整体煤气化联合循环动力岛及系统特性研究

煤炭燃烧整体煤气化联合循环动力岛及系统特性研究戚利利' ,张忠孝' ,李振中'2,王阳,周国峰',谢 浩',陈晓利,陈雷2(1..上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;2.国家电站燃烧工程技术研究中心,辽宁沈阳110034)摘要:动力岛是整体煤气化联合循环(IGCC)中复杂的关键单元,其中燃气轮机变工况性能的变化对蒸汽底循环及整个系统的影响较大。采用thermoflex软件建立IGCC系统模型,对200 MW级ICCC系统的技术方案进行了探讨,从系统的角度详细分析了IGV可调等T3调节及空分整体化系数Xas和氮气回注系数Xgn对动力岛及整个系统的影响。结果表明:在采用IGV可调等T3调节时,在80%负荷时系统各参数出现转折点;随着Xas的增加,系统供电效率略有上升，,但是系统总功下降;在Xas为30%时,随着氮气回注系数Xgn的变化,系统的各参数在Xgn为70%时出现峰值。关键词:ICCC;燃气轮机;整体空分;氮气回注中图分类号:TK472文献标识码:A文章编号:1006 -6772(2010)05 -0068 -05ICCC是一种最具发展潜力的洁净煤发电技术，导致燃气轮机变工况性能,从而使系统处于变工况备受瞩目”。ICCC系统由2大分系统组成,即气化下运行,并研究了其不同组合方式及系统不同调节岛和动力岛。其中气化岛包括:气化系统,净化系方式下的系统特性'9]。笔者总结常规联合循环研统和空分系统;动力岛包括:燃气轮机,余热锅炉和究方法,建立动力岛各子系统变工况特性:燃机岛汽轮机等。由于环境条件、外界负荷或系统本身等(压气机燃烧室,透平)和常规岛(余热锅炉、汽轮的变动,ICCC系统-般处于变工况下运行。动力岛机)的数学模型,采用thermoflex软件比较详细地分是IGCC系统中复杂的关键单元，机组的构成和运析了ICCC动力岛的变工况特性。行特征决定了IGCC中动力岛的变工况性能研究是1动力 岛运行方式与计算原理非常复杂的工作口。中科院的林汝谋、段立强等对影响系统变工况的主要因索进行了分析并建立了1.1 燃气轮机全工况图谱框架,讨论了燃气轮机3种调负荷方式燃气轮机由于受到环境条件外界负荷或系统对系统变工况的影响，并分析了底循环变工况特本身的影响通常处于变工况下运行。可以采用增性'3-01。M. s. Johnson分析了在变工况时燃气轮机减燃料量和调节压气机叮转导叶的安装角来改善的特性'”。张娜蔡睿贤采用动力机械变工况性能.变工况性能。解析方法,研究了大气温度对系统的联合循环系统①压气机变工况性能采用文献[ 10]计算。.的影响8]。中科院的汪丽霞等指出空分整体化系π=F(Ga,a);ne =F(Ga,a) =F(π,a);数Xas和氮气回注系数Xgn等匹配条件的变化也会Ga=(π ,a)中国煤化工收稿日期:2010-07 -21MHCNMHG基金项目:国家863高技术基金项目(2006AA05A110)作者简介:職利利(1986- -) ,女,江苏宿迁人,硕士研究生,主要从事I6CC系统方面的研究。E mailiqi1986@ hotmail. com68《沽净煤技术)2010年第16卷第5期煤炭燃烧. 全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CA-CD规范)执行优秀期刊J式中,π-压比;n.-效率;Ga-空气量;a- -压气机变化,HRSG出口蒸汽参数取决于负荷变化后烟气侧与进口可转导叶安装角。水侧的热量平衡关系。压力级别可分别用Flugel公式②燃烧室的变工况性能根据热平衡方程求出,表示,将Flugel公式同余热锅炉热平衡方程联立求解，此时要考虑压气机抽气、氮气回注。即叮计算出蒸汽透平滑压运行时变工况性能。透平前温T, =。qmgCxTz +q.y(Q.ηg +i)(3)滑压-定压复合方式运行Cp(9mR +qm)滑压、定压分别按各自的控制方程计算。式中,qn为燃烧消耗量,kg/s;Q.为燃料低位发热量，2计算模型的建立J/kg;Cp为燃气定压比热容,Cx≈1154 J/kg●K;ij为燃料物理比焓,J/kg;9me为燃烧室进口空气流量, .图1为200 MW级IGCC系统模型简图。系统kg's;nB 为燃烧效率,在工况变化时可近似地看作流程是:煤浆制备系统出来的水煤浆与空分系统出不变;T2'为压气机出口总温。来的高压氧气混合后进入气化炉膛进行高压气化,③透平的变工况性能采用文献[ 10]中的透平气化炉出口的高温煤气通过辐射废锅与对流废锅全工况模型计算,除了要考虑工质热力特性的变化进-步降温后送人除尘系统,煤气进人净化系统.关系,还要满足透平流量与压气机进口流量、压气时,首先进入煤气冷却器,然后经粗煤气过热器加机抽气流量、燃料流量透平冷却量的平衡条件,以热,再经COS水解后进人脱硫系统,净化后的净煤及满足透平膨胀比与进口压力、燃烧室压力、排气气和空分出来的氮气一起进人燃气轮机前置燃烧压力和压气机压比的平衡条件。各量满足关系式:室,以提高燃机效率和降低NO,排放，再经过净煤G3/Ts/Ppa. +b.π -π二气过热器后进人燃机燃烧。燃气轮机的高温烟气进入余热锅炉,产生蒸汽送到汽轮机中发电做功。SS.Go1/Tg3/Pg3 Na.+b.πr。一π。"式中,C。-透平流量;T,-透平前温;Ps-透平入口余热锅炉与废锅和煤气净化系统都存在汽水交换，压力;π一透平膨胀比;下标0为设计.工况比;a,b,以提高系统效率。燃机压气机出口抽取- - 部分高温高压空气,通过空气冷却器后送至空分系统。取决于透平级数,平均发动度及T质热物性。1.2 余热锅炉-回二森余热锅炉是蒸汽系统的重要组成部分,常规的联合循环中蒸汽系统通常被设计成双压或多压系.)-0-0统,根据“温度对口,能量梯级利用”的原则,可以将其看成是几种换热器组成,每种换热器都由省煤回- 0一句器蒸发器和过热器组成。在进行变工况计算时，7气,12-日r冷凝器h烟换热器数学模型参考文献[ 10,11]。] 11{ 14le °η= SI;隆回Qg=Gq●(hgim -hgju);图1200 MW级IGCC系统模型Qg=Gg° (hym -hpou);Qy=ky.Sy" VTag1-气化炉;2-辐射废锅;3 -对流废锅;4-除尘;式中:Q。为j温区内燃气放热量;n,为燃气放热效5- -煤(冷却器:6一粗煤飞过热器;7- -COS 水解器;率;Q;为j温区内i个换热器的吸热量;Gg流经第i8-脱硫;9一前置燃烧室;10-媒浆制备装置;11一压缩机; .12-透平; 13-蒸汽轮机;14-氽热锅炉;个换热器的工质流量;hjp ,hyuw分别为流经第i个换15-烟囱;16- -空气冷却器;17-空分装置热器的工质的进出口焓值;ky为换热系数;S为换热气化炉采用纯氧高压水煤浆气化,煤质分析见器面积; V T.为对数平均温差。表1。燃机采用CE9171型燃气轮机,三压再热、卧1.3蒸汽透平式、无补燃、自身除氧自然循环氽热锅炉。系统的(1)定压运行燃气参数已知后,HRSC产生的饱和蒸汽压力不变。设计中国煤化工(2)滑压运行tYHCNMHG汽轮机进气阀在全开位置,变工况下蒸汽压力将威利利等:整体煤气化联合循环动力岛及系统特性研究59煤炭燃烧表1煤质分析元素分析/%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 系统设计工况发电效率/%气化压力/MPa气化温度/C气化妒容址/(t.h-1)46. 463.61311.72000水煤浆质敏分數/%氧煤比冷煤气效率/%炭转化率/%60.50.756 .0.732598整体化空分系数燃机功率/MW压气机压比燃机排烟流/(.h1)126.512.41525燃机排气温度/C汽轮机功率/MW高压/再热/中压/低压蕉汽温度/C高H/再热/中压/低正燕汽压力/MPa5S110.3525/503/300/2179. 58/2. 55/2.74/0.4气流量来降低负荷,使负荷从100%降到80%。在此过程中T3保持不变,74升,当74在80%负荷时达到3计算与结果讨论最大值582.8 C,此时若再关小IGV角度,将使74超3.1燃机变负荷调节方式对动力岛及系统的影响温。T4的升高即进入余热锅炉的烟’(温度升高,整体底燃气轮机是动力岛的关键设备,影响ICCC系统变T况的因素大多与燃气轮机有关(21 ,并且燃气侧.120r600的变化是引起燕汽底循环变化的主要因素。燃气轮100f-560ξ80s520μ机变L况是影响IGCC系统变工况变化的主要原因。; 60-2燃气轮机采用不同调节方式时,其变工况特性出40-4400大不相同。燃气轮机通常有3种调节方式:IGV(压20} 1400气机进口可转导叶)不调,1GV调节等T3(透平初040↔σδ吉80360温)和ICV调节等T4(透平排气温度)调节川。半燃机负向变化百分比/%山电厂系统设计200 MW级ICCC的空分整体化系图3等乃3调节时蒸汽底循环参数随燃机负荷的变化数为0.3,氮气不回注。GE9171型燃气轮机采用的1一中压汽包压力;2-高压汽包压力;3- 低压汽包Ik力;4-.主蒸汽温度;5-冉热蒸汽温度调节方式是等T3调节方式。280r481200-1600240|-1500三200F, -40员: 900-14008骨1206袋-1300重600.80-23212004040506008090002830050600800001100燃机负倚变化自分比/%燃机负倚变化门分比/%日2 等T3调节时系统各参数随燃机负荷的变化图4等T3调节时燃气轮机各参数随燃机负荷的变化1-系统总功率;2-系统净功率;3- 燃机功啊;1-透平入口温度:2-燃机排气温度;3- 燃机排气流量4-汽机功率;5-总发电效率;6- 燃机效率;7-净发电效率循环中国煤化工紫汽温度和再热蒸从图2~图3可见,在调节过程中T3变化分2个汽温YHC N M H G统的发电效率、供阶段:第- -阶段,关小ICV角度来减小压气机人口的空电效率和燃机效率有所上升。第二阶段,通过降低70《洁净煤技术)2010年第16卷第5期煤炭燃烧. 全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CAJ-CD规范)执行优秀期刊-T3来降负荷,此时ICV保持不变,从图2~图3可以i0r784002看出,负荷从80%降到40%的过程中,系统的参数都士耗中单, 8200号有所下降,但是和第一阶段相比,系统的总功率、系统-80002净功率燃机功率和汽机功率下降幅度较大,如负倚7800书从100%下降到80%时,系统总功率从231.12 MW下330}降到199. 14 MW,下降幅度较小;负荷从80%下降到40%时,系统总功率从199. 14 MW下降到102. 99 MW ,20δ20400801007400-下降幅度较大。同样,第二阶段高压汽包、中压汽包和空分整体化系数Xas/%低压汽包下降幅度较第- -阶段大很多。由于第-阶段图6整体空分 系数对系统耗电量和系统热耗辜的影响采用的是减小IGV角度来降负荷的,压缩机进口的空导致给水在余热锅炉中吸收更多的能量,汽轮机做功气流量减小，而压气机进口空气量占总量的90%[14]，从而导致透平排气量的减小幅度很大，第二阶段IGV增加,弥补了燃气轮机效率下降对系统效率的影响，不变,所以燃机排气流量减小幅度较小。随Xas增加，系统总功率、燃机功率汽机功率、厂耗.3.2整体空分 系数和氮气回注系数对动力岛及系电量和空分耗功均下降,但是系统供电效率略有上统的影响升,厂耗电率也上升。Xas主要影响系统厂用电,还影响空分的工艺300-和氮气的回注利用。氮气问注系数Xgn影响燃烧，室的流量从而影响透平的流量,最终影响燃气轮机44的出力,并且氮气回注还可以减少燃机NO,的排放["5]。空分整体化系数和氮气回注系数能够影响150-燃气轮机与其子系统的匹配关系。空分整体化系，-36数Xas和氮气回注系数Xgn的定义为:1000406080700-32Xas=Gm/G.m Xgn=Gx,/G、氮气回注系数Xgn/%其中,G.为由压气机抽取的空气量;G.为空分系圈7氮气回注 系数对系统部分参数的影响统总空气量;Gn为回注到燃烧室的氮气的量;GN为1-系统总功率:2-燃机功率:3- 汽机功率;空分系统产生的总氮气量。4-系统发电效率:5-燃机效率270r50 7340f耗电量210。。 ←耗电率770035+2047600兰30 153洲20f 30古,6088010025 1036σ 040508000-7400一图5空分整体化系数对系统有关参数的影响1一系统总功率;2-燃机功率;3- 汽机功率;圉8氮气回注系数对系统耗电和系统热耗率的影响4-系统发电功率;5-燃机效率;6-系统供电效率;7- -空分耗功从图7~图8中可以看出在Xgn =70%时,系统从图5 ~图6中可以看出,在氮气不回注的情况的各参数出现峰值,此时是因为在Xgn小于70%下,整体空分系数从0增加到100%的过程中,系统发时,加压耗功远小于氮气回注的燃机作功,燃机功电效率从47.81%下降到44%,下降了3. 81% ,但是率增加,汽机功率同时增加从而系统总功率增加;燃机效率从35.06%下降到28. 27%,下降了6.79%，在中国煤化工，燃机功率下降。燃机效率下降速度比系统效率下降的速度快,这是由系统YHCN M H G系统发电效率、燃于Xas增大使燃机透平排气温度略有提高'"] ,从而机效率、系统电量都出现先增加后减小的趋势,同戚利利等:髋体煤气化联合循环动力岛及系统特性研究71煤炭燃烧时系统热耗率先减小后增加。研究[J].燃气轮机技术,2003 ,16(1):2 -8.[4] 段立强,林汝谋.整体煤气化联合循环( ICCC)系统整体4结论综合优化[J].工程热物理学报,2000 22(3):265 -268.(1)采用IGV可调等T3调节来降负荷时,随着[$]段立强,林汝谋. 整体煤气化联合循环( ICC)底循环变工况特性[J].中电机T.程学报2002 22(2):26 -30.燃机负荷的降低,T4先上升后降低,在80%时透平[6]林汝谋, 段立强. IGCC系统全工况设计优化新方法T4出现最大值。随着T4的升高,主蒸汽温度和再[J].工程热物理学报200,25(4) :541 -545.热蒸汽温度也上升,致使汽轮机功率上升,此时导[7] JOHNSON M. S. Prediction of gas turbine on-and off-致系统总功率,系统效率发电效率下降缓慢,在负design perfor-Mance when firing coal-derived syngas[J].荷从80%下降到40%过程中系统各参数下降较快。Joumnal of Engineeringfor Cas Turbines and Power, 1992,(2)在氮气不同注的情况下，随着Xas的增加,系114(4) :380 -385.统总功率燃机功率.汽机功率,空分耗功、系统发电[8] 张娜.环境温度对燃气轮机功热并供装置及联合循环变l:况性能的影响[J].工程热物理学报,2001,22效率和燃机效率均下降,系统的供电效率从37. 12%(5) :529 -532.上升到38. 44%。在燃气轮机透平通流允许及压气机[9]汪丽霞. IGCC中燃气轮机全工况网络特性[J].工程喘振不发生的情况下，降低整体Xas 较好,叮以增加热物理学报,2001 ,21(6) :669 -672.系统的出功。在空分整体化系数Xas为30%不变时，[10]段立强. ICCC系统全工况特性与设计优化以及新系随着氮气回注系数Xgn的增加,系统各参数在Xgn统开拓研究[D].北京:中国科学院研究生院，为70%时出现峰值,所以氮气回注系数采用70%较2002 ,6.好。在保证压气机有足够的喘振裕量且ICCC便于[11]倪维斗 ,徐向东热动力系统建模与控制的若F问题启动的情况下，合理选择整体化系数Xas和氮气回注[ M].北京:科学出版社, 1996.系数Xgn可使系统有较大的功率输出和供电效率。陈雷,张忠孝,李振中,等.200MW级IGCC系统变工况特性研究[ J].洁净煤技术,2008,14(5):59 -63.参考文献: .[13]王铁成,邹成国. 不同燃气轮机调控方案对燃气-燕汽联合循环电站性能的影响[J].热能动力工程,[1]段立强 ,林汝谋.新型ICCC系统研究与概念设计[J]. .2001 ,16(92) :205 -207. .工程热物理学报,2002 ,23(2):139 - 142.[2]朱宝田,徐越.整体煤气化联合循环(ICCC)动力岛运[14]王颖， 邱朋华.基于燃气轮机变工况的ICCC系统特性研究[J].燃气轮机技术,2009 ,2(3):25 -28.行方式和变工况性能研究[C].第四届全国火力发电[15]王颖. 整体煤气化联合循环系统气化岛特性模拟研技术学术年会会议论文,2003.究[J].中国电机工程学报,2010 ,30(2) :35 -39.[3]林汝谋 ,段立强. IGCC 联合循环系统变工况特性分析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中国煤化工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《洁净煤技术)2010年第16卷第5期