電廠主控制器95〇連通之一發電廠經濟最佳 化器952。經濟最佳化器係一多變數最佳化器。 模擬器700包括複數個模擬器，其等模擬圖】中所示發電 廠，組件之行為。一空氣分離單元模擬器708模擬空氣分 離單MGG之性能。氧燃料鋼爐模擬器71()模擬氧燃料鋼爐 160072.doc 201250176 300之性能。後端處理模擬器分別模擬煙道氣乾燥器304、 靜電除塵器306及煙道氣冷凝器4〇〇之性能。一第一模擬器 702模擬煙道氣乾燥器304之性能。一第二模擬器704模擬 靜電除塵器306之性能。一第三模擬器706模擬煙道氣冷凝 器400之性能。 第一模擬器702、第二模擬器704及第三模擬器706、空 氣分離單元模擬器708及氧燃料鍋爐模擬器710經由第一原 理方程式（例如質量、動量及能量平衡）及經由線性與非線 性模型而模擬各自組件之性能。該等模擬器可為穩態處理 模擬器或動態模擬器。模型化及模擬包含常微分方程式 (ODE)、代數方程式（AE)與偏微分方程式（pC)E)之任何組 合。另外，經驗模型化方法（例如神經網路（NN)，諸如具 外生輸入之非線性自回歸網路（NARX)、具外生輸入之非 線性自回歸移動平均模型（NARMAX)、小波網路模型及 Wiener-Hammerstein模型）係用在將簡化第一原理模型與資 料驅動模型組合之一混合動態模型結構中。此外，使用線 性化模型與非線性模型兩者之多變數模型預測控制（Mpc) 提供動態最佳化之解決方案。一主模擬器720係與第一模 擬器702 '第二模擬器7〇4及第三模擬器7〇6、空氣分離單 元模擬器708及氧燃料鍋爐模擬器71〇中之各者連通。主模 擬器720在從屬單元（即，第一模擬器7〇2、第二模擬器7〇4 及第三模擬器706、空氣分離單元模擬器7〇8及氧燃料鍋爐 模擬器71 0)之設置期間有用且用於檢查從屬單元之功能。 主模擬器720大體上用於測試且作為從屬單元之一診斷工 160072.doc •10-

S 201250176 具。 模擬器（即’第一模擬器7〇2、第二模擬器704及第三模 擬器706、空氣分離單元模擬器7〇8及氧燃料鍋爐模擬器 710)之各者可為一動態模擬器，其使用先進技術來模擬實

• 際氧燃料處理。明確而言，該動態模擬器可為基於ROM . (降階模型）之一模擬器。 圖2中所描繪之最佳化處理使用平行處理性能及控制系 統設計分析。藉由使用一處理性能模擬器與一動態模擬器 兩者而預測、評估且藉此有效最佳化經最佳化之發電廠性 能及操作參數。例如’該處理性能模擬器包含（但不限於） 使用理論及經驗模型（諸如設計標準中之處理模型及/或回 歸模型及基於操作資料庫之NN模型）來進行熱力、熱經濟 學及排放預測》 動態模擬器包含第一原理模型或替代地第一原理模型與 資料驅動經驗模型之組合、及/或小波網路模型以及（例如） 控制邏輯模擬模型。對於使用期限延長控制，包含材料模 型’藉此允許材料損壞預測及使用期限延長控制模擬。 現再次參考圖2，分散式控制系統平台8〇〇控制空氣分離 單元200、鍋爐300、煙道氣乾燥器3〇4、靜電除塵器3〇6及 煙道氣冷凝器400。分散式控制系統平台8〇〇與最佳化器 900連通。最佳化器900包括與一發電廠主控制器95〇連通 之發電廠經濟最佳化器952。發電廠經濟最佳化器952自分 散式控制系統平台800擷取線上資料且處理該線上資料以 用在藉由處理模型之預測中。最佳化器計算最佳目標值且 160072.doc 201250176 將其等回傳至分散式控制系統平台8〇〇以用於即時執行。 目標值可替換分散式控制系統平台8〇〇之既有設定點或將 一偏壓增加至既有設定點以將其等調整至新近計算目標 值。將在最佳化計算中施加操作約束。 如上所注，分散式控制系統800包括一控制系統平台 802，其控制空氣分離單元2〇〇、鋼爐3〇〇、煙道氣乾燥器 304、靜電除塵器306及煙道氣冷凝器4〇〇及/或渦輪機發電 系統（圖中未顯示在一實施例中，控制系統平台8〇2可藉 由個別控制系統而控制發電廠1〇〇之各自部件，如圖2中所 示》在另-實施例中，-附帶控制器可用以控制空氣分離 單元200、鍋爐300、煙道氣乾燥器3〇4、靜電除塵器3〇6及 煙道氣冷凝器400。 氧燃料發電廠主控制器950與用於空氣分離單元2〇〇之模 型處理控制器908及用於鍋爐3〇〇之模型處理控制器91〇連 通。氧燃料發電廠主控制器95〇亦與各自最佳化器（即，分 別用於煙道氣乾燥器3〇4、靜電除塵器3〇6及煙道氣冷凝器 400之第一最佳化器（最佳控制器）9〇2、帛三最佳化器（最佳 控制器）904及第三最佳化器（最佳控制器）9〇6)連通。發電 廠經濟最佳化器952亦與發電廠主控制器95〇及第一最佳化 器902、第一最佳化器9〇4及第三最佳化器9〇6連通。因為 最佳化發電廠性能及操作參數之確定可涉及多重迭代以在 諸多設計方案中選擇，所以可包含額外最佳化器（圖中未 顯示）使得處理性能與控制系統設計兩者在藉由發電廠經 濟最佳化器952而最佳化之前被預先最佳化。 I60072.doc 201250176 圖3及圖4反映一最佳化氧燃料二氧化碳燃燒發電廠中之 模型處理控制器之操作之一些實施例。在操作中，模型處 理控制器850自發電廠100接收氧燃料處理輸出參數1〇4。 氧燃料處理輸出參數104包含（但不限於）負載需求、功率及 氣體（例如Η2、N2、C〇2及/或合成氣）流速。使用設定點 714及預定參數716，模型處理控制器85〇使模型化發電廠 參數最佳化且將基於該等模型化發電廠參數之一最佳化氧 燃料處理輸入控制參數1〇2提供至發電廠1〇〇。在一例示性 實施例中，最佳化氧燃料處理輸入控制參數1〇2為一固體 顆粒輸送存貨控制變數，但替代例示性實施例不限於此。 例如，最佳化氧燃料處理輸入控制參數1〇2可為一反應器 溫度控制變數、一迴路溫度控制變數、一熔爐溫度控制變 數、一負載斜坡控制變數、一發電廠啟動控制邏輯演算 法、-反應器壓力變數、一反應器微分壓力變數、一發電 廠停機控制邏輯演算法及一燃料/空氣/石灰石/蒸汽比率， 仁替代例示性實施例不限於上述清單。 模型處理控制器850包括一模型部件818、一評估器咖 及-最佳化器822。雖然圖3之模型處理控制器㈣係與發 電廠100連通，但其可與發電廒之其他較小部件之任何者 (諸如（例如）锅爐或空氣分離單元）連通且可用來控制發電 廠之此等較小部件。例如，模型處理控制器85〇可為用於 空氣分離單元200之模型處理控制器刚及用於銷爐3〇〇之 ^型處理控制器910，如圖1中所示。可通過使㈣（處理控 '之物件鏈接與喪人）與分散式控制系統平卜起使用（但 »6〇〇72.d〇, •13- 201250176 不限於此）而完成資料通信。 在一實施例中’模型處理控制器850可包含由第一原理 方程式（諸如質量、動量及能量平衡）導出之線性或非線性 動態模型及模擬。此外，經驗模型化方法（諸如非線性神 經網路）係用在將簡化第一原理模型與資料驅動模型組合 之一混合動態模型結構中。在一例示性實施例中，模型處 理控制器利用當前發電廠控制系統組件（例如既有比例-積 分-微分（PID)控制器）來補充及/或替換具基於模型之預測 控制（具有最佳化能力）之當前發電廠控制系統。更明確而 言’根據一例示性實施例之模型處理控制器850之模型部 件818包含一非線性穩態模型及一或多個線性或非線性動 態模型。另外，該穩態模型及/或該動態模型可各使用自 適應、模糊及/或NN模型化技術及/或第一原理模型化技術 來使氧燃料發電廠之複合非線性多相流動及化學反應模型 化。 圖4描繪圖2之氧燃料發電廠經濟最佳化器952之一例示 性實施例。氧燃料發電廠經濟最佳化器952係與圖1之發電 廠100連通β在一例示性實施例中，氧燃料發電廠經濟最 佳化器952包括一多變數最佳化器912，其對發電廠1〇〇執 行基於經濟之一總體最佳化。更明確而言，多變數最佳化 器912聚焦於與發電廠1 〇〇相關聯之設備之熱經濟性能、排 放物減少及/或控制及使用期限延長準則。多變數最佳化 器912使用非線性模型或線性模型來使發電廠之性能最佳 化。在一例示性實施例中，多變數最佳化器912使用非線

160072.doc • 14- S 201250176 性模型來使發電廠之性能最佳化。 ，多變數最佳 收入計算演算 為對發電廠100執行基於經濟之一最佳化 化器912分別通過一成本計算演算器918及— 器920而接收發電廠100之輸入參數1〇2及輸出參數1〇4,如 ’輸入參數102包含（但 圖4中所示。在一例示性實施例中 不限於）燃料流量、吸附劑流量、空氣流量、水流量、石 灰石流量、固體顆粒循環速率及類似者。輸出參數1〇4包 含發電速率、排放物額度、使用期限延長、處理蒸汽（作 為一輸出產品）、C〇2利用率、c〇2捕獲量（組態為負收 入）、c〇2儲存量（組態為一負收入）及類似者。 多變數最佳化器912自成本計算演算器918及收入計算演 算器920接收輸出以基㈣束（諸如（例如）預定操作約束 924、市場約束926及環境約束928)而確定發電廠ι〇〇之一 最佳化操作參數解。圖4中亦可包含之未描繪其他約束為 與控制致動器相關聯之約束或硬約束（排放限制），可引入 至成本目標函數中之軟約束（例如貿易懲罰）由國家排放法 ，或使用者特定貿易懲罰（與基於二氧化碳品質（就純度而 言）或處理蒸汽品質（就壓力/溫度及純度而言）之產品保險 相關）引起。 歹1不性實施例中，成本計算演算器918使輸入參數 1〇2之預定個別成本因數Cz.與個別輸入沿之一組乘積累 加而收入計算演算器920使輸出參數104之預定個別收入 因數^與個別輸出17之—組乘積累加。個別成本因數C7包 3 (例如)輔助功率成本、石灰石成本及燃料成本及其他。 16⑻72.doc 15 201250176 個別收入因數a包含（例如）排放額度及使用期限延長額度 及其他。 如圖4中所示，多變數最佳化器912使用一分散式控制系 統914及一先進製程控制（APC)資料輸入及/輸出系統916來 將最佳化操作參數解施加至發電廠丨0〇 ^因此，在基於最 佳總經濟之一操作點下操作發電廠丨〇〇。 在一實施例中，多變數最佳化器912可使用任何非線性 最佳化解算器，只要其可與一特定發電廠模型及相關聯約 束一起工作。故障資訊亦可經由故障偵測器922用在最佳 化中。故障可與發電廠之回饋處理、感測器、控制器、致 動器或其他部件相關聯。典型處理故障可包含氣體洩漏、 閥堵塞、閥洩漏或堵塞、煙道氣處理或水/蒸汽處理之壓 力平衡喪失、燃燒穩定性差、粉碎機功能障礙、ASU及 GPU功能障礙、煙道氣再循環迴路之功能障礙、熔爐溫度/ 壓力過高或過低、違反燃燒排放限制及類似者。故障資訊 可經由混合整數最佳化而引入至最佳化處理中。 圖5中顯示一氧燃料發電廠1〇〇之一般輸入參數1〇2及輸 出參數104 »圖5顯示一氧燃料鍋爐模型預測控制器之結 構’該控制器可為使用任何氧燃料鋼爐模型之一監督最佳 控制器。如圖5中所見，輸入參數1〇2及輸出參數1〇4可被 分為燃燒參數及與水/蒸汽處理相關之參數。燃燒處理之 一般輸入為燃料、吸附劑及ΡΑ·氧氣（初級氧氣流）及SA_氧 氣（次級氧氣流），而燃燒處理之一般輸出為煙道氣流速、 燃燒室溫度 '氮氧化物出口量、二氧化硫出口量及二氧化 160072.doc -16· 201250176 碳出口量。 在氧燃料燃燒時，水/蒸汽處理之-般輸入為給水、噴 霧柃及力率需求(單位為百萬瓦特)。在氧燃料燃燒時，蒸 几/水處理之一般輸出為蒸汽流量、蒸汽溫度、蒸汽量及 圓筒/分離器位準及壓力部件金屬溫度（若適用）。 學上可表示為如下方程式（〗）： Μ>-Ι Σ ⑼u++<丛] 圖4之一氧燃料鍋爐模型處理控制器之最佳化問題在數 J = (1) 其經歷圖4中之操作條件及以下數學條件 Umn ^ ^ (2) (3) (4) △Wmin $ △心=H丨 < 加麵 ymm 設定點向量，u為輸 其"為預測輸出向量’ h為輸出狀態 入向1 ’ ^為控制移動向量’ Np及Nc(其中Nc<Np)分別為 預測及控制層位，且Q(>〇)、阶〇)及s(^〇)為對稱加權矩 陣。J為最佳化之成本目標函數。成本二次函數係用在一 模型預測控制公式中。成本函數亦可在發電廠系統、子系 統或組件給定時根據待公式化之問題而成為線性成本函 數。 對於非線性模型，狀態評估器可根據需要而成為擴展型 卡爾曼滤波器（EKF)或無香味型卡爾曼濾波器（UKF)。因 160072.doc 17 201250176 此，多變數最佳化器904可為任何非線性最佳化器，只要 其可與單元特定模型及評估器一起工作。 總而言之，根據一例示性實施例之一處理設計及控制最 佳化工具包含一多變數非線性工具，其給一氧燃料發電廠 提供集成、動態及穩態性能與控制設計最佳化。因此，發 電廄排放物被顯著減少及/或有效最小化，同時實質上改 良發電廠總體經濟效率以導致較低總操作成本。 .雖然已參考各種例示性實施例而描述本發明，但熟習技 術者應瞭解可在不背離本發明之範疇之情況下作出各種改 變且4效物可替代本發明之元件。另外，可在不背離本發 明之本質範疇之情況下作出諸多修改來使一特定情形或材 料適應本發明之教示。因此，意欲本發明不受限於被揭示 為實踐本發明時所考量之最佳模式之特定實施例，且本發 明將包含落在附加申請專利範圍之範疇内之全部實施例。 【圖式簡單說明】 圖1描繪經組態以允許氧燃燒之一例示性發電廠； 圖2反映在使煙道氣再循環時用於控制及最佳化發電廠 性能之一例示性氧燃料經濟最佳化器及控制系統； 圖3反映一最佳化氧燃料二氧化碳燃燒發電廠中之模型 處理控制器之操作之一些實施例； 圖4描繪圖2之氧燃料發電廠經濟最佳化器之一例示性實 施例；及 圖5顯示一氧燃料鍋爐模型預測控制器之結構，其可為 使用任何氧燃料鍋爐模型之一監督最佳控制器。 160072.doc •18-

S 201250176 【主要元件符號說明】 100 發電廠 102 輸入參數 104 輸出參數 200 空氣分離單元 300 鍋爐 302 渦輪機 304 煙道氣乾燥器 306 靜電除塵器 308 壓縮機 310 隔離設施 400 煙道氣處理系統/煙道氣冷凝器 500 氧燃料經濟最佳化器及控制系統 700 模擬器 702 第一模擬器 704 第二模擬器 706 第三模擬器 708 空氣分離單元模擬器 710 氧燃料鍋爐模擬器 714 設定點 716 預定參數 720 主模擬器 800 分散式控制系統平台 802 控制系統平台 160072.doc -19- 201250176 818 模型部件 820 評估器 822 最佳化器 850 模型處理控制器 900 最佳化器 902 第一最佳化器 904 第二最佳化器 906 第三最佳化器 908 模型處理控制器 910 模型處理控制器 912 多變數最佳化器 914 分散式控制系統 916 先進製程式控制（APC)資料輸入/輸出系統 918 成本計算演算器 920 收入計算演算器 922 故障偵測器 924 預定操作約束 926 市場約束 928 環境約束 950 發電廠主控制器 952 發電廠經濟最佳化器

160072.doc -20- S

Claims (1)

1. 201250176 七、申請專利範圍： 1 一種用於使一氧燃料發電廠最佳化之控制系統，該控制 系統包括： 一最佳化器，其與該氧燃料發電廠連通，該氧燃料發 電廠可操作以使二氧化碳自一煙道氣流再循環至一鍋爐 之循環； 一控制平台’該控制平台可操作以控制該氧燃料發電 廠；及 一模擬器’該模擬器可操作以模擬該氧燃料發電廠之 性能9 2·如請求項1之控制系統，其中該最佳化器使以下各者進 一步最佳化：一收入計算演算器，該收入計算演算器基 於該氧燃料發電廠之複數個輸入參數而將一收入輸入提 供至該最佳化H ;及—成本計算演算器，其基於該氧燃 料發=廠之複數個輸出參數而將一成本輸入提供至該最 器其中3亥最佳化器基於該收入輸入及該成本輸入 :之至少一者而確定一最佳化操作參數解且將該最佳化 操作參數解供應至該氧燃料發電廠。 3·如明求項2之控制系統’其中該複數個輸人參數包括一 燃料流：、—吸附劑流量、一空氣流量、一水流量、一 热個仏量及—^體顆粒循環速率之至少"者，且該複 數個輸出參數肖 化碳捕獾I #一發電速率、二氧化碳利用率、二氧 、—氧化碳儲存量、煙道氣流速、烬燒室溫 度、氮氧化物出σ θ — 疋徹現至皿 I、一氧化硫出口量及二氧化碳出口 160072.doc 201250176 量之至少一者。 4. 如請求項2之控制系統，其中該收入計算演算器基於一 排放物額度及一使用期限延長額度之至少—者而將該收 入輸入進一步提供至該最佳化器。 5. 如請求項2之控制系統，其中該成本計算演算器基於一 輔助功率成本、石灰石成本及燃料成本之至少一者而將 該成本輸入進一步提供至該最佳化器。 6. 8. 如凊求項1之控制系統，其中該最佳化器為對該氧燃料 發電廠執行基於經濟之—最佳化之—多變數最佳化器。 士：求項1之控制系統’其中該控制平台包括複數個控 制器且其令該模擬器包括複數個模擬器。 如凊求項7之控制系統，其中該複數個控制器之至少一 控制器係一模型預測控制器。 9.如凊求項8之控制系統，其令該模型預測控制器係—羊 線性模型預測控制器。 :求項9之控制系統，其中該非線性模型預測控制器 模型部件卜模擬器部件，其可操作地連接至 該模型部件；及一最佳化 模型部件。 M牛’其可操作地連接至該 U.=求項9之控制系統，其中該非線性模型預測㈣ 態評估器，諸如-擴展型卡爾曼渡波器或― 香味型卡爾曼濾波器。 12·如請求項10之控制系統，其 m . 、中6亥槟型部件包括一穩楚 —動態模型、一自適應模型、-模糊模型及一和 160072.doc S -2 - 201250176 型之至少—者’該模擬器部件包括—降階模型化 i其中5亥最佳化器部件包括-多變數最佳化 、基於梯度之一最佳化器或諸如一基因演算法最佳化 器或-嵌套分割最佳化器之—隨機最佳化器之至少一 者。 13.如請，項2之控制系統’其中該最佳化器基於該收入輸 成本輸入之至少一者而確定一最佳化操作參數解 且將該最佳化操作參數解提供至該氧燃料發電廠之該控 制平台。 14_如請求項1之控制系統’其中該最佳化器計算目標值且 將此等目標值供應至該控制平台以用於即時執行。 15. 如請求項丨之控制系統，其中該發電廠最佳化器自該控 制平台掏取線上資料且處理該線上資料以用纟一處理模 型之預測中。 16. 如凊求項i之控制系統，其中該最佳化器用來使數學上 表不為方程式（1)之一最佳化問題最佳化： n J~h^k'~ys" Λ> J + YdukTRuk + AukTSAuk] *=〇 (l) 其經歷由以下方程式（2)、（3)及（4)表示之一組數學條 件： (2) (3) (4) Wmin ^Uk ^ Mmax AWtmn ^ = Uk -Uk_{ < Awmax - yk - ymax I60072.doc 201250176 :中夕為預測輸出向量，几為輸出狀態設定點向量，U為 衿向量，Au為控制移動向量，Np及NC(其中Nc<Np)分 f預測及控制層位’ Q(>())、尺㈣及^㈣為對稱加權 陣且J為最佳化之成本目標函數。 〆項1之控制系統’其中該最佳化器包括複數個最 18.如請求項1之控 《控制系統，其中該最佳化器包括用於一煙 道氣乾燥器之— 一最佳化器、用於一靜電除塵器之一 第一最佳化He田认 用於一煙道氣冷凝器之一第三最佳化 器0 制器求項1之控制系統’其中該控制平台包括複數個控 2°.=項1之控制系統’其中該控制平台控制一空氣分 煙道氣冷_及-㈣^燥㈣除塵器與一 21·:，其中該模擬器包括用於-空氣 22. 如請求们之控制二用：-鋼爐之-模擬器。 及成本輪入之至少i’ 、中該最佳化器基於收入輸入 該最佳化操作參數解供^:最佳化操作參數解且將 台。 應至忒氧燃料發電廠之該控制平 23. 如請求項1之控 將該等目栌值供庵、、” ’丨中該最佳化器計算目標值且 τ y知值供應至該把^ 2 4 ·如請求項i 控制平台以用於即時執行。 工’系統中該發電廠最佳化器自該控 160072.doc 201250176 制平台操*線上資料且處理該線上資料以用H理模 型之預測宁。 2 5 ·如响求項2之方法，其中該最佳化包括藉由線性方程式 或除二次方程式以外之一形式而使該成本目標函數最佳 化。 26. —種方法，其包括： 模擬一氧燃料發電廠中之一空氣分離單元、一鍋爐、 一煙道氣乾燥器、一靜電除塵器及/或一煙道氣冷凝器之 一性能； 由該模擬性能產生該空氣分離單元、該鍋爐、該煙道 氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙道氣冷凝器之性能之 一模型； 量測該空氣分離單元、該鍋爐、該煙道氣乾燥器、該 靜電除塵器及/或該煙道氣冷凝器之一輸出；及 藉由比較該模擬性能與實際性能而使該空氣分離單 元、該鍋爐、該煙道氣乾燥器、該靜電除塵器及/或該煙 道氣冷凝器及一渦輪發電機之性能最佳化。 27·如請求項26之方法，其中該最佳化包括計算最佳目標值 及將此專最佳目標值供給至一控制平台以用於即時執 行0 28. 如請求項26之方法，其中該最佳化包括基於該收入輸入 及成本輸入之至少一者而確定一最佳化操作參數解。 29. 如請求項26之方法，其中該最佳化包括使以下方程式（1) 之一成本目標函數最佳化： 160072.doc 201250176 J" ti^k ^ +AukTSAuk] 乂·=〇 ( 1 ) 其經歷由以下方敍？V/o、 田卜万程式（2) ' (3)及（4)表示之一組數學條 件： (2) (3) (4) ^min ^ Wit ^ Mmtut ^Wmio ^ = Uk ~ ^ Δί/ «^min - ^ ^max 其中夕為預測輸出向量，h為輸出狀態設定點向量，u為 輸入向量，△!!為控制移動向量，Np及Nc(其中Nc<Np)分 別為預測及控制層位，Q(>〇)、尺(^0)及s〇〇)為對稱加權 矩陣且J為最佳化之成本目標函數。 30.如請求項29之方法，其中該最佳化包括藉由線性方程式 或除一次方程式以外之一形式而使該成本目標函數最佳 化° 160072.doc