甲醇/电多联产系统变工况特性的研究

第26卷第4期Vol. 26 No.42006年8月Jourmal of Power EngineeringAug. 2006文章编号: 000-6761(2006)04 -587-05甲醇/电多联产系统变工况特性的研究刘培，高健，李政(清华大学热能工程系,北京100084)摘要:利用Aspen Plus仿真工具和甲醇/电多联产系统的变工况数学模型,对串联或并联、以及有否变换单元的4种多联产系统配置方案进行了模拟计算,详细比较了它们的电负荷调节范围。分析结果表明:4种系统调节能力由强到弱依次为:变换并联系统、变换串联系统、不变换并联系统和不变换串联系统。相关分析方法和结论为多联产系统设计提供了参考。图7参5关键词:能源工程;多联产;变工况;负荷调节中图分类号: TK01 ,TQ21文献标识码: APerformance Alteration of Methanol/ Electricity PolygenerationSystems for Various Modes of OperationLIU Pei， GAO Jian， LI Zheng(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beiing 100084, China)Abstract: Making use of Aspan Plus simulation tools and a mathematical model for operation mode changes of methanol/electricity polygeneration systems, simulation calculation of four different variants of system configurations ，includingseries and parallel connections, as well as changes of elements have been calculated and their eletric output variationcapabilties compared in detail . The sequence of the four configuration variants in terms of diminishing order of regulationcapability are in succession: the parallel connection variant with shift reactor, the series connection variant with shiftreactor, the parallel connection variant without shift reactor, and the series connection variant without shift reactor. Figs7and refs5 .Keywords: cenergy engineering; polygeneration; off design operation; output regulation优越的环保性能,以联产运输采用液体燃料以缓解1研究目的石油安全需要,及未来可采取较方便和以较小的成在新世纪,我国能源面临着资源短缺,液体燃料本减排温室气体等特性,成为我国煤炭现代化利用严重依赖进口,环境污染加剧，温室气体排放量大而的重要途径之一”。且增长迅速,农村和小城镇需要方便和洁净能源等多联产系统的概念实质上是要把化工过程和发诸多挑战。煤炭作为我国主要使用的一次能源，急电过程有机地耦合在- - 起,力争实现能量利用、经济需在利用形式上和利用过程方面加以创新，以应对性和环保性能的最优化。尽管由于多联产涉及到的这些挑战。以煤气化为核心的多联产系统由于具备主要过程技术,如煤气化,化工合成(如甲醇)和燃气轮机联合循环均为成熟技术，因此具有相当的可行收稿日期:2005-12-05性,但是要把其发展为一个完整的、经济上具有竞争基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(90210032)及力的实用技术,依然存在较大的挑战。这个挑战除国家重点基础研究发展计划项目(2005CB221207)资助。作者简介:刘培(1980-),男 ,硕士生,主要从事多联产系统研了体现在已有成熟技术为适应多联产系统的特殊需方方数据要尚需改变和改进外,更重要的则体现在系统集成588动力工程第26卷层次.上,即:如何设计系统结构,功能和参数，使其不环回路。定义x为循环比,其物理意义为循环回反仅具有较高的设计效率,而且满足各种变工况运行应器入口的合成尾气与反应器入口新鲜气的比值。和操作要求(可操作性)以及在此条件下的可靠性、系统运行的- 一个特例是合成尾气完全不循环、而是.可用性和可维护性要求,使得系统在整个生命周期全部送往发电系统,本文称其为合成气“一次通过”具备最大的经济性。为此,本文将多联产系统层次方式,此时X。=0。研究的内涵归纳为:在满足可操作性以及可靠性、可图2和图3中用虚线标出了变换单元,表示这用性和可维护性等技术要求条件下,实现能源、环境是一个可选单元,通过选择确定是否设置合成气变和生态以及经济性的多目标最优化问题(图1)。换系统。本文研究的系统方案可分为:不变换串联可操作性 可靠性系统，变换串联系统,不变换并联系统和变换并联系满足产品生产可用性可维护性满足多目标要求统,分别以方案1~4标识。要求的多联产|的优化设计方案煤气化系统的集成度-般定义为燃气轮机压气系统初步设计方能经环机提供的空气量占空分系统总进气量的比例。由于其他技术约束集成度不是本文讨论的重点，下面分析和计算中,均图1多联产 系统层次研究的内涵取集成度为50% ,空分系统出口氮气回注燃气轮机Fig 1 Many- sided studies on polygeneration system燃烧室的比例为35.5%。显然,良好的变工况运行能力是多联产系统可由于气化炉和相应净化装置的投资在整个投资操作性的重要方面。实际，上,对变工况特性的认识中的份额较大。因此,除非特别指明,本文所指的变和理解可以反过来对多联产系统的设计提出约束和工况运行的前提条件是气化炉始终在设计工况下工要求。带着这一目的,本文建立了电力甲醇多联产作。系统的变工况数学模型,并尝试在理解其变工况特在上述前提条件下,对多联产的变工况运行作性的基础上,揭示系统配置方式和变负荷范围间的如下分析:(1)多联产系统需要变工况运行的原因在于外关系。界电网需要系统改变电负荷输出。此时,在总气量2多联产系统变工况运行原理保持不变的条件下,合成气比例(或消耗量)需要在-般而言,动力系统和化工合成系统可以采用动力模块和化工模块之间进行分配。对确定的系统串联和并联2种方式组成多联产系统(图2和图3)。方案,燃气轮机和汽轮机的尺寸和最大功率(设为额定义直接通往合成系统的合成气比例为Xm,则通往定电负荷)是确定的,这意味着在多联产系统设计工况下确定的分给动力模块的合成气量为动力模块所发电系统的合成气比例为1- x。在串联系统中，能接受的最大值。在低于额定电负荷时,动力模块所有的合成气均首先通过合成系统,因此X_=1。消耗的合成气量必须减少,此少消耗的气量必须由为实现一定范围的负荷调节、也为保证系统的化工模块都消耗掉。稳定运行需要,本文认为必须设置合成气分离和循(2)由此角度审视多联产系统的设计和方案筛're煤→煤气化炉食成气上甲醇合成器7GTccHH )氧气→}0圆尾气图2多联产系统串联方 案示意图Fig2 The polygeneration systemr' s serie cnnection varint合成气1-Xm氧气→[煤气化炉变换H净化，'teI甲醇合成器图3多联产 系统并联方案示意图Fig3 The polygeneration system' s parallel connection variant第4期刘培,等:甲醇/电多联产系统变工况特性的研究589选问题时可以发现,变工况和设计问题的联系在于/电多联产系统流程原理示意图。甲醇合成部分采如下几个相互关联的方面:用空气产品及化学公司(APCI)在美国能源部支持下①不同的系统配置方案对应的电负荷调节范围开发的三相浆态鼓泡床(LPMEOHTM)4。图中变换有多大,能否满足运行要求。反应单元和合成气直接送往发电系统的管道用虚线②在额定发电功率确定的前提下,应当选择多标识。包括与不包括虚线部分代表的设备,就构成.大容量的合成系统,以保证整个系统的能源效率和了前述的4种系统。本文采用Aspen Plus 12.1建立经济性最优。了.上述系统方案的变工况模拟程序,并依据所获得.③如果称多联产系统在设计点工作时对应的发的物质和能量平衡数据对系统的变工况特性进行分电系统和合成系统的容量分别为它们的额定工作容析[51。量,则不难看出,发电系统的额定工作容量就是其自对图2所示的串联系统,设计时可选择的独立身的额定容量,而合成系统则不然。实际上,此时合系统变量为循环比x。和反应器设计空速Vg,V。 物成系统的容量是使整个系统正常联合工作的最小容理含义为单位质量催化剂所能处理的反应混合物的量。当多联产系统变负荷时,合成系统必须具备某体积流率。对图3所示并联系统,设计时可选择的个最大容量,以满足消耗多余合成气的要求。由此独立变量为分流比x,循环比X。和反应器整体空产生的设计问题是,如何合理选取合成反应器的设速V。V;的定义如下:计容量,使其一方面满足最大负荷要求,保证系统的设计工种下反应器进气量变工况运行;另一方面又不致因单方面满足最大容V =反应器中催化剂质量. X。量要求,而导致多数工况下容量过于多余,使得反应3.1串联系统的负荷调节范围模拟器的投资不能得到有效利用。串联系统的负荷调节是通过调节循环比x.来(3).上述几个方面均是多联产研究和实践中的实现的,图5示出了电负荷随着循环比的变化情况。重要问题,但可资借鉴的研究工作尚不多见。为此，由图5可见:本文将以甲醇/电多联产系统为例,对系统配置方案(1)不变换串联系统的发电量随循环比的变化与电负荷调节范围的作用规律进行研究。范围均在设计工况的60%以内,说明此类流程不适3甲醇/电多联产变工况特性模拟与应电负荷大范围调节的要求。在实际应用时,更适宜作为承担基本负荷的多联产系统方案。分析.(2)变换串联系统电负荷调节范围相对较大，图4为参考Texaco激冷式ICC流程2.和美国V。= 8000 , 6000和4000SL/(kg* h)3种空速下的最Kingsport液相法甲醇示范工程3基础上设计的甲醇水煤.去发电的合成气--- ]循环压缩机膨胀机Selexol十法脱硫回@区水分周富H2新鲜冷却中略Qto-分离器冷却液相少量气体空分来氧气BFW锅炉a加热蒸泸精细单元气体变换]燃料甲静中预热Q空气灰水系统面↑尾气排放MMYL JNML ]hM--燃机尾气-燃气轮机-e补充水1100 -↓+日日0M余热锅炉和汽轮机锅炉给水图4甲醇/电 多联产系统流程原理示意图Fig 4 Process principle chart of methanol/electricity polygeneration systems动力工程第26卷400变换串联系统在x。=4.5对应的最小功率相比可300以发现,不变换并联系统的负荷调节能力小于变换250 t- - 8000★4000!200t40shift串联系统。成150书100. 800shift50z 30循环比Xie相500150图5申联系统发电量随 x。的变化书100FFigs Power generaion vs. Xre of the parallel connection variant0 0.1 0.20.3 0.40.5 0.60.70.80.9 1低负荷分别为设计负荷的43. 1% ,31.9%和20.0%，分流比Xm+-Emu.K-6000Em.K6000基本可以满足工业要求的30% ~ 40%的最低负荷。(3)变换系统负荷调节范围明显高于不变换系图6不变换并联系统在不同分流比下的负荷变化范围统的根本原因在于,变换使得合成器的组分接近甲Fig6 Load variation range under diferent flow pprtionments醇合成需要的化学计量比,因此未反应气循环有助of the parallel connected sytem without shit reactor于增加甲醇的产量,从而减少了通往发电系统的未3.3变换并联系统电负荷调节范围模拟反应气的有效组分,进而降低了电负荷。同理,在不首先定义变量X。为“进气倍率”,其物理意义变换方案中,合成反应器出口尾气中的氢气已经很为进入合成反应器的原料气流量与来自气化炉工段少,即使以很大的循环比将其送回反应器人口,也无干净新鲜合成气流量之比,其表达式为:助于大量增加甲醇产量。由此获得的启示是,不变X.=Xm,当X_<1;X.=Xm+ x.,当X_=1换串联系统更适于采用合成气一次通过方式并承担变换并联系统的负荷变化范围采用如下方式获基本负荷。得,如图7示:对某--选定的整体空速和设计分流比3.2不变换并联系统电负荷调节范围模拟(如V;=8000,X.=0.5)的系统,首先通过不断调整获得不变换并联系统负荷变化范围的方法是:气化炉输出的合成气量,找到使得动力系统功率输在某一特定的分流比(如X. =0.5)下,首先通过不出为额定负荷的工作点;之后,维持气化炉容量及输断调整气化炉输出的合成气量(实际是选用不同容出气量不变,逐渐增大分流比至X_=1,同时维持循量的煤气化炉),找到使得动力系统功率输出为额定环比为0,可以看到电负荷是逐渐下降的,在此过程负荷(以E...标识)的工作点,此时合成系统的甲醇中,X。始终等于X;在X。达到1,即所有的合成气产量就是对应系统设计负荷的产量;之后,维持气化全部通往合成系统后,负荷调节是通过调整循环比炉容量及输出气量不变,让合成气全部通往合成系进行的,其间,X.=X.+ X。=1+ xn;当循环比达到统(即X_=1),且使合成尾气循环比达到最大值(本运行允许的最大值(本例为3)时,对应的电负荷为文取X.=4.5),此时动力系统的功率输出为可能达所能达到的最小值,此时X。=4。到的最小值(以E.标识)。对不同的x.,重复上述.00 r计算,并将得到的E.. 和Ein连成曲线,就得到了图6。250200 t从图6可以看出:不同空速V, 下,随着分流比150 t100的增大,负荷调节范围呈现出相同的逐渐减小的变50-化规律;对同--分流比,较小的空速对应的负荷调节253354 4.s范围更大一些。化工给气比Xe一◆- 800.0.50一t 一800.0.8 -★- 600.0.505由于Xm=1对应最小的负荷变化范围,而其本一*--600,05一40050一+400.8身其实就是上节介绍的不变换串联系统。由此可看...+... 6000.1出:不变换并联系统的负荷调节范围总是大于不变图7变换并联系统发电量随调节参数的变化换串联系统的。Fig7 Generated power v8. regulation parameter variationof prallel conected systcm with shift reaclor设计分流比X =0的系统,变负荷范围最大, .其最小电负荷对应循环比的最大值,本例中为X=图7中的每条曲线代表不同设计参数的多联产4.5。将此最小功率与图5中具有相同设计空速的系统,其设计工况下均具有同样的电负荷,图例中标第4期刘培,等:甲醇1电多联产系统变工况特性的研究.识了其整体设计空速V和设计工况下的分流比.(3)串联系统必须依靠甲醇反应器的循环回路x。的数值。由图可见,整体设计空速越低、设计工实现电负荷的调节,但由于单纯依靠循环比不能实况分流比Xm越小,电负荷调节范围越大。不难看现大范围的调节,因此串联系统不适宜大范围变工出,变换并联系统的电负荷调节范围均远远大于相况运行,应当用于承担基本负荷。应的不变换并联系统和串联系统的负荷调节范围，参考文献:亦即变换并联系统负荷调节能力是最强的。[1]倪维斗,李 政.煤的超清洁利用-多联产系统[J].节4结论能与环保,2001 ,9(30):16~ 21(1)系统的不同配置方案之间,电负荷调节能[2 ] Texaco Casifer IGCC Base Cases[ M]. NETL, PED-ICCC-98-001, 2000.力差异较大。本文研究的4种系统调节能力由强到[3] Topical Report No I1: Commercial scale Demonstration of弱依次为:变换并联系统、变换串联系统、不变换并the Liquid Phase Methanol (LPMEOHTM) Process[R]. U.联系统和不变换串联系统。s. Department of Energy , 1999.(2)不变换多联产系统的电负荷调节范围较变[4] 麻林巍. 以煤气化为核心的甲醇、电的多联产系统研换多联产系统要小很多。其原因在于,不变换时,合究[D].清华大学热能工程系,2003成气的成份没有达到进行甲醇生产的最佳C0/H2[5]刘培.甲醇/电多联产系统变工况特性[D].清华大比,用增大循环比来增加化工合成系统出力的效果学热能工程系,2005.很小。(上接第571页)社,2005:1 ~21.的生成具有一定影响和作用。但不同的煤种对NO2] 毛健雄,毛健全,赵树民,等.煤的清洁燃烧.[M].北的生成影响有所不同。宜宾无烟煤和铜川贫煤在原京:科学出版社,1998:1~ 25.煤硫和添加硫总量分别达到4.34%和5.17%以上[3] Hampartsoumian E, Nimmo w, Gibbs B M. Nitrogen sulphurinteractions in coal flames[J] . Fuel, 2001(80) :887 ~ 897.时,硫的热解析出和氧化才对煤中氮的氧化有较明.[4] Miccio F, Lfler G, Wargadalam V J， Winter F. The显的影响;而神木烟煤在总硫量达到2.0%以上时，influence of SO2 level and operating conditions on NO, and其作用已很明显。N20 enmissions during fluidized bed combustion of coals [J] .(2)挥发份含量高、活化能低的煤，氮、硫之间Fuel, 2001 (80):1555 ~ 1566.的交互作用较强，即SO2对NO生成的影响和作用[5] AlzuelaM U，Bilbao R， Glarborg P. Inhibtion and较明显。sensitization of fuel oxidation by SO2 [J]. Combustion and(3)当煤中元素硫的比例增加时,烟气中so2Flame, 200(127):2234 ~ 2251.的含量明显提高。这说明硫具有较低的升华温度和[6] Van der Lans R P, Clargorg P, Dam-Johansen K. Inluence反应活化能,有较强的化学反应能力。of process parameterson nitrogen oxide formation inpulverized coal burners [J]. Prog Energy Combust Sci,1997(23):349~ 377.[1]姚强,陈超.洁净煤技术[M].北京:化学工业出版(上接第575页)[6] 樊泉桂,阎维平。锅炉原理[M].北京:中国电力出版[3] Wilhelm Batel. Dust extraction technology [ M ] . England:社, 2003.Technicopy Limited, 1976.[7] 高香林，等.电除尘器数学模型得研究与控讨[J].电[4] 原永涛,雷应奇,吕建义,等. DR型高压粉尘比电阻试力学报, 1994,9(1);6~14.验台的研制与应用[J].中国环境科学, 1998, 18(4):368 ~8]胡满银,高香林,等.锅炉燃烧和运行对电除尘器性能370.影响的分析与研究[J].中国电机工程学报, 1997,17[5] 张德轩.电站锅炉高铝飞灰的电收尘特性[C].广州:第(4):278~ 281.10届全国电除尘学术会议,2003.