CO2减排与环境保护是维持人类社会可持续发展的关键问题，寻求切实可行的解决途径成为全世界的共同关注点。作为碳捕集、利用与封存技术之一，氧燃烧技术用于减少燃煤电站中CO2排放量，正面临商业化示范与运行。然而，氧燃烧电站系统结构更为复杂、燃烧工况有所改变、烟气循环额外增添以及各个子系统之间的耦合运行相互作用等，导致氧燃烧技术在控制、运行、能耗与成本上面临着巨大挑战与机遇。正是在此背景下，以氧燃烧燃煤电站为研究对象，借助热力学评价、动态模拟、控制系统设计、运行策略辨识以及动态(火用)分析等研究手段，对氧燃烧锅炉岛系统、CO2压缩纯化系统以及空分制氧系统进行基础与应用研究，从而优化系统控制与运行，降低运行能耗与成本，为其商业化应用提供理论基础与技术指导。　　本研究主要内容包括：⑴从氧燃烧锅炉岛系统入手，通过动态模拟完成控制系统的设计与比较，辨识系统动态响应，探索双燃烧工况之间的切换方法、控制策略与运行规律，并辨识出空分制氧系统供氧的输出规律与CO2压缩纯化系统制取高纯度CO2产品的输入规律。在不同运行工况下，氧燃烧锅炉岛系统烟气侧和水侧呈现出的动态特征与运行干扰形式相关，烟气组分、炉膛出口压力、一次风与二次风中氧浓度、入炉膛总氧浓度以及蒸汽温度等运行参数表现出良好的鲁棒性。与基于入炉膛总氧浓度的控制相比，选取基于烟气中氧浓度的控制作为氧燃烧锅炉岛系统的控制系统，因为后者对 CO2压缩纯化系统运行的影响以及实现双燃烧工况切换控制均存在优势。提出分阶段式切换方法与部分控制策略，在17min内实现氧燃烧工况与空气燃烧工况之间的平稳切换，烟气中氧浓度始终维持在3.36 mol.％，烟气组分呈现出类似s曲线的变化趋势，且一、二次风中氧浓度均在合理变化范围内。⑵以氧燃烧锅炉岛系统呈现的烟气条件与用户对 CO2产品的特定要求为基础，运用热力学分析、技术经济评价以及热经济学成本分析等手段对CO2压缩纯化系统的能耗表现、成本分布以及成本形成等进行了综合考量。发现其(火用)损与投资成本均主要发生在压缩过程，而热经济学成本则主要集中在分离过程。以单位功耗为目标函数，设定目标变量与运行约束，实现多变量优化与验证，优化后的主 CO2压缩机出口压力、加压后烟气温度、第一级闪蒸分离器运行温度以及第二级闪蒸分离器运行温度分别为30 bar、30.42℃、-24.64℃与-55℃。最后，以优化后的运行工况作为动态模拟的初始条件，设计与比较不同控制结构，辨识系统在负荷与烟气组分变化工况下的动态特征。与单温度控制相比，选取双温度控制作为 CO2压缩纯化系统的控制系统，这归因于后者可同时满足CO2产品品质（≥96 mol.%）、CO2回收率（≥90%）以及物流温度（>-56.57℃）的特定要求。⑶根据氧燃烧锅炉岛系统的供氧特点以及潜在的耦合运行模式，定向设计空分制氧系统流程结构，构建稳态与动态模型，设计与比较不同的逻辑控制策略，辨识与分析系统在运行干扰以及经济节能运行策略下的动态特征。从满足供氧产品品质、运行节能以及灵活性等要求的角度，选取前馈-反馈控制作为空分制氧系统的控制系统，采用产氧单元跟随形式的运行控制策略实现灵活、经济与高效运行，推荐配备液氧储罐的超额空分制氧系统耦合至氧燃烧电站中，其制氧单元负荷降低至最低负荷（60%），且主空气压缩机功耗减少约32.85%。⑷为动态表征系统的热力学性能和从热力学角度辨识过程控制对系统运行的影响，提出系统性强与功能性强的动态(火用)方法，有效整合稳态建模与仿真、动态建模与仿真以及(火用)计算，获得不同运行工况下系统在不同时刻下的(火用)值，绘制(火用)随时间变化的曲线，运用后期数据处理手段定义评价指标，实现对系统控制、运行与能耗的优化。将动态(火用)方法运用到氧燃烧电站中，定量计算得到每一个运行工况下的能耗、系统对运行参数变化的灵敏性程度、控制结构对系统运行能耗的影响以及控制策略的选择等。发现系统运行能耗主要发生在系统本身，控制结构所产生的能耗不大，其影响形式与程度取决于控制结构在系统运行中所起的作用，表明提升系统热力学性能的关键在于改进系统流程结构和提升设备性能。