整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环的参数优化

第22卷第2期工程热物理学报Vol.22, No.2200年3月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSMar. 2001整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环的参数优化赵丽凤张世铮肖云汉{中国科学院I程热物理研究所，100080 北京)病要本文采用非线性优化方法,分析了整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环的热力性能,研究了湿化器出口空气含湿量、间冷压比及空分集成程度等主要参敷对循环性能的影响。结果指出较之湿空气透平(HAT)循环，IGHAT 循环的空气含湿量有了大幅度的提高，从而使得循环比功大大增加。关键词整体煤气化;湿空气透平,参数优化中圈分类号: TK123文献标识码: A文章编号: 0253-231X(2001)02-0141-04PARAMETERS OPTIMIZATION OF INTEGRATEDGASIFICATION HUMID AIR TURBINE CYCLEZHAO Li-Feng ZHANG Shi Zheng XIAO Yun-Han(Iastitute of Engineering Thermaophysics, Academnia Sinica, Beijing 100800 China)Abstract In this paper the performance of integrated gasification humid air turbine (IGHAT) cyclewas analyzed with the method of nonlinear optimization. The infuences of main parameters on theperformance, such as air humidity at the humidifer outlet, inter-cooling pressure ratio, and integrateddegree of air separation were studied. From the results, we concluded that air bumidity at the humidifieroutlet and the specific power in the IGHAT cycle were enhanced greatly compared to the HAT cycle.Key words integrated gasifcation; humid air turbine; parameters optimization符号表f 燃料谊量G煤气流量h比焓L水流量P压力q燃料热值t温度w比功x含湿量效率π压比1方案选择得比较多,但是，系统却仍然相当复杂,比投资费用根据热煤气显热利用方式的不同，IGHAT 可以不但降不下来，甚至有增高的趋势.本文采用第一有两种不同的设计思想可循川.在第- -种方案中,种方案，对IGHAT循环性能进行了探索和分析.图热煤气的显热全部用于加热水，这样就可以不再使1为IGHAT循环的系统流程图。HAT 循环流程采用蒸汽轮机，而仅仅用透平来完成作功任务.在这用文献[2]中优化后的流程.种情况下，IGHAT 的设备系统就比较简单,比投资2数学模型费用也比较低.但其效率虽能比IGCC略有提高,可是其提高的幅度却是比较小的。以1 kg空气为基准列出各部件能量平衡方程并在第二种方案中，热煤气的显热一部分用来加中国煤化工。热水,另一部分用来产生过热蒸汽。这样,在IGHAT系统中不仅有湿空气透平,而且还得设置功率较小FYHCN M HG空分部分主要采用参的蒸汽轮机。在这种IGHAT方案中,效率可以提高考文献[3]中的数据,合成煤气的主要成分为CO、收襄日期: 200-12-07; 修订日期: 200-12-25 .基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(No.1999022301)作者简介:赵丽风(1972-),女辽宁抚顺人,助理研究员，博士,主要从事能激动力系统方面研究.142工程热物理学报22卷H2、CO2和水蒸汽,含有少量的N2. CH4、Cos、湿化器进口热水的温度应该低于其饱和温度,H2S .tw6≤tws;(2)低压压气机(7)煤气冷却器忽略散热损失， 粗煤气焓差h2。- h等于水焓差:h2=+h](1)Guga(eomga2 - heymgan = Ls(hwa-hu7) (6)(3)间冷器忽略散热损失，水焓差等于空气焓差:在煤气冷却器入口和出口水和粗煤气温差应该hz -hg = L(hwus - hor)(2)满足要求的节点温差约束条件:在间冷器的入口和出口水和空气的温差应该满toyngas1-tuo2 10° C; tsyngas2-twr≥ 10° C足要求的节点温差约束条件:在煤气冷却器中水不能汽化，水温度应该低于tg-twr≥10°C; tz-tu4≥ 10° C其压力下的饱和温度:在间冷器中水不能汽化，水温度应该低于其压twsS tus; tw7 S twa力下的饱和温度:(8)回热器忽略散热损失, 湿燃气焓差等于tu7Stws; twaS tus湿空气焓差:(4)高压压气机(1 + f)(h1o - hr1) + xc6(ho10 - ho11)ha= RAs-3+ hg(3)The=hn- he + xe(hur - hus)(7)(5)后冷器忽略散热损失， 水焓差等于空气在回热器入口和出口湿燃气和湿空气的温差应该满足要求的节点温差约束条件:h4-h5= (L1 + xc)(hw5 - hw3)(4)t1o-tr≥15°C; tu-ta≥15° C在后冷器的入口和出口水和空气的温差应该满(9)热水器忽略散热损失， 湿燃气焓差等于水焓差: .ts-tws≥10°C; tg-tws≥ 10° CLs(hw8- hw7)=(1 + f)(h1 - h12)在后冷器中水不能汽化，水温度应该低于其压+xe(hoa1 - ho12)(8)在热水器入口和出口湿燃气和水的温差应该满tws≤tws; tw3S tws(6)湿化器能量平衡方程:t1-tw8≥10°C; t12-t如7≥10°CLhn6+hs+xoho5=he+xghu6在热水器中水不能汽化，水温度应该低于其压+[L- (工s - xcs]hw7进湿化器热水与出湿化器的湿空气温度之差要tw8≤tws.大于一个最小值:在热水器中，湿燃气的排气温度应该比相应的tw6-ts≥3° C露点温度高一定的数值:出湿化器的水的温度与进口空气的湿球温度之t1z≥tp(Pu12) + Oto差要高于一个最小值:tu7-tswet≥2° C中国煤化工衡方程湿化器出口的湿空气的相对湿度要小于1 ,MHCNMHGh+zohr+fqmB (9)中≤1;(11)透平为使湿化器内的传热传质关系顺利进行，推动(1 + f)(hg - hro) + x(hog- h0o10) .力-焓差的最小值应满足一定的要求，Shmin ≥20 kJkgi= [(1+ f)(hg- ho10*)+ x(hoo - h1o)mr (10)方数据2期赵丽风等:整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环的参数优化143(12)混合器M1忽略散热损失, 进口流体的焓(2)计算中的已知条件:高低压压气机效率为等于出口流体的焓:0.88,水泵效率为0.97,透平效率为0.90,燃烧室效xehw2 + Lrhw7= (xe + L)hw3(11)率为0.98.气-气换热器最小节点温差为15°C,气-水换热器最小节点温差为10°C, t1 = 20°C;(13)混合器M2忽略散热损失, 进口流体的焓P = 1.01325x 10Pa; twr2= tr; xs = 0.005 kg/kg;P2= P;Pw2= Prπc + 20.(Lr +x)hrw + Izhus+ Lshus+ Lsho= LhuB (12)4计算结果分析与讨论质量平衡方程:4.1循环性能分析L=x+L1+L2+ L3+ L4(13)在HAT循环中，由于燃气余热不够,湿化器出口空气的含湿量上不去，使得HAT循环受到了限压力平衡方程:制.这一情况在IGHAT中得到了大大的改善，因为P2=Pπe; Ps=Rx0.98; Pa=Px-在IGHAT循环中充分利用了气化煤气的显热,提高T1e了空气含湿量，循环比功因此而得到了提高.另一Pg=Px0.98; P= Px0.99; P= Px 0.98.方面，由于在IGHAT循环中燃气轮机燃烧的是煤的P=Px0.97; P1=pn;Po=PL (14-22)气化炉所产生的中热值的合成煤气，它的热值比液0.98体燃料和天然气的热值低很多，而空气含湿量也比在循环压比和透平前温- -定时， 压气机进口空HAT循环高，因此要达到相同的透平前温燃料流量气温度、压力泵供给水温度、排气压力已知，由循要大大增加。基于以上原因，流经燃气轮机透平的环流程图1可知共有33个未知参数，一共有 22个燃气流量增大很多，导致了循环比功比HAT循环大方程，所以ICHAT循环系统计算分析共有11个独大增加。 由于增加了气化过程和采用高效激冷式气立变量.化炉，循环效率比HAT循环降低了很多。循环效率:4.2湿化器出口空气含湿对循环性能的影晌n= (W:- We-Whc-Wair - W,-Wo)/(fxq) (23)图2为空气含湿量对循环效率和比功的影响,以效率为目标函数,对11个独立变量进行优透平前温、总压比一定时,存在-一个最佳空气含湿化，得到满足约束条件的系统效率的最大值。量，使得循环效率最高.当空气含湿量小于这个值时，随着空气含湿量的增加，热水器回收的热量增加，热水器排出的燃气向环境的散热减少，循环效除去酸性气体率增加;当空气含湿量大于这个值时，随着空气含热术器回热器湿量的增加，要求用于湿化的热量增加，此时只有提高回热器出口燃气温度来满足热量的需求，这样华|水淬回热器两端温差升高，如图3所示，导致了燃气余妒冷却器热利用不合理，循环效率降低.透平前温、总压比一定时，随着空气含湿量的增加，循环比功增加，主要是因为空气含湿量的增混合磊x=于空分装置加，增加了透平工质流量。te4.3 间冷压比对循环性能的影响存在最佳间冷压比，使循环效率和比功最大,图1 IGHAT循环流程图并且在最佳间冷压比处,循环耗水量最少,此循环耗水母为循环的暴件空气令温量，如图4、5 所示。3计算中的假设条件和已知条件中国煤化工间冷压比非常重要，(1)工质热物性处理:空气及煤气含有少量的水MHCNMHG气含湿量增加，导致蒸汽,按照理想气体处理;加湿后的空气和燃气含了透平输出功的增加，但同时空气的压缩耗功也增有较多的水蒸汽，必须按照实际气体进行热物理性加，而且后者增加程度大于前者，导致了循环比功质的计算。但是由于透平前后温度较高，水蒸汽可降低。同时空气含湿量的增加，燃料消耗增加,也导按照理想气体进行热物性计算。致了循环效率的降低。144工程热物理学报22卷43.2319]43220318-420-17154q=1300P 317-428公41.四31+η4426菇| t, =1300*C0541.2]0024315-|元94087|=1300"C 095314-420400-185280 290~ 300310~ 32028020300310320” 30313+253035404550xo/8/kgx/g/kg图2含湿量对效事和比功的影响图3含湿对回热器冷端温差的影响图4间冷 压比对含湿量和效率的影响730]B890742.43625-3007042.2。355 16g1900J00。三910720”9501元=16150j4.0 r715-c 3453400第800)庄W41.810-0=1300C33530880| t+=1300°C| -41.8座:=9330-12005-253036404350553257000204000810-10870000204000.8 1041.Fk整体化系数圈5间冷压比对比功的影响囝6整体化程度对 含湿和回热器圈7整体化程度对 比功和效率的影响冷热端温差的影响5结论4.4整体化程度对循环性能的影晌本文采用非线性优化方法分析了固定流程的情本文研究了采用低压空分压力等级时空分整体况下，整体煤气化湿空气透平循环的热力性能,得化程度对循环效率、比功和空气含湿量的影响，结果出以下结论:如图6、7所示.图6为整体化程度对湿化器出口空(1)较之HAT循环,IGHAT循环的空气含湿气含湿量以及回热器冷热端温差的影响,随着整体量有了大幅度的提高,从而使得循环比功大大增加。化程度的提高,空气含湿量增加,因为整体化程度越(2)存在最佳空气含湿量，使得循环效率最高.高,间冷器需要的冷却水的流量越多,也就是说喷入(3)存在最佳间冷压比，使得循环效率和比功最湿化器的水流量越大,所以空气的含湿量增加。而回大,并且在最佳间冷压比处，循环耗水量最少.热器的冷热端温差- -直保持不变.图7为整体化程度(4) -定条件下，随着整体化程度的提高，循环对循环比功和效率的影响，独立空分系统空分所需的空气含湿量、比功和效率均提高。空气全部由效率比较低的专门的空分压缩机提供,参考文献耗功较大;而完全整体化的空分系统空分所需的空[1]焦树建整体煤气化燃气-薰汽联合循环(IGCC).北京:气全部从燃气轮机的压气机抽取,耗功最少.另外,中国电力出版社，1996随着整体化程度的提高，湿化器出口空气含湿量随[2]肖云汉，林汝谋，薪睿贤. HAT 循环的优化.工程热物理学报，1994， 15(2): 133-136之增加，燃料流量也增加,这些都导致了输出功的增[3] 刘泽龙林汝谋等，对Texaco和Destec的IGOC方案核加.随着整体化程度的提高,循环效率也随之增加.算中国科学院工程热物理所科研报告，1995中国煤化工MHCNMHG