整体煤气化联合循环(IGCC)系统变工况特性

第16卷(总第96期)热能动力工程2001年11月研究、设计与试验文章编号:1001- 2060[ 2001 )6 - 0582 -04整体煤气化联合循环( ICCC )系统变工况特性段立强林汝谋金红光蔡睿贤(中国科学院工程热物理研究所北京100080)摘要:作者分析了影响IGCC系统变工况的因素基于通用工况的特性,旨在深入探讨系统性能随负荷和外界性模块化建模思想建立了ICCC系统变工况特性模型和开环境条件变化关系，从而为研究IGCC系统运行特发出相应程序软件。通过大量的计算得出三种调节方式下性和控制规律提供完整信息和基础数据。系统随负荷与大气温度变化时的变工况特性曲线簇揭示了系统特性随主要变量变化关系。2影响变 工况的因素探讨关键词整体煤气化联合循环IC0C);变工况;系统特性中图分类号:TM611.3 .文献标识码:AIGCC系统变工况问题的重点在于其燃气轮机的变工况。对IGCC中燃气轮机特性模型方程组进1前言行自由度分析不难看出它比一般的燃气轮机有更.整体煤气化联合循环(IGCC)为-种先进洁净多的独立变量后者只有两个独立变量,而IGCC中煤发电系统,由于它具有高效、低污染等优点而备受燃气轮机却有五个独立参数。( 1 )燃气透平初温.关注现已进入商业验证阶段并正向着更高的发展T3 :它是影响燃气轮机性能的最关键参数,在负荷变化时常作为调节变量。(2)压气机进口可转导叶阶段迈进1。IGCC是一个由多水煤浆⑥种技术、多个设备组煤气饱和器成的复杂系统(见图文式洗涤器厂加热器f改1 )虽然近年来各国学口中者都对它从不同的角气化炉-一架脱硫度、用不同方法进行o向旋风除尘↓篡研究,但至今理论研究仍不充分,且多数①θ甲研究侧重于设计工合成煤气G再FH况。实际上由于种种纪分装OcT原因,机组更多的是燃气轮机处于偏离设计工况的状态,因此进行变工画迥-况特性的研究就更为汽轮机上重要与实用,目前已有一些关于IGCC系图1 ICC 双压再热蒸汽系统原统典型流程示意图统或其子系统变工况中国煤化工方面的研究2-41。本安装1MHCNMHG机特性发生变化,从文作者从整个系统的角度出发,研究IGCC系统变而使各部件间匹配发生变化,因而它也可作为调节收稿日期2000-09-21 ;修订日期2001-01- 08.基金项目":九五”具家重点科技攻关基金资助项目( 97 - A26 ) ;国家基础研究973基金资助项目( 99922302 )作者简介段立强1973- )男山西平遥人中科院工程热物理研究所博土研究生.第6期段立强等整体煤气化联合循环( IGCC )系统变工况特性583 .参数。(3 )氮气回注系数Xg= Gn2/G( Gr-回注到GgV Tg/Pg3a; + bzπl- π燃机的氮气流量,G。- 空分系统生产氮气总量):氮(2)SS. Ggo√ Tgo/P20a; + b.JTa- π0气回注系数直接影响燃气轮机燃烧室的流量,因此式中:Gg-透平流量;T3-透平前温;Ps-透影响透平的流量最终影响燃气轮机的出力、效率和平入口压力沅一透平膨胀比;变工况性能。(4)整体空分系数Xs = CGa2/G.( Case常数azs bz取决于透平级数,平均反动度以及.-由压气机抽取给空分系统的空气量,Gas -空分系工质热物性;下标0为设计工况点。统用的总空气量)整体空分系数决定了空分系统从3.4燃烧室的数学模型燃气轮机压气机抽气的份额,从而影响燃气轮机各由于IGCC系统中燃气轮机燃烧室有别于普通部件之间匹配、出力与效率。(5)透平通流面积调整燃气轮机的燃烧室除燃用低热值合成煤气外还考系数ss :从广义来理解,应是燃气透平和压气机通虑压气机抽气、氮气回注,该模型考虑了压气机抽流能力的匹配关系。因此从理论上说,任何引起上述五个参数变化气、氮气回注的情况。Gg(Hg- Hg2s)=(G2 + G1H。- H2s)+的因素都是影响IGCC中燃气轮机变工况的主要因G( H。+ Dhf)(3)素也是影响IGCC系统变工况的主要因素。特别是式中( H3- Hp2s)-透平入口燃气相对25 C下列因素会引起上述五个中一个或几个变量发生变焓值差;G2 -燃烧室入口空气流量;G1 -冷却空气化(1 )机组负荷的变化(2)大气温度的变化[3)量( H。- Has)-空气相对焓值差;Gq- 煤气与氮气部件性能的变化。的混合流量( H。+ Dhf)-混合燃料气热值加显热。3.5余热锅炉变 工况特性模型3联合循环系 统理论建模根据温度对口梯级利用”原则建立余热锅炉IGCC系统变工况特性研究的基础和核心问题温区模型,由于在变工况过程中换热器的换热面积是理论建模本研究集体应用模块化、方程化、通用是不会改变的所以主要考虑换热系数的变工况即化建模的方法建立了各主要部件和系统的通用特可。烟气侧对流换热系数ag对换热系数的影响最大其比值可简化为下式8]:性模型5-7。ag_Gg y)r". (二)(其中m =0.6m =0.6)3.1气化炉、煤气净化和空分系统变工况性能模ag型(4)采用黑匣子模型做了-定的假定子系统进出式中:Tg ,TCg ,Ggo一一分别为 某温区烟气在口工质满足质量、能量平衡方程。变工况与设计工况下的平均温度与流量。3.2压 气机特性模型3.6蒸汽透平 全工况特性模型通过大量部件特性的统计归纳和理论分析推蒸汽透平第i级和第i + 1级进汽点之间机组前导出压气机特性方程的通用函数形式,并汇集实测后压力( P: ,P:+1入级前温度T;与流过级组的蒸汽流数据回归求得相关系数,拟合成公式,以便计算应量G在变工况前后满足下面Fugel公式:P2- P+1，| T;o(5)Gao“N P际- P?+1ρN T;ε = F(Ga na)in。= F( G。ra)= Fε ra);工况变动时高中压缸蒸汽透平相对内效率认G。= F(ε a)( 1)式中:e-压比in。-效率;G。-空气流量;a-为不变;低压缸蒸汽透平效率对末级蒸汽湿度变化影响进行了修正9]。压气机进口可转导叶角度。建立了单模块模型后根据各种系统的具体3.3燃 气透平特性模型特点MYH中国煤化工-定功能的系统变工采用理论分析和实验规律归纳相结合方法推出况特CNMH法求解。燃气透平稳态全工况特性通用模型(准椭圆方程),比现有同类方程(包括Fligel公式)在适用范围与精4实例研究及计算结果分析度方面都有较大的改进可适用于不同级数、不同流动状态转速数是的透平情况。本文作者以400MW级IGCC系统为实例来进行584●热能动力工程2001年变工况研究燃气轮机采用燃用天然气的大型机组.采用滑压运行方式时,高压锅筒压力Psh 随负荷下为母型气化炉采用喷流床气化工艺(水煤浆供料、降的变化关系。IGV不调时Psh下降迅速,而IGV调98%纯度富氧的气化剂),采用成熟的低温湿法净节时Ph降得慢一些。可见,通过调节压气机进口化系统蒸汽底循环为双压再热系统。对该系统进行可转导叶角度,可以抑制高压汽包压力的下降。了大量的计算。着重研究了机组负荷变化和大气温(3 )图6表示不同调节方式下高压缸进口主蒸度变化时,IGCC联合循环系统变工况特性的-般性汽温度T随负荷下降的变化关系。由图可知,IGV规律。可调要比不调好,它减慢了T°so下降速度将有利于提高底循环的变工况性能。4.1负荷 变化时系统的变工况特性当负荷变化时，对燃气轮机采取不同的控制规700- -IGV不调律其变工况特性就大不相同。-般来说燃气轮机680+等T调节等T调节可采用三种调节方式:IGV不调节、IGV调节等T3占660调节和IGV调节等T4调节。640(1)图2 ~图4是当Xas和Xgm组合确定时三620-种调节方式下燃气轮机的T3、T4和G4随负荷降低600-(负荷系数X。= Ng/N20 )的变化情况。它们均随着560↓0.405060.70809x.10负荷的下降而下降。IGV不调时,由于采用了直接降低T3的措施降低负荷,因此,T3 和T4下降要比IGV图4三种调节方式下燃气透平排气量可调时快得多。而由于IGV不调时,IGV 角度始终保随负荷降低的变化曲线持最大开度,所以C,降低要比ICV可调时缓慢得多。1七IGV不谓士等力调节13001250-+-IGV不谓210十等六调节西150]1050100040506070809.10950踟+040.50.60.70.8 0.9图5不同调节方式下 高压汽包压力随负荷降低的变化曲线图2三种调节方式下,透平初温随负荷降低的变化曲线60]。-1GV不谓+等调节μ 520士等I调节.0+IGV不调.48090+每了，调节士等T调节460-44000|420-400-04030%070809y10000040506070809x10中国煤化工主蒸汽温度随负YHCNMHG向阡1L口J又IU四x图3三种调节方式下,透平排温随负荷.(4)图7表示三种调节方式下IGCC系统效率( 2)图方数据三种调节方式下余热锅炉变工况Efig随负荷下降的变化关系(Xgs= 0.48 ,Xp=第6期段立强等整体煤气化联合循环( IGCC )系统变工况特性585 .0.87 )。由图可知,Efig 均随着负荷的下降而下降,但大功率N_。不受限制时,T4 随着T。 的降低而降低;IGV可调要比不调时更有利于提高整个IGCC系统当N__受限制后在ICV可调时,T4随IGV角度的的效率。关小而上升这是由于压比降低的缘故在IGV不调时,由于T3降低,T4降低较快。- -1GV不调◆等π,调节(2)图9 ,10分别为不同Xas与Xpm组合方案的士等工调节IGCC系统的燃气轮机功率( N_)Efig随T。变化关系。由图可知它们都随T。降低而不断升高不同Xs与Xg的IGCC系统Ng和Efig随T。变化的趋势基xu =0.48,Xp -0.8736|本相同;随着设计工况的Xgg增大和Xg的减小,ICCC中燃机达到最大功率限制值N2的大气温度0.405060.70.80.9x.1.0T。对应值下降(见图9中虚线所示)图7三种调节方式下 IGCC系统效率随47.0负荷降低的变化曲线46.546.0600]245.0595} 590]58543.0七N无限制42.5457520-1001020340,IGV不调570, IGV可调565555t20-1001020 :图10燃 气轮机不限制最大功率时不同TarcXas和x。组合的IGCC系统效率图8不同调节方式下 燃气轮机透平排随大气温度变化曲线气温度随大气温度变化曲线士N无聚制士IEV不相Xxm=O0LAXp -0029Nms45.5Xn-0.7.Xx -1.0202445.0-20.100102030 402210”20 -1001020图11不同调节方式下 IGCC系统效率图9不同整 体化方案的IGCC系统的燃气轮机功率随大气温度变化关系(3)图11表示不同调节方式下,IGCC系统效率4.2大气温度变化时系统的变工况特性Efig随T。的变化关系。由图知Ngt无限制时,Efig 随T。的减小而8显卜升. N限制后,ICV 可调要比在计算设计工况时大气温度T。是假定不变的。中国煤化工但在实际运行时T。是经常变化的。本文作者研究了ICVMHCNM HGT。从-20 C ~ 40 C范围内系统的变工况特性。(1 )图8为Xs =0.7、Xgn= 1.0时,N。无限制、5小结Nat受限制ICV可调与IGV不调节三种方式情况下,( 1)本文基于独立变量概念,详细分析归纳了T4随T。酌变靴鯖况。从图中可以看出燃气轮机最(下转第590页)热能动力工程2001年二恶英的分布。可见随床温增加飞灰和底渣中二wastes[J ] Intern Chemical Engineering , 1987 , 27( 2):177-恶英毒性当量值降低高温有利于使二恶英完全分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灰渣中二恶英的分布/ng g-'[4] VASSILEN s V, BRAKEMAN-DANHEUX C, LAURENT THIE-床温970 C床温920 CMANN , et al. Behavior , capture and inertization of some trace ele-底渣旋后飞灰旋后”飞灰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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