论文总字数：26972字

摘 要

化石燃料是全球使用最广泛的能源，是造成碳排放的原因之一。大量的二氧化碳排放来自常规燃煤电厂等大型工厂。以可再生能源替代化石燃料被认为是一项长期战略，化石燃料在短期至中期仍然是主要的能量来源。 这促使有必要对常规化石燃料发电厂实施有效的技术改造，以在继续运行的同时减少碳排放。二氧化碳（CO₂）捕获和封存（CCS）等战略可以作为实现低排放的一个方案。有几种技术可用于碳捕捉，包括燃烧前碳捕集，富氧燃烧和基于溶剂吸收剥离的燃烧后碳捕集（PCC）。在这些技术中，PCC是最适合的方案。但是，使用PCC对电厂进行改造会导致电厂发电效率的显着降低。因为PCC再沸器中溶剂再生的能量，通常由来自发电厂低压缸的蒸汽提供。所以可以采用太阳能辅助系统来提供PCC再热器中溶剂再生所需要的能量，达到降低电厂损失的目的。既可以使电厂碳排放量降低，又减少电厂产量的损失。现阶段关于太阳能光热辅助碳捕集装置的研究停留在对于经济性的研究，与在特定工况下稳定运行的研究，而没有对动态运行进行模拟与分析。本文通过MATLAB来建立光热辅助的碳捕集系统模型，并通过模型进行系统动态特性分析，设计控制系统模拟系统的运行。

关键词：燃烧后碳捕集，槽式太阳能，模型建立，动态特性分析，PID控制

Abstract

Fossil fuels are the most widely used energy in the world and are one of the causes of carbon emissions. A lot of carbon dioxide emissions come from large plants such as conventional coal-fired power plants. This has led to the need for effective technological transformation of conventional fossil fuel power plants to reduce carbon emissions while continuing to operate. Strategies such as carbon dioxide (CO₂) capture and sequestration (CCS) can be used as a solution for achieving low emissions. There are several techniques that can be used for carbon capture, including pre-combustion carbon capture, oxygen-enriched combustion, and post-combustion carbon capture (PCC) based on solvent absorption stripping. Among these technologies, PCC is the most suitable solution. However, the use of PCC to retrofit power plants can result in significant loss of power plant output. This loss is due to the two main energy loads required for PCC operation. The first load applied to the power plant is the energy regenerated by the solvent in the PCC re-boiler and is usually provided by steam from the low pressure cylinder of the power plant. The second load is the amount of power required to run PCC auxiliary systems such as pumps and CO₂ compression lines, resulting in additional energy loss. Therefore, a solar assist system can be used to provide the energy required for the regeneration of the solvent in the PCC re-boiler, so as to reduce the loss of the power plant. It can not only reduce the carbon emissions of power plants, but also reduce the loss of power plant output. At this stage, the research on solar-assisted carbon capture devices has stayed in the study of economical efficiency and stable operation under specific conditions, but did not simulate and analyze dynamic operation. In this paper, a solar assisted carbon capture system model is established through MATLAB, and the dynamic characteristics of the system are analyzed through the model, and the operation of the control system simulation system is designed.

KEY WORDS: Carbon capture, Trough solar thermal power plant, Model establishment, Dynamic analysis, PID control

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

第二章 模型搭建 3

2.1 MATLAB平台简介 3

2.2 太阳能辅助燃烧后碳捕集系统描述 3

2.3 槽式太阳能光热转换能量模型 4

2.4 传热模型 5

2.5 接受管传热过程分析 7

2.6 玻璃管传热过程分析 8

2.7 集热管向支架的传热 9

2.8 槽式太阳能集热器出口温度动态模型 9

2.9 蒸汽发生器 11

2.10 碳捕集系统模型简介 12

第三章 动态特性分析 14

3.1 蒸汽阀门关小10% 14

3.2 蒸汽发生器导热油流量减小10% 15

3.3 光照减小10% 15

3.4 光照完全消失 16

3.5 贫液流量减小10% 18

3.6 小结 18

第四章 PID控制效果 20

4.1 经典PID控制系统原理以及结构 20

4.2 增量式PID控制器 21

4.3 控制方案 21

4.3.1 集热器出口温度 22

4.3.2 蒸汽出口压力 22

4.3.3 再沸器温 22

4.3.4 碳捕集率 23

4.4 控制效果分析 23

4.4.1 光照强度减弱10% 23

4.4.2 光照强度发生波动 24

4.4.3 烟气量增大10% 25

4.4.4 碳捕集率改变 26

4.4.5 光照完全消失 27

4.4.6 小结与后续改进 27

致谢 29

参考文献 30

绪论

研究背景

化石燃料是全球使用最广泛的能源，是造成大多数碳排放的原因。大量的二氧化碳排放量来自常规燃煤电厂等大型工厂。由于可再生能源技术所释放的二氧化碳较少，以可再生能源取代替化石燃料为基础的电力生产可以减少碳排放。然而，直到现在，这些可再生能源技术尚处于商业化和研究的不同阶段。 因此，以可再生能源替代化石燃料被认为是一项长期战略，化石燃料在短期至中期依旧是最主要的能量来源。 这促使有必要对常规化石燃料发电厂实施有效的技术，以在继续运行的同时减少碳排放。二氧化碳（CO₂）捕获和封存（CCS）等战略可以作为实现低排放的一个短暂步骤。因此，化石燃料发电厂可以通过改造CCS来实现温室气体（GHGs）排放目标，同时实行可再生能源一体化的逐步战略。

在夏威夷的Monaloia监测站，David Keeling自1958年以来一直在监测大气中的二氧化碳浓度。监测结果显示，大气二氧化碳浓度正在以加速的速度增加，从约1毫克/立方米的增加每年从20世纪60年代到近年。每年大约4毫克/立方米，这就是为什么大气中二氧化碳浓度从1958年的619毫克/立方米上升到2009年的756毫克/立方米^[1-2]。化石燃料发电厂占所有二氧化碳来源的二氧化碳总排放量的约30％^[3]。因此，控制化石燃料发电厂的二氧化碳排放量将对减少大气中二氧化碳浓度上升起到重要作用。对于火电厂来说，二氧化碳减排主要包括三种方法：预燃碳捕集（如IGCC技术），燃烧后碳捕获（烟气捕集）和富氧燃烧。这三种工艺各有其优缺点和适应性。其中，后燃碳捕集技术计划是最容易实施的，因为它成本低，碳捕集的规模大，适用温度处于发电厂排放烟气的温度范围内。

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