整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力島及系統特性研究

煤炭燃燒整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力島及系統特性研究戚利利' ,張忠孝' ,李振中'2,王陽(yáng),周?chē)?,謝 浩',陳曉利,陳雷2(1..上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093;2.國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心,遼寧沈陽(yáng)110034)摘要:動(dòng)力島是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)中復雜的關(guān)鍵單元,其中燃氣輪機變工況性能的變化對蒸汽底循環(huán)及整個(gè)系統的影響較大。采用thermoflex軟件建立IGCC系統模型,對200 MW級ICCC系統的技術(shù)方案進(jìn)行了探討,從系統的角度詳細分析了IGV可調等T3調節及空分整體化系數Xas和氮氣回注系數Xgn對動(dòng)力島及整個(gè)系統的影響。結果表明:在采用IGV可調等T3調節時(shí),在80%負荷時(shí)系統各參數出現轉折點(diǎn);隨著(zhù)Xas的增加,系統供電效率略有上升，,但是系統總功下降;在Xas為30%時(shí),隨著(zhù)氮氣回注系數Xgn的變化,系統的各參數在Xgn為70%時(shí)出現峰值。關(guān)鍵詞:ICCC;燃氣輪機;整體空分;氮氣回注中圖分類(lèi)號:TK472文獻標識碼:A文章編號:1006 -6772(2010)05 -0068 -05ICCC是一種最具發(fā)展潛力的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，導致燃氣輪機變工況性能,從而使系統處于變工況備受矚目”。ICCC系統由2大分系統組成,即氣化下運行,并研究了其不同組合方式及系統不同調節島和動(dòng)力島。其中氣化島包括:氣化系統,凈化系方式下的系統特性'9]。筆者總結常規聯(lián)合循環(huán)研統和空分系統;動(dòng)力島包括:燃氣輪機,余熱鍋爐和究方法,建立動(dòng)力島各子系統變工況特性:燃機島汽輪機等。由于環(huán)境條件、外界負荷或系統本身等(壓氣機燃燒室,透平)和常規島(余熱鍋爐、汽輪的變動(dòng),ICCC系統-般處于變工況下運行。動(dòng)力島機)的數學(xué)模型,采用thermoflex軟件比較詳細地分是IGCC系統中復雜的關(guān)鍵單元，機組的構成和運析了ICCC動(dòng)力島的變工況特性。行特征決定了IGCC中動(dòng)力島的變工況性能研究是1動(dòng)力 島運行方式與計算原理非常復雜的工作口。中科院的林汝謀、段立強等對影響系統變工況的主要因索進(jìn)行了分析并建立了1.1 燃氣輪機全工況圖譜框架,討論了燃氣輪機3種調負荷方式燃氣輪機由于受到環(huán)境條件外界負荷或系統對系統變工況的影響，并分析了底循環(huán)變工況特本身的影響通常處于變工況下運行?？梢圆捎迷鲂?3-01。M. s. Johnson分析了在變工況時(shí)燃氣輪機減燃料量和調節壓氣機叮轉導葉的安裝角來(lái)改善的特性'”。張娜蔡睿賢采用動(dòng)力機械變工況性能.變工況性能。解析方法,研究了大氣溫度對系統的聯(lián)合循環(huán)系統①壓氣機變工況性能采用文獻[ 10]計算。.的影響8]。中科院的汪麗霞等指出空分整體化系π=F(Ga,a);ne =F(Ga,a) =F(π,a);數Xas和氮氣回注系數Xgn等匹配條件的變化也會(huì )Ga=(π ,a)中國煤化工收稿日期:2010-07 -21MHCNMHG基金項目:國家863高技術(shù)基金項目(2006AA05A110)作者簡(jiǎn)介:職利利(1986- -) ,女,江蘇宿遷人,碩士研究生,主要從事I6CC系統方面的研究。E mailiqi1986@ hotmail. com68《沽凈煤技術(shù))2010年第16卷第5期煤炭燃燒. 全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊(CA-CD規范)執行優(yōu)秀期刊J式中,π-壓比;n.-效率;Ga-空氣量;a- -壓氣機變化,HRSG出口蒸汽參數取決于負荷變化后煙氣側與進(jìn)口可轉導葉安裝角。水側的熱量平衡關(guān)系。壓力級別可分別用Flugel公式②燃燒室的變工況性能根據熱平衡方程求出,表示,將Flugel公式同余熱鍋爐熱平衡方程聯(lián)立求解，此時(shí)要考慮壓氣機抽氣、氮氣回注。即叮計算出蒸汽透平滑壓運行時(shí)變工況性能。透平前溫T, =。qmgCxTz +q.y(Q.ηg +i)(3)滑壓-定壓復合方式運行Cp(9mR +qm)滑壓、定壓分別按各自的控制方程計算。式中,qn為燃燒消耗量,kg/s;Q.為燃料低位發(fā)熱量，2計算模型的建立J/kg;Cp為燃氣定壓比熱容,Cx≈1154 J/kg●K;ij為燃料物理比焓,J/kg;9me為燃燒室進(jìn)口空氣流量, .圖1為200 MW級IGCC系統模型簡(jiǎn)圖。系統kg's;nB 為燃燒效率,在工況變化時(shí)可近似地看作流程是:煤漿制備系統出來(lái)的水煤漿與空分系統出不變;T2'為壓氣機出口總溫。來(lái)的高壓氧氣混合后進(jìn)入氣化爐膛進(jìn)行高壓氣化,③透平的變工況性能采用文獻[ 10]中的透平氣化爐出口的高溫煤氣通過(guò)輻射廢鍋與對流廢鍋全工況模型計算,除了要考慮工質(zhì)熱力特性的變化進(jìn)-步降溫后送人除塵系統,煤氣進(jìn)人凈化系統.關(guān)系,還要滿(mǎn)足透平流量與壓氣機進(jìn)口流量、壓氣時(shí),首先進(jìn)入煤氣冷卻器,然后經(jīng)粗煤氣過(guò)熱器加機抽氣流量、燃料流量透平冷卻量的平衡條件,以熱,再經(jīng)COS水解后進(jìn)人脫硫系統,凈化后的凈煤及滿(mǎn)足透平膨脹比與進(jìn)口壓力、燃燒室壓力、排氣氣和空分出來(lái)的氮氣一起進(jìn)人燃氣輪機前置燃燒壓力和壓氣機壓比的平衡條件。各量滿(mǎn)足關(guān)系式:室,以提高燃機效率和降低NO,排放，再經(jīng)過(guò)凈煤G3/Ts/Ppa. +b.π -π二氣過(guò)熱器后進(jìn)人燃機燃燒。燃氣輪機的高溫煙氣進(jìn)入余熱鍋爐,產(chǎn)生蒸汽送到汽輪機中發(fā)電做功。SS.Go1/Tg3/Pg3 Na.+b.πr。一π。"式中,C。-透平流量;T,-透平前溫;Ps-透平入口余熱鍋爐與廢鍋和煤氣凈化系統都存在汽水交換，壓力;π一透平膨脹比;下標0為設計.工況比;a,b,以提高系統效率。燃機壓氣機出口抽取- - 部分高溫高壓空氣,通過(guò)空氣冷卻器后送至空分系統。取決于透平級數,平均發(fā)動(dòng)度及T質(zhì)熱物性。1.2 余熱鍋爐-回二森余熱鍋爐是蒸汽系統的重要組成部分,常規的聯(lián)合循環(huán)中蒸汽系統通常被設計成雙壓或多壓系.)-0-0統,根據“溫度對口,能量梯級利用”的原則,可以將其看成是幾種換熱器組成,每種換熱器都由省煤回- 0一句器蒸發(fā)器和過(guò)熱器組成。在進(jìn)行變工況計算時(shí)，7氣,12-日r冷凝器h煙換熱器數學(xué)模型參考文獻[ 10,11]。] 11{ 14le °η= SI;隆回Qg=Gq●(hgim -hgju);圖1200 MW級IGCC系統模型Qg=Gg° (hym -hpou);Qy=ky.Sy" VTag1-氣化爐;2-輻射廢鍋;3 -對流廢鍋;4-除塵;式中:Q。為j溫區內燃氣放熱量;n,為燃氣放熱效5- -煤(冷卻器:6一粗煤飛過(guò)熱器;7- -COS 水解器;率;Q;為j溫區內i個(gè)換熱器的吸熱量;Gg流經(jīng)第i8-脫硫;9一前置燃燒室;10-媒漿制備裝置;11一壓縮機; .12-透平; 13-蒸汽輪機;14-氽熱鍋爐;個(gè)換熱器的工質(zhì)流量;hjp ,hyuw分別為流經(jīng)第i個(gè)換15-煙囪;16- -空氣冷卻器;17-空分裝置熱器的工質(zhì)的進(jìn)出口焓值;ky為換熱系數;S為換熱氣化爐采用純氧高壓水煤漿氣化,煤質(zhì)分析見(jiàn)器面積; V T.為對數平均溫差。表1。燃機采用CE9171型燃氣輪機,三壓再熱、臥1.3蒸汽透平式、無(wú)補燃、自身除氧自然循環(huán)氽熱鍋爐。系統的(1)定壓運行燃氣參數已知后,HRSC產(chǎn)生的飽和蒸汽壓力不變。設計中國煤化工(2)滑壓運行tYHCNMHG汽輪機進(jìn)氣閥在全開(kāi)位置,變工況下蒸汽壓力將威利利等:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力島及系統特性研究59煤炭燃燒表1煤質(zhì)分析元素分析/%M./%Q0m./(MJ.kg-')FT/Cw(C) w(H) o(N) w(S) w(0)57.81 3.62 0.84 0.33 0.317.321. 741260表2 IGCC 系統設計工況發(fā)電效率/%氣化壓力/MPa氣化溫度/C氣化妒容址/(t.h-1)46. 463.61311.72000水煤漿質(zhì)敏分數/%氧煤比冷煤氣效率/%炭轉化率/%60.50.756 .0.732598整體化空分系數燃機功率/MW壓氣機壓比燃機排煙流/(.h1)126.512.41525燃機排氣溫度/C汽輪機功率/MW高壓/再熱/中壓/低壓蕉汽溫度/C高H/再熱/中壓/低正燕汽壓力/MPa5S110.3525/503/300/2179. 58/2. 55/2.74/0.4氣流量來(lái)降低負荷,使負荷從100%降到80%。在此過(guò)程中T3保持不變,74升,當74在80%負荷時(shí)達到3計算與結果討論最大值582.8 C,此時(shí)若再關(guān)小IGV角度,將使74超3.1燃機變負荷調節方式對動(dòng)力島及系統的影響溫。T4的升高即進(jìn)入余熱鍋爐的煙’(溫度升高,整體底燃氣輪機是動(dòng)力島的關(guān)鍵設備,影響ICCC系統變T況的因素大多與燃氣輪機有關(guān)(21 ,并且燃氣側.120r600的變化是引起燕汽底循環(huán)變化的主要因素。燃氣輪100f-560ξ80s520μ機變L況是影響IGCC系統變工況變化的主要原因。; 60-2燃氣輪機采用不同調節方式時(shí),其變工況特性出40-4400大不相同。燃氣輪機通常有3種調節方式:IGV(壓20} 1400氣機進(jìn)口可轉導葉)不調,1GV調節等T3(透平初040?σδ吉80360溫)和ICV調節等T4(透平排氣溫度)調節川。半燃機負向變化百分比/%山電廠(chǎng)系統設計200 MW級ICCC的空分整體化系圖3等乃3調節時(shí)蒸汽底循環(huán)參數隨燃機負荷的變化數為0.3,氮氣不回注。GE9171型燃氣輪機采用的1一中壓汽包壓力;2-高壓汽包壓力;3- 低壓汽包Ik力;4-.主蒸汽溫度;5-冉熱蒸汽溫度調節方式是等T3調節方式。280r481200-1600240|-1500三200F, -40員: 900-14008骨1206袋-1300重600.80-23212004040506008090002830050600800001100燃機負倚變化自分比/%燃機負倚變化門(mén)分比/%日2 等T3調節時(shí)系統各參數隨燃機負荷的變化圖4等T3調節時(shí)燃氣輪機各參數隨燃機負荷的變化1-系統總功率;2-系統凈功率;3- 燃機功啊;1-透平入口溫度:2-燃機排氣溫度;3- 燃機排氣流量4-汽機功率;5-總發(fā)電效率;6- 燃機效率;7-凈發(fā)電效率循環(huán)中國煤化工紫汽溫度和再熱蒸從圖2~圖3可見(jiàn),在調節過(guò)程中T3變化分2個(gè)汽溫YHC N M H G統的發(fā)電效率、供階段:第- -階段,關(guān)小ICV角度來(lái)減小壓氣機人口的空電效率和燃機效率有所上升。第二階段,通過(guò)降低70《潔凈煤技術(shù))2010年第16卷第5期煤炭燃燒. 全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊(CAJ-CD規范)執行優(yōu)秀期刊-T3來(lái)降負荷,此時(shí)ICV保持不變,從圖2~圖3可以i0r784002看出,負荷從80%降到40%的過(guò)程中,系統的參數都士耗中單, 8200號有所下降,但是和第一階段相比,系統的總功率、系統-80002凈功率燃機功率和汽機功率下降幅度較大,如負倚7800書(shū)從100%下降到80%時(shí),系統總功率從231.12 MW下330}降到199. 14 MW,下降幅度較小;負荷從80%下降到40%時(shí),系統總功率從199. 14 MW下降到102. 99 MW ,20δ20400801007400-下降幅度較大。同樣,第二階段高壓汽包、中壓汽包和空分整體化系數Xas/%低壓汽包下降幅度較第- -階段大很多。由于第-階段圖6整體空分 系數對系統耗電量和系統熱耗辜的影響采用的是減小IGV角度來(lái)降負荷的,壓縮機進(jìn)口的空導致給水在余熱鍋爐中吸收更多的能量,汽輪機做功氣流量減小，而壓氣機進(jìn)口空氣量占總量的90%[14]，從而導致透平排氣量的減小幅度很大，第二階段IGV增加,彌補了燃氣輪機效率下降對系統效率的影響，不變,所以燃機排氣流量減小幅度較小。隨Xas增加，系統總功率、燃機功率汽機功率、廠(chǎng)耗.3.2整體空分 系數和氮氣回注系數對動(dòng)力島及系電量和空分耗功均下降,但是系統供電效率略有上統的影響升,廠(chǎng)耗電率也上升。Xas主要影響系統廠(chǎng)用電,還影響空分的工藝300-和氮氣的回注利用。氮氣問(wèn)注系數Xgn影響燃燒，室的流量從而影響透平的流量,最終影響燃氣輪機44的出力,并且氮氣回注還可以減少燃機NO,的排放["5]?？辗终w化系數和氮氣回注系數能夠影響150-燃氣輪機與其子系統的匹配關(guān)系?？辗终w化系，-36數Xas和氮氣回注系數Xgn的定義為:1000406080700-32Xas=Gm/G.m Xgn=Gx,/G、氮氣回注系數Xgn/%其中,G.為由壓氣機抽取的空氣量;G.為空分系圈7氮氣回注 系數對系統部分參數的影響統總空氣量;Gn為回注到燃燒室的氮氣的量;GN為1-系統總功率:2-燃機功率:3- 汽機功率;空分系統產(chǎn)生的總氮氣量。4-系統發(fā)電效率:5-燃機效率270r50 7340f耗電量210。。 ←耗電率770035+2047600蘭30 153洲20f 30古,6088010025 1036σ 040508000-7400一圖5空分整體化系數對系統有關(guān)參數的影響1一系統總功率;2-燃機功率;3- 汽機功率;圉8氮氣回注系數對系統耗電和系統熱耗率的影響4-系統發(fā)電功率;5-燃機效率;6-系統供電效率;7- -空分耗功從圖7~圖8中可以看出在Xgn =70%時(shí),系統從圖5 ~圖6中可以看出,在氮氣不回注的情況的各參數出現峰值,此時(shí)是因為在Xgn小于70%下,整體空分系數從0增加到100%的過(guò)程中,系統發(fā)時(shí),加壓耗功遠小于氮氣回注的燃機作功,燃機功電效率從47.81%下降到44%,下降了3. 81% ,但是率增加,汽機功率同時(shí)增加從而系統總功率增加;燃機效率從35.06%下降到28. 27%,下降了6.79%，在中國煤化工，燃機功率下降。燃機效率下降速度比系統效率下降的速度快,這是由系統YHCN M H G系統發(fā)電效率、燃于Xas增大使燃機透平排氣溫度略有提高'"] ,從而機效率、系統電量都出現先增加后減小的趨勢,同戚利利等:髖體煤氣化聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力島及系統特性研究71煤炭燃燒時(shí)系統熱耗率先減小后增加。研究[J].燃氣輪機技術(shù),2003 ,16(1):2 -8.[4] 段立強,林汝謀.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( ICCC)系統整體4結論綜合優(yōu)化[J].工程熱物理學(xué)報,2000 22(3):265 -268.(1)采用IGV可調等T3調節來(lái)降負荷時(shí),隨著(zhù)[$]段立強,林汝謀. 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( ICC)底循環(huán)變工況特性[J].中電機T.程學(xué)報2002 22(2):26 -30.燃機負荷的降低,T4先上升后降低,在80%時(shí)透平[6]林汝謀, 段立強. IGCC系統全工況設計優(yōu)化新方法T4出現最大值。隨著(zhù)T4的升高,主蒸汽溫度和再[J].工程熱物理學(xué)報200,25(4) :541 -545.熱蒸汽溫度也上升,致使汽輪機功率上升,此時(shí)導[7] JOHNSON M. S. Prediction of gas turbine on-and off-致系統總功率,系統效率發(fā)電效率下降緩慢,在負design perfor-Mance when firing coal-derived syngas[J].荷從80%下降到40%過(guò)程中系統各參數下降較快。Joumnal of Engineeringfor Cas Turbines and Power, 1992,(2)在氮氣不同注的情況下，隨著(zhù)Xas的增加,系114(4) :380 -385.統總功率燃機功率.汽機功率,空分耗功、系統發(fā)電[8] 張娜.環(huán)境溫度對燃氣輪機功熱并供裝置及聯(lián)合循環(huán)變l:況性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報,2001,22效率和燃機效率均下降,系統的供電效率從37. 12%(5) :529 -532.上升到38. 44%。在燃氣輪機透平通流允許及壓氣機[9]汪麗霞. IGCC中燃氣輪機全工況網(wǎng)絡(luò )特性[J].工程喘振不發(fā)生的情況下，降低整體Xas 較好,叮以增加熱物理學(xué)報,2001 ,21(6) :669 -672.系統的出功。在空分整體化系數Xas為30%不變時(shí)，[10]段立強. ICCC系統全工況特性與設計優(yōu)化以及新系隨著(zhù)氮氣回注系數Xgn的增加,系統各參數在Xgn統開(kāi)拓研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院，為70%時(shí)出現峰值,所以氮氣回注系數采用70%較2002 ,6.好。在保證壓氣機有足夠的喘振裕量且ICCC便于[11]倪維斗 ,徐向東熱動(dòng)力系統建模與控制的若F問(wèn)題啟動(dòng)的情況下，合理選擇整體化系數Xas和氮氣回注[ M].北京:科學(xué)出版社, 1996.系數Xgn可使系統有較大的功率輸出和供電效率。陳雷,張忠孝,李振中,等.200MW級IGCC系統變工況特性研究[ J].潔凈煤技術(shù),2008,14(5):59 -63.參考文獻: .[13]王鐵成,鄒成國. 不同燃氣輪機調控方案對燃氣-燕汽聯(lián)合循環(huán)電站性能的影響[J].熱能動(dòng)力工程,[1]段立強 ,林汝謀.新型ICCC系統研究與概念設計[J]. .2001 ,16(92) :205 -207. .工程熱物理學(xué)報,2002 ,23(2):139 - 142.[2]朱寶田,徐越.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(ICCC)動(dòng)力島運[14]王穎， 邱朋華.基于燃氣輪機變工況的ICCC系統特性研究[J].燃氣輪機技術(shù),2009 ,2(3):25 -28.行方式和變工況性能研究[C].第四屆全國火力發(fā)電[15]王穎. 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統氣化島特性模擬研技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì )會(huì )議論文,2003.究[J].中國電機工程學(xué)報,2010 ,30(2) :35 -39.[3]林汝謀 ,段立強. IGCC 聯(lián)合循環(huán)系統變工況特性分析Research on IGCC power island and system characteristicsQI Li-li' , ZHANG Zhong-xiao' , LI Zhen -zhong' 2,WANG Yang2 , ZHOU Guo-feng'，XIE-Hao' , CHEN Xiao-li2 , CHEN Lei?(1. School of Energy and Powver Engineering, University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093, China;2. National Pouver Conbustion Engineering Rsearch Center ,Shenyang 10034, China)Abstract: Power island is the complex key element of integrated gasification combined cycle ( IGCC). The off de-sign performance of gas turbine greatly afect the steam cycle and the whole system. Taking the software thermoflexto simulate the 200MW ICCC system and the system technology program was discussed in detail. The inluence ofthe manner of adjusting compressor inlet guide vanes( ICV) and keeping turbine inlet temperalure( T3 )constant ,airseparation unit ( ASU) integrated ceffcient( Xas ) and Nitrogen rejection coefficient( Xgn ) on the power island andthe system perforance are analyzed in detail. The results show that when the T3 is kepl constant, at 80% load thesystem parameters appear tuming points. With the increase ofslightly, but totalsystem power tums down. When Xas equals 30% , with the incre中國煤化工ient Xgr, the peakof parameters appears at the point of the Xgn equals 70% .TYHCNMHGKey words:ICCC; gas turbine load; air separation unit integrated; Nitrogen rejection72《潔凈煤技術(shù))2010年第16卷第5期