基于燃气轮机变工况的IGCC系统特性研究

　　IGCC是目前比较有发展前景的高效洁净燃煤发电技术,国外已经完成IGCC示范电站及商业化运行,并积累了丰富的经验。目前,美国等先进国家正在开展IGCC氢能发电和CO2近零排放的研究工作,并取得重要进展。我国也将参加美国发起的FutureGen计划,即以煤气化为基础的IGCC近零排放发电计划。所以发展IGCC技术在今后相当长一段时间内成为我国的必然选择,是我国未来燃煤发电重要的发展方向之一。

　　IGCC系统由于受到大气环境、外界负荷需要及系统本身的影响,多处于偏离设计工况的状态,所以研究变负荷工况下的IGCC系统特性就更重要和具有现实意义。国外学者对燃气轮机及联合循环的变负荷运行进行了大量的研究[1-5]。吕泽华等[6]分析了燃气轮机采用不同调节方式和汽轮机采用不同运行方式对系统变工况性能的影响。段立强等[7]研究了IGCC底循环系统的变工况特性,运用温区模型概念,建立底循环变工况特性的分析模型,并总结了三种不同的调节手段,揭示了一些典型变化规律对系统性能的影响。杨勇平[8]建立了400MW级IGCC机组的变负荷性能数学模型,并对60%~100%五种负荷条件进行了计算。林汝谋[9,10]研究了基于全工况特性的IGCC联合循环设计优化新方法,应用全工况和独立变量概念分析系统设计优化和全工况特性规律。

　　本文利用Thermoflex软件建立200MW级IGCC系统模型,从系统角度出发,在假定大气条件下,主要对燃气轮机变负荷40%~100%的整个IGCC系统变工况进行计算,分析比较系统主要性能参数变化。研究结果可为未来IGCC电站的设计和运行提供参考。

　　1　IGCC系统模型的建立及计算条件

　　IGCC的系统基本流程:煤装备单元制备一定浓度的水煤浆,与来自空分单元的高纯度的氧气一起送入高温高压气化炉,生成主要成分为CO和H2的粗合成气。粗合成气经过除尘、脱硫等净化系统之后成为纯净的合成气。为了有效地降低燃气轮机NOx的排放,净合成气送到湿饱和器进行饱和,饱和后的合成气进入燃气轮机燃烧做功。燃气轮机的高温排气进入余热锅炉产生蒸汽供汽轮机继续做功,这样实现燃气蒸汽的高效联合循环。本系统采用辐射和对流废锅流程进行合成气的显热回收,产生高压蒸汽回送到余热锅炉,且净化系统和余热锅炉之间有汽水交换,以提高系统的效率。本文首先利用Thermoflex软件建立200MW级IGCC系统模型,示意图见图1。

　　本文计算条件是基于200MW级IGCC示范工程:采用氧气气化,氧气纯度为98%;空分整体化系数为30%;气化炉采用的是水煤浆气化,煤种采用满世煤,其煤质分析见表1,水煤浆浓度为68%,气化压力为3.6MPa,气化温度为1310℃;采用GE9E型燃气轮机,余热锅炉汽水流程采用三压再热方式;设计工况大气条件取当地年平均值,大气温度为17.4℃,大气压力为101.2kPa,相对湿度为79%;考虑实际情况碳转化率取98%。