整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統變工況特性

第16卷(總第96期)熱能動(dòng)力工程2001年11月研究、設計與試驗文章編號:1001- 2060[ 2001 )6 - 0582 -04整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( ICCC )系統變工況特性段立強林汝謀金紅光蔡睿賢(中國科學(xué)院工程熱物理研究所北京100080)摘要:作者分析了影響IGCC系統變工況的因素基于通用工況的特性,旨在深入探討系統性能隨負荷和外界性模塊化建模思想建立了ICCC系統變工況特性模型和開(kāi)環(huán)境條件變化關(guān)系，從而為研究IGCC系統運行特發(fā)出相應程序軟件。通過(guò)大量的計算得出三種調節方式下性和控制規律提供完整信息和基礎數據。系統隨負荷與大氣溫度變化時(shí)的變工況特性曲線(xiàn)簇揭示了系統特性隨主要變量變化關(guān)系。2影響變 工況的因素探討關(guān)鍵詞整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IC0C);變工況;系統特性中圖分類(lèi)號:TM611.3 .文獻標識碼:AIGCC系統變工況問(wèn)題的重點(diǎn)在于其燃氣輪機的變工況。對IGCC中燃氣輪機特性模型方程組進(jìn)1前言行自由度分析不難看出它比一般的燃氣輪機有更.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)為-種先進(jìn)潔凈多的獨立變量后者只有兩個(gè)獨立變量,而IGCC中煤發(fā)電系統,由于它具有高效、低污染等優(yōu)點(diǎn)而備受燃氣輪機卻有五個(gè)獨立參數。( 1 )燃氣透平初溫.關(guān)注現已進(jìn)入商業(yè)驗證階段并正向著(zhù)更高的發(fā)展T3 :它是影響燃氣輪機性能的最關(guān)鍵參數,在負荷變化時(shí)常作為調節變量。(2)壓氣機進(jìn)口可轉導葉階段邁進(jìn)1。IGCC是一個(gè)由多水煤漿⑥種技術(shù)、多個(gè)設備組煤氣飽和器成的復雜系統(見(jiàn)圖文式洗滌器廠(chǎng)加熱器f改1 )雖然近年來(lái)各國學(xué)口中者都對它從不同的角氣化爐-一架脫硫度、用不同方法進(jìn)行o向旋風(fēng)除塵↓篡研究,但至今理論研究仍不充分,且多數①θ甲研究側重于設計工合成煤氣G再FH況。實(shí)際上由于種種紀分裝OcT原因,機組更多的是燃氣輪機處于偏離設計工況的狀態(tài),因此進(jìn)行變工畫(huà)迥-況特性的研究就更為汽輪機上重要與實(shí)用,目前已有一些關(guān)于IGCC系圖1 ICC 雙壓再熱蒸汽系統原統典型流程示意圖統或其子系統變工況中國煤化工方面的研究2-41。本安裝1MHCNMHG機特性發(fā)生變化,從文作者從整個(gè)系統的角度出發(fā),研究IGCC系統變而使各部件間匹配發(fā)生變化,因而它也可作為調節收稿日期2000-09-21 ;修訂日期2001-01- 08.基金項目":九五”具家重點(diǎn)科技攻關(guān)基金資助項目( 97 - A26 ) ;國家基礎研究973基金資助項目( 99922302 )作者簡(jiǎn)介段立強1973- )男山西平遙人中科院工程熱物理研究所博土研究生.第6期段立強等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC )系統變工況特性583 .參數。(3 )氮氣回注系數Xg= Gn2/G( Gr-回注到GgV Tg/Pg3a; + bzπl- π燃機的氮氣流量,G。- 空分系統生產(chǎn)氮氣總量):氮(2)SS. Ggo√ Tgo/P20a; + b.JTa- π0氣回注系數直接影響燃氣輪機燃燒室的流量,因此式中:Gg-透平流量;T3-透平前溫;Ps-透影響透平的流量最終影響燃氣輪機的出力、效率和平入口壓力沅一透平膨脹比;變工況性能。(4)整體空分系數Xs = CGa2/G.( Case常數azs bz取決于透平級數,平均反動(dòng)度以及.-由壓氣機抽取給空分系統的空氣量,Gas -空分系工質(zhì)熱物性;下標0為設計工況點(diǎn)。統用的總空氣量)整體空分系數決定了空分系統從3.4燃燒室的數學(xué)模型燃氣輪機壓氣機抽氣的份額,從而影響燃氣輪機各由于IGCC系統中燃氣輪機燃燒室有別于普通部件之間匹配、出力與效率。(5)透平通流面積調整燃氣輪機的燃燒室除燃用低熱值合成煤氣外還考系數ss :從廣義來(lái)理解,應是燃氣透平和壓氣機通慮壓氣機抽氣、氮氣回注,該模型考慮了壓氣機抽流能力的匹配關(guān)系。因此從理論上說(shuō),任何引起上述五個(gè)參數變化氣、氮氣回注的情況。Gg(Hg- Hg2s)=(G2 + G1H。- H2s)+的因素都是影響IGCC中燃氣輪機變工況的主要因G( H。+ Dhf)(3)素也是影響IGCC系統變工況的主要因素。特別是式中( H3- Hp2s)-透平入口燃氣相對25 C下列因素會(huì )引起上述五個(gè)中一個(gè)或幾個(gè)變量發(fā)生變焓值差;G2 -燃燒室入口空氣流量;G1 -冷卻空氣化(1 )機組負荷的變化(2)大氣溫度的變化[3)量( H。- Has)-空氣相對焓值差;Gq- 煤氣與氮氣部件性能的變化。的混合流量( H。+ Dhf)-混合燃料氣熱值加顯熱。3.5余熱鍋爐變 工況特性模型3聯(lián)合循環(huán)系 統理論建模根據溫度對口梯級利用”原則建立余熱鍋爐IGCC系統變工況特性研究的基礎和核心問(wèn)題溫區模型,由于在變工況過(guò)程中換熱器的換熱面積是理論建模本研究集體應用模塊化、方程化、通用是不會(huì )改變的所以主要考慮換熱系數的變工況即化建模的方法建立了各主要部件和系統的通用特可。煙氣側對流換熱系數ag對換熱系數的影響最大其比值可簡(jiǎn)化為下式8]:性模型5-7。ag_Gg y)r". (二)(其中m =0.6m =0.6)3.1氣化爐、煤氣凈化和空分系統變工況性能模ag型(4)采用黑匣子模型做了-定的假定子系統進(jìn)出式中:Tg ,TCg ,Ggo一一分別為 某溫區煙氣在口工質(zhì)滿(mǎn)足質(zhì)量、能量平衡方程。變工況與設計工況下的平均溫度與流量。3.2壓 氣機特性模型3.6蒸汽透平 全工況特性模型通過(guò)大量部件特性的統計歸納和理論分析推蒸汽透平第i級和第i + 1級進(jìn)汽點(diǎn)之間機組前導出壓氣機特性方程的通用函數形式,并匯集實(shí)測后壓力( P: ,P:+1入級前溫度T;與流過(guò)級組的蒸汽流數據回歸求得相關(guān)系數,擬合成公式,以便計算應量G在變工況前后滿(mǎn)足下面Fugel公式:P2- P+1，| T;o(5)Gao“N P際- P?+1ρN T;ε = F(Ga na)in。= F( G。ra)= Fε ra);工況變動(dòng)時(shí)高中壓缸蒸汽透平相對內效率認G。= F(ε a)( 1)式中:e-壓比in。-效率;G。-空氣流量;a-為不變;低壓缸蒸汽透平效率對末級蒸汽濕度變化影響進(jìn)行了修正9]。壓氣機進(jìn)口可轉導葉角度。建立了單模塊模型后根據各種系統的具體3.3燃 氣透平特性模型特點(diǎn)MYH中國煤化工-定功能的系統變工采用理論分析和實(shí)驗規律歸納相結合方法推出況特CNMH法求解。燃氣透平穩態(tài)全工況特性通用模型(準橢圓方程),比現有同類(lèi)方程(包括Fligel公式)在適用范圍與精4實(shí)例研究及計算結果分析度方面都有較大的改進(jìn)可適用于不同級數、不同流動(dòng)狀態(tài)轉速數是的透平情況。本文作者以400MW級IGCC系統為實(shí)例來(lái)進(jìn)行584●熱能動(dòng)力工程2001年變工況研究燃氣輪機采用燃用天然氣的大型機組.采用滑壓運行方式時(shí),高壓鍋筒壓力Psh 隨負荷下為母型氣化爐采用噴流床氣化工藝(水煤漿供料、降的變化關(guān)系。IGV不調時(shí)Psh下降迅速,而IGV調98%純度富氧的氣化劑),采用成熟的低溫濕法凈節時(shí)Ph降得慢一些?？梢?jiàn),通過(guò)調節壓氣機進(jìn)口化系統蒸汽底循環(huán)為雙壓再熱系統。對該系統進(jìn)行可轉導葉角度,可以抑制高壓汽包壓力的下降。了大量的計算。著(zhù)重研究了機組負荷變化和大氣溫(3 )圖6表示不同調節方式下高壓缸進(jìn)口主蒸度變化時(shí),IGCC聯(lián)合循環(huán)系統變工況特性的-般性汽溫度T隨負荷下降的變化關(guān)系。由圖可知,IGV規律?？烧{要比不調好,它減慢了T°so下降速度將有利于提高底循環(huán)的變工況性能。4.1負荷 變化時(shí)系統的變工況特性當負荷變化時(shí)，對燃氣輪機采取不同的控制規700- -IGV不調律其變工況特性就大不相同。-般來(lái)說(shuō)燃氣輪機680+等T調節等T調節可采用三種調節方式:IGV不調節、IGV調節等T3占660調節和IGV調節等T4調節。640(1)圖2 ~圖4是當Xas和Xgm組合確定時(shí)三620-種調節方式下燃氣輪機的T3、T4和G4隨負荷降低600-(負荷系數X。= Ng/N20 )的變化情況。它們均隨著(zhù)560↓0.405060.70809x.10負荷的下降而下降。IGV不調時(shí),由于采用了直接降低T3的措施降低負荷,因此,T3 和T4下降要比IGV圖4三種調節方式下燃氣透平排氣量可調時(shí)快得多。而由于IGV不調時(shí),IGV 角度始終保隨負荷降低的變化曲線(xiàn)持最大開(kāi)度,所以C,降低要比ICV可調時(shí)緩慢得多。1七IGV不謂士等力調節13001250-+-IGV不謂210十等六調節西150]1050100040506070809.10950踟+040.50.60.70.8 0.9圖5不同調節方式下 高壓汽包壓力隨負荷降低的變化曲線(xiàn)圖2三種調節方式下,透平初溫隨負荷降低的變化曲線(xiàn)60]。-1GV不謂+等調節μ 520士等I調節.0+IGV不調.48090+每了，調節士等T調節460-44000|420-400-04030%070809y10000040506070809x10中國煤化工主蒸汽溫度隨負YHCNMHG向阡1L口J又IU四x圖3三種調節方式下,透平排溫隨負荷.(4)圖7表示三種調節方式下IGCC系統效率( 2)圖方數據三種調節方式下余熱鍋爐變工況Efig隨負荷下降的變化關(guān)系(Xgs= 0.48 ,Xp=第6期段立強等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( IGCC )系統變工況特性585 .0.87 )。由圖可知,Efig 均隨著(zhù)負荷的下降而下降,但大功率N_。不受限制時(shí),T4 隨著(zhù)T。 的降低而降低;IGV可調要比不調時(shí)更有利于提高整個(gè)IGCC系統當N__受限制后在ICV可調時(shí),T4隨IGV角度的的效率。關(guān)小而上升這是由于壓比降低的緣故在IGV不調時(shí),由于T3降低,T4降低較快。- -1GV不調◆等π,調節(2)圖9 ,10分別為不同Xas與Xpm組合方案的士等工調節IGCC系統的燃氣輪機功率( N_)Efig隨T。變化關(guān)系。由圖可知它們都隨T。降低而不斷升高不同Xs與Xg的IGCC系統Ng和Efig隨T。變化的趨勢基xu =0.48,Xp -0.8736|本相同;隨著(zhù)設計工況的Xgg增大和Xg的減小,ICCC中燃機達到最大功率限制值N2的大氣溫度0.405060.70.80.9x.1.0T。對應值下降(見(jiàn)圖9中虛線(xiàn)所示)圖7三種調節方式下 IGCC系統效率隨47.0負荷降低的變化曲線(xiàn)46.546.0600]245.0595} 590]58543.0七N無(wú)限制42.5457520-1001020340,IGV不調570, IGV可調565555t20-1001020 :圖10燃 氣輪機不限制最大功率時(shí)不同TarcXas和x。組合的IGCC系統效率圖8不同調節方式下 燃氣輪機透平排隨大氣溫度變化曲線(xiàn)氣溫度隨大氣溫度變化曲線(xiàn)士N無(wú)聚制士IEV不相Xxm=O0LAXp -0029Nms45.5Xn-0.7.Xx -1.0202445.0-20.100102030 402210”20 -1001020圖11不同調節方式下 IGCC系統效率圖9不同整 體化方案的IGCC系統的燃氣輪機功率隨大氣溫度變化關(guān)系(3)圖11表示不同調節方式下,IGCC系統效率4.2大氣溫度變化時(shí)系統的變工況特性Efig隨T。的變化關(guān)系。由圖知Ngt無(wú)限制時(shí),Efig 隨T。的減小而8顯卜升. N限制后,ICV 可調要比在計算設計工況時(shí)大氣溫度T。是假定不變的。中國煤化工但在實(shí)際運行時(shí)T。是經(jīng)常變化的。本文作者研究了ICVMHCNM HGT。從-20 C ~ 40 C范圍內系統的變工況特性。(1 )圖8為Xs =0.7、Xgn= 1.0時(shí),N。無(wú)限制、5小結Nat受限制ICV可調與IGV不調節三種方式情況下,( 1)本文基于獨立變量概念,詳細分析歸納了T4隨T。酌變靴鯖況。從圖中可以看出燃氣輪機最(下轉第590頁(yè))熱能動(dòng)力工程2001年二惡英的分布?？梢?jiàn)隨床溫增加飛灰和底渣中二wastes[J ] Intern Chemical Engineering , 1987 , 27( 2):177-惡英毒性當量值降低高溫有利于使二惡英完全分182.[3] BROWN R ,PETTT K , MUNDY K, et al. Incineration : the british解。experience[ J]. Chemosphere , 1990 20 10 - 12):1785 - 1791.表4灰渣中二惡英的分布/ng g-'[4] VASSILEN s V, BRAKEMAN-DANHEUX C, LAURENT THIE-床溫970 C床溫920 CMANN , et al. Behavior , capture and inertization of some trace ele-底渣旋后飛灰旋后”飛灰ments during combustion of refuse - derived char from municipal solidI- TEQ0.050.570.061.03wate[J]. Fuel ,999 ,78( 10 )1131- 1145.[5] ARSEN J DARNARY. 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