（热能工程专业论文）igcc动态数学模型建立及仿真.pdf

嬲煳 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文i g c c 动态数学模型建立及仿真， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：监日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：越 e l期：五l ! ：至：i ( 7 导师签名：杰幽蔓导师签名：盏凼生 日期：占! 里! 互i 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 借助整体煤气化联合循环( i g c c i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 实时 仿真模型研究其动态运行特性，可为i g c c 机组实际运行、性能分析和优化提供一 种重要技术手段。基于一体化过程模型开发平台，采用工程模块化建模方法，建立 了整体煤气化联合循环的实时仿真模型。主要包括气化炉模块、燃气轮机模块、余 热锅炉模块、蒸汽轮机模块等；并研究开发了其实时仿真算法。模型稳态计算结果 与参考文献数据相符，动态仿真试验结果趋势正确。表明本文所采用的建模方法是 正确的，建立的数学模型具有可信性。 关键词：i g c c ，动态数学模型，仿真 a b s t r a c t s t u d y i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fi n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l eb y r e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e lc a np r o v i d es i g n i f i c a n tt e c h n i c a lm e a n sf o rp r a c t i c a lo p e r a t i o n ， p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nf o ri g c c b a s e do nt h ei n t e g r a t e dm o d u l a rm o d e l i n g s o f h a r a r e ，b yt h em e t h o do fe n g i n e e r i n gm o d u l a rm o d e l i n g , t h er e a l - t i m es i m u l a t i o nm o d e lo f i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l eh a sb e e ne s t a b l i s h e s ，w h i c hi n c l u d e sg a s i f i e r m o d u l e g a st u r b i n em o d u l e , h r s gm o d u l ea n ds t e a mt u r b i n em o d u l e t h ec o m m o n s i m u l a t i o na l g o r i t h m sa r ea l s od e v e l o p e d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t ，t h es t a t i c t e s tr e s u l t sa r eq u i t ec l o s et ot h er e f e r e n c ed a t a ，a n di t st r a n s i e n tp r o c e s si sc o r r e c t t h e a n a l y z e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee s t a b l i s h e dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o ri g c ci n t h ep a p e l i sa c c u r a t ea n dc r e d i b l e t a n gg u o - a n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g a oj i a n - q i a n g k e y w o r d s ：i g c c ，d y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕七学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题选题背景及意义1 1 1 1i g c c 的概念及特点1 1 1 2 整体煤气化联合循环机组的发展概况3 1 1 3 研究i g c c 机组动态仿真模型的意义3 1 2i g c c 动态数学模型的研究现状4 1 3 本文的研究内容7 第二章i g c c 系统简介8 2 1i g c c 主要类型8 2 2i g c c 的构成和原理9 2 2 1i g c c 联合循环的气化系统9 2 2 2i g c c 联合循环中的燃气轮机1 0 2 2 3i g c c 联合循环中的余热锅炉1 2 2 2 4i g c c 联合循环中的蒸汽轮机1 3 2 3 本文研究对象 1 3 2 4 本章小结1 4 第三章基于模型开发平台i m m s 的建模方法15 3 1 一体化过程模型开发平台功能简介1 5 3 1 1 通用算法库1 6 3 1 2 公用函数库1 7 3 1 3 模块管理系统1 7 3 1 4 模型管理系统1 8 3 1 5 模型库1 8 3 1 6 通讯接口1 9 3 2 一体化过程模型开发平台的特点1 9 3 3 模块化建模方法2 0 3 4 本章小结2 1 第四章i g c c 动态数学仿真模型的建立2 2 4 1s h e l l 气化炉数学模型建立2 2 4 1 1 化学反应速率计算模型2 3 4 1 2 气化炉内物质质量平衡模型2 5 t 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 3 气化炉内物质能量平衡模型2 6 4 2 燃气轮机系统的分解模型2 6 4 2 1 轴流式压气机模块2 6 4 2 2 燃烧室模块2 7 4 2 3 燃气透平模块2 8 4 3 三压再热余热锅炉仿真模块3 0 4 3 1 单相受热面模块3 0 4 3 2 蒸发系统模块3 1 4 4 蒸汽轮机系统的分解模型3 l 4 4 1 蒸汽透平模型3 l 4 4 2 凝汽器模型3 2 4 5 本章小结3 5 第五章仿真试验及动态特性分析；3 6 5 1 静态仿真结果及分析。3 6 5 2 动态仿真结果及分析3 8 第六章结论与展望4 2 6 1 主要研究成果4 2 6 2 工作展望4 2 参考文献4 4 致谢4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 9 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题选题背景及意义 1 1 1i g c c 的概念及特点 第一章引言 进入2 1 世纪，许多国家都面临着电力需求持续增长、环保法规日益严格、资源越 来越短缺的严峻挑战。各国都在积极寻求高效率、低污染的发电系统与方式，以使用资 源、环境和经济协调持续发展的需求。由于石油危机对全世界的能源与电力市场产生了 重大的影响，人们对煤炭的重要性又有了新的认识，煤炭发电势必成为一种主要的和长 远的发电方式，因而开发和利用洁净煤发电技术已经成为共识。 整体煤气化联合循环( i g c c - - i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 发电技术是将 煤气化技术与高效的联合循环有机结合的先进动力系统。i g c c 被称作“世界上最洁净 燃煤电站 。i g c c 具有以下特点：高效率，并且具有提高效率的潜力，目前i g c c 供电 效率可达4 2 * 旷, 4 6 ，随着燃气初温的进一步提高和有关的技术进步，i g c c 的净效率能 达到5 2 或更高。易大型化，单机功率可达3 0 0 m w 6 0 0 m w 以上f l 】。煤的洁净转化 与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能，其n o ，和s 0 2 的排放远远低于环境污染排放 标准，脱硫率可达9 8 ，除氧率可达9 0 ，燃煤后的废物处理量最好。耗水最少，比常 规汽轮机电站少3 0 0 a r 。5 0 ，示范装置运行可用率达到8 5 以上，可满足商业化运行的 要求。能充分综合利用煤炭资源，适用煤种广。能和煤化工结合成多联产系统，同时生 产电、热、燃料气和化工产品。i g c c 把高效率、大容量、清洁、节水和综合利用结合 在一起，有光辉的发展前景。 它由两大部分组成，即煤的气化与煤气净化系统部分和燃气一蒸汽联合循环发电系 统部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气冷却净化系统( 包括硫的回收 装置) ；第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、汽轮机发电系统。典型 的i g - c c 的工艺流程如下：煤经过气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫 化物、氮化物、粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室中燃 烧，加热燃气工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过 热蒸汽驱动汽轮机做功。 i g c c 之所以受到重视是因为它有以下几个优点： l _ ) 高效率，i g c c 的高效率主要来自于联合循环，同时燃气轮机技术的不断发 展也提高了机组的效率。现在燃用天然气或油的联合循环发电系统净效率已达到 华北电力大学硕士学位论文 5 8 ，本世纪初可望超过6 0 。随着燃气初温的进一步提高，i g c c 的净效率能达 到5 0 或更高。 2 ) 煤洁净转化与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能。先将煤转化为煤气净 化后燃烧，克服了由于煤的直接燃烧造成的环境污染问题，其n o x 和s 0 2 的排放远 低于环境污染排放标准，脱硫率芝9 8 ，除氮率可达9 0 。废物处理量少，副产品还 可销售利用，能更好地适应本世纪火电发展的需要。 3 ) 耗水量少，比常规汽轮机电站少3 0 - - - 5 0 ，这使它更有利于在水资源紧缺的 地区发挥优势，也适于矿区建设坑口电站。 4 ) 易大型化，单机功率可达到3 0 0 - 6 0 0 m w 以上。 5 ) 能够利用多种先进技术使之不断完善，i g c c 是一个由多种技术集成的系统， 煤的气化、净化技术、燃气轮机技术以及汽轮机技术等的发展都为它的发展提供了 强有力的支撑。 6 ) 能充分综合利用煤炭资源，适用煤种广，能和煤化工结合成多联产系统，能 同时生产电、热、燃料气和化工产品。 1 1 2 整体煤气化联合循环机组的发展概况 整体煤气化联合循环( i g c c ) 是把先进的洁净煤技术和联合循环相结合而成的 先进能源动力系统，着眼于能源资源的限制和环境保护的要求，从7 0 年代开始，国 外就开始有计划地开展了“洁净煤技术 的研究【2 1 。在“洁净煤技术 方面，燃煤 的燃气蒸汽联合循环，特别是整体煤气化联合循环( i g c c ) 技术的发展更是令人 瞩目，它大幅度地提高了发电厂的热效率，并使污染问题获得非常满意的解决。在 以后的发展中，i g c c 将成为一种最有前途的发电方式。 1 9 7 2 年建成了世界上第一座i g c c 装置，即德国l u n e n 市的k e l l e r m a n 电厂，容量 为1 7 0 m w 。但是由于气化岛的实际空气耗量比设计值大得多，导致装置出力和效率 都低于设计值，加之粗煤气中含有焦油和酚等有害物质极难处理，故电站在2 0 世纪 7 0 年代末完成原定试验后停运。 2 0 世纪8 0 年代是i g c c 概念验证阶段。1 9 8 4 年世界上第一座真正试运成功的 i g c c 电站美国加州c o o lw a t e r ( 冷水) 电站投产，该电站以水煤浆为原料、采用1 0 0 0t h 的t e x a c o 喷流床气化炉，发电机组容量为9 6m w ，累计运行2 7 1 0 0h ，净效率达 到3 2 ；被誉为当时最清洁的燃煤电站。 2 0 世纪9 0 年代是i g c c 商业示范阶段。在此阶段，i g c c 在4 方面取得了突破，一 是净效率从3 2 提高至i j 4 3 - 4 5 ；二是每1k w 的建设成本降低到1 5 0 0 - - 一2 2 0 0 美元； 2 华北电力大学硕士学位论文 三是单机容量提高到2 5 0m w 以上；四是环保性能大幅提高。目前，已投入商业化 运行的3 0 0 4 0 0m w 级i g c c 示范电站有4 座，即美国t a m p a 和w a b a s hr i v e r ，荷兰 b u g g e n u m ( n u o n ) 和西班牙p u e r t o l l a n o 电站。经过大量调试和多年示范性运行，它 们为i g c c 电站的设计和运行积累了许多宝贵的经验，先后在荷兰的s h e l lp e n i s 、意 大利的s a r l u x e n r o n 和意大利的i s a be n e r g y 建成并投运了热电联产和生产氢气的 i g c c 装置，取得了良好的经济效益。 截止2 0 0 9 年1 月，全世界已建在建拟建的i g c c 电站工程达1 1 6 个【3 1 。其中美国 6 8 个，中国1 8 个。其中山东兖矿国泰化工有限公司i g c c 多联产项目已经运行( 工艺 热甲醇醋酸多联产) 。捷克共和国的v r e s o v ai g c cp l a n t ，印度的s a n g h ii g c cp l a n t ， 意大利p r i o l or e f i n e r y ，a p ie n e r g y ，i s a be n e r g y ，a g i p ：荷兰的b u g g e n u mi g c cp l a n t ； 西班牙的p u e r t o l l a n oi g c cp l a n t ；瑞典的v a m a m oi g c cd e m op l a n t ：美国堪萨斯 州的t e x a c oe id o r a d o ；印第安纳州的w a b a s hr i v e rg a s i f i c a t i o nr e p o w e r i n g p r o j e c t ；特拉华州的d e l a w a r ec l e a ne n e r g yc o g e n e r a t i o np r o j e c t ；佛罗尼达州的 t a m p ae l e c t r i cp o l kp o w e r 。全世界处于预前期工程设计的有4 个，前期工程设计 的2 个，预可行性研究的3 个，可行性研究的1 4 个，已提议的3 5 个，已计划的1 5 个，报批中的1 2 个，在建的3 个，运行中的1 5 个。我国的i g c c 已经不像从前那 样只停留在纸上，已经进入实战阶段。但是目前先进高效的i g c c 只能进口，国产 化程度较高的i g c c 目前只使用6 b 或者9 e 燃气轮机为核心机，效率不高。但是能 够节能减排。华能天津i g c c 电站示范工程项目的核准，标志着具有我国自主知识 产权的“绿色煤电 计划取得了实质性进展。工程将建设我国第一台2 5 0 m w 级的 整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电机组，采用华能自主研发的具有我国自主知识产 权的2 0 0 0 吨天极两段式干煤粉气化炉，工程建成后发电效率可达5 0 以上，污染物 近零排放。 1 1 3 研究i g c c 机组动态仿真模型的意义 研究建立适用于i g c c 特点的联合循环系统模型，剖析i g c c 联合循环的类型与 构成部件，为i g c c 联合循环系统的模拟分析与设计优化奠定基础；开展提高系统模 型的精细程度研究，使联合循环子模型能与其它子模型更好精细连接；开展提高部 件与系统模型的通用性研究，使已有仅适合特定情况的模型改造成适合更多情况的 通用模型。 目前，有整体煤气化燃气一蒸汽联合循环机组的许多机理和关键技术尚未完全 成熟，由于技术保密等原因，我国整体煤气化燃气一蒸汽联合循环发电技术与国外 先进技术相比还有很大差距。在整体煤气化燃气一蒸汽联合循环发电技术中，包括 3 华北电力大学硕士学位论文 了气化炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。这四个部件作为联合循环总能系统中 的重要的有机组成部分。它们的结构、参数和性能是i g c c 系统整体优化和各子系统 相互匹配的关键。其动态数学模型的建立是分析和研究整体煤气化燃气一蒸汽联合 循环或其它相关发电技术的整体动态特性及其控制策略的基础和条件。 由于试验条件和实际过程的复杂性，直接在实际机组上进行试验研究困难大， 研制费用高，周期长，而且也不容易得到完整的数据。随着计算机技术的迅速发展， 基于数学模型的计算机仿真研究方法不仅可以分析系统整体特性，还可以对试验研 究难以测量的一些过程和细节进行研究，而且费用低、见效快，为深入了解机组过 程机理创造了有利条件【叭。应用计算机仿真技术，借助所建立的i g c c 联合循环机组 的实时仿真模型，分析机组在各种工况下的运行特性，对指导i g c c 联合循环机组的 实际运行具有重要的工程实用价值。 借助i g c c 仿真模型的研究，可以深入了解整个i g c c 系统的运行特性，这对 i g c c 联合循环机组的设计优化、经济运行有重要意义。 1 2i g c c 动态数学模型的研究现状 目前，人们为了提高i g c c 系统的整体性能指标，一方面不断改进关键设备的技 术、并寻求新突破，另一方面深入研究各设备的匹配规律、以寻求将其各子系统有 机的联合，即通过系统的综合和优化，以获得最优的总系统。利用计算机对i g c c 系统进行实时仿真、分析和研究，关键在于正确建立描述i g c c 各子系统特性的仿真 模型，只有所使用的仿真模型能够真实地反映研究对象的本质，所研究的仿真结果 才有意义。研究者的研究目的不同，所建立的数学模型形式和选用的计算方法差别 也很大。 从对于气化炉的建模，结合有关流动，燃烧化学反应，传热等方面的理论或经 验模型理论从原理上可以分为： 1 ) 实际数据计算法【5 1 。实际数据计算法是以原料煤在试验或正式生产时测得的 煤气组成为依据的计算。根据原料煤的工业分析，元素分析及气化剂组成和操作条 件等，计算确定煤气发热量，产气量，气化剂耗量，气化效率及热效率等气化指标。 为调节评价气化炉操作或设计选择气化炉提供依据，是常用的煤气化计算方法之 2 ) 平衡模型( 或热力学模型) 1 。平衡模型认为气化过程所有化学反应达到平 衡，通过对气化过程质量及能量平衡方程求解得到反应平衡时的煤气组成及平衡温 度。平衡模型与气化炉无关，在假定合适的平衡限制和氧气被完全消耗的基础上， 建立各元素组分的质量平衡反应，平衡方程及整个炉子能量平衡，求解这些方程可 4 华北电力大学硕士学位论文 以预测给定煤、汽、氧进料比。操作压力和希望得到的碳转化率的煤气平衡组成和 温度。在化学反应方面，也有两种计算模型，一种认为在床中的化学反应达到了平 衡，因此可采用化学平衡常数来计算各气体组分情况。另一种则采用反应动力学模 型求出反应速率，进一步求出各气体组分情况。 3 ) 速率模型( 数学模型) 。速率模型是将气化炉的流体力学模型和气化反应 动力学模型有机结合起来建立的。由此求得炉内气固相组成及温度曲线和给定炉 型，操作条件时的总碳转化率从而可用作评价气化炉的操作行为。 不同学者使用的动力学方程及参数差别较大，使用较多的是j o h n s o n 模型等。常 见用于描述气固流动的模型有平推流模型和颗粒分散流动模型，单颗粒运动模型。 科技人员通过研究提出了气化床冷态流动模型，这些模型大致可分为两类：第 一类为采用质量，动量，能量守恒方程的联立来求解流场，即采用双流体模。另一 类为考虑床中根据床内流动状态的不同，将气化炉分为几个部分，即流动区域模型。 开展相关实例比较分析研究以验证新方法的有效性，分析结果表明，应用新方法设 计优化得出的i g c c 系统性能特性更加贴近实际运行情况与需求。 对于燃气轮机、汽轮机和余热锅炉的建模，学者们也做了大量的研究。根据所 建模型中过程参数变化是否与时间有关，可分为静态数学模型和动态数学模型【_ 7 引。 - 静态数学模型是反映事物或系统在稳定状态下特性的数学描述。动态数学模型是反，j 映事物或系统在不稳定状态下特性的数学描述。可以把静态数学模型看作是动态数 学模型的一个特例。动态模型又分为实时动态模型、非实时动态模型。其中实时动 态模型可以进行实时仿真运算，仿真模型运行时钟与实际时钟完全一致，模型仿真 速度与实际系统运行速度相同。 根据模型的简化程度可分为集总参数模型和分布参数模型。集总参数模型忽略 了参数的空间分布特性，模型重点反映系统参数的宏观或整体运动特性。相对于集 总参数模型，分布参数模型的表达形式复杂，模型的求解困难【9 , 1 0 】。 章臣越提出了集总参数模型。这种模型将整个研究对象看成是一个具有相同状 态参数的集中容积，各处工质的压力和温度都随时相等，同步变化。它的优点是模 型简单，求解方便、计算量小、积分运算稳定性好；缺点是精度不高，有时候难以 满足工程要求【l 。 裘浔隽采用集总参数法和模块化建模方法，根据基本的能量守恒定律建立了余 热锅炉动态数学模型，重点在于对联合循环中的余热锅炉的各个部件进行理论建模 和模型简化，并证明了所建立模型精度能够满足工程需要；马博介绍了余热锅炉的 热力特性及系统划分、建模方法、参数选取、二次建模等，把余热锅炉分为三大模 5 华北电力大学硕士学位论文 块，采用集总参数法对设计的建模和动态建模以及计算方面的问题进行了详细的阐 述【1 2 _ l 们。 高阳对燃气轮机的建模过程考虑了压气机抽气对透平的冷却，并对压气机和燃 气透平按级进行分析和处理【b 】。李政等则在假定冷却空气数量和参数已知的条件下 建立了考虑冷却空气影响的性能模型，并给出了参考机型的冷却空气参数及数量的 经验计算公式【m 】。分析证明分级建模比集总参数模型具有更高精确性，但较为复杂， 且通用性差。 wi r o w e n 摆脱了传统的以微分方程组表达燃气轮机动态特性的方法，借鉴了 模块化建模的部分思想，以方块图来表达系统数学模型【1 7 l ，将动态环节以不同的方 块单元来表示，然后串联在一起，这样使模型的扩充、简化和维护都非常方便。但 这种动态数学模型是以实验为基础的，理论性不强。 在郑莉莉的整体煤气化联合循环燃气侧子系统热力学研究中，建立了i g c c 燃气 侧子系统流程超结构，分析了影响i g c c 性能的主要因素，提出了双开口变量燃气侧 整体优化新思路，对i g c c 项循环进行了优化研究【1 8 j 。文献【1 9 】健立了常规联合循环 系统性能优化分析模型，分析了在最低排烟温度、最小汽轮机出口蒸汽干度等条件 限制下，对压气机压比和余热锅炉压力进行优化分析，并与简单燃气轮机循环的优 化值进行了比较，得出了一些有实用价值的结论。文献【2 0 j 从热力学角度分析了影响 联合循环动力系统性能的关键因素，对主要参数进行了优化分析，如系统效率与比 功随压比的变化规律，找出在确定蒸汽空气流量比下的最佳压比。文献【2 心2 】研究 了用于i g c c 中蒸汽侧系统的集成技术和原则，并对i g c c 蒸汽侧子系统进行了综合 的优化研究，构筑了蒸汽侧子系统的超结构，采用模块化建模方法建立了分析模型， 分析了底循环系统热力特性，对不同方案蒸汽系统进行了比较分析研究。文献中还 提出了i g c c 系统流程和参数同步优化的思路，即先设计构造出一个能包容各种可能 结构的总体结构一“超结构 ，然后对其进行热力参数的优化，若优化的结果显示 某处流程或部件的价值为零或接近零，则予取消，如此反复迭代，便会得出最终的 最佳流程。i g c c 系统两层次和联合循环两大块交叉迭代的整体综合优化的新思路和 新方法：首先构筑顶、底两循环底流程超结构，进行流程和参数同步优化：然后，通 过独立变量或流程搜索变动，开展联合循环两大块之间交叉迭代优化，使系统效率 有明显的提高【2 ”。文献【2 4 1 研究基于全工况特性 拘i g c c 联合循环系统设计优化新方 法。应用全工况和独立变量概念探讨分析有关的系统设计优化特点和全工况特性规 律，寻求系统分析方法和评价准则创新，寻求突破热力系统传统的基准工况设计框 架的途径。 综上所述，以上文献对i g c c 系统各个部件的建模和仿真进行了较多的探索，对 6 华北电力大学硕士学位论文 建模中存在的问题提出了一些新的处理方法，并根据研究目的建立了相应的模型， 进行了动态特性的仿真研究。各类动态模型都具有自己的优点，但也存在许多改进 之处。其中速率模型法，将气化炉的流体力学模型和气化反应动力学模型有机结合 起来建立的，由此求得炉内气固相组成及温度z 曲线。集总参数模型对燃气一蒸汽联 合循环过程进行了较多的简化，虽不能深入分析燃气轮机过程内部微观特性，但由 于模型形式简单，可以实现实时仿真运算，并且能够基本满足工程需要，因此，本 文借助速率模型法和集总参数法建立i g c c 系统动态数学实时仿真模型。借助实时仿 真模型可以开展以下方面的研究： 1 ) 加深对机组整体特性及其变化规律的理解，认清机组运行参数之间的匹配 关系。 2 ) 预测机组的可控性，显著地降低现场试验费用，缩短调试试运周期，甚至 可以进行超越安全极限的仿真试验。 3 ) 确定主要输入参数扰动下，机组输出参数的响应曲线即机组的动态特性， 为控制系统的设计、分析和优化提供参考依据。 4 ) 为培训仿真机提供机理模型，用作机组运行人员培训。 因此，建立i g c c 联合循环机组实时仿真模型对分析解决实际设计和运行中存在篓 的问题，以及i g c c 联合循环发电机组的整体性能都有很重要的现实意义。 晕 1 3 本文的研究内容 本文针对的i g c c 联合循环建模对象，由s h e l l 气化炉、大型燃气轮机、三压再热 t l 然循环余热锅炉和无抽汽回热的大排汽量汽轮机等组成。基于一体化过程模型开 发平台( i m m s ) ，采用模块化建模方法，建立对象的实时仿真模型，并借助所建模 型进行仿真试验，分析i g c c 系统的动态运行特性。主要研究内容如下： 1 ) 以机组整体动态特性研究为目的，基于一体化过程模型开发平台，研究i g c c 系统仿真模型的分解和综合集成方法，i g c c 动态实时仿真模型的建立创造有利条 件。 2 ) 通过对i g c c 系统的分析和分解，采用工程模块化建模方法，建立i g c c 各子 系统设备和过程的实时仿真模型及其通用算法。并将各设备的模型连接起来，从而 建立整个i g c c 系统的仿真模型。 3 ) 借助所建立的i g c c 整体实时仿真模型，对国外某厂的煤气化燃气一蒸汽联 合循环机组进行动态实时仿真试验，研究i g c c 的运行特性，为深入认识和掌握i g c c 联合循环发电机组的运行特性创造有利条件。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章i g c c 系统简介 整体煤气化联合循环( i n t e g r a t e dc o a lg a s i f i c a t i o nc o r n b i n e dc y c l e 简称i g c c ) 是把高效的联合循环总能系统和洁净的燃煤技术结合起来的先进的发电系统，为当 今世界能源关注的一个热点。它将逐步取代现有的汽轮机电站，成为火电动力的主 要发展方向。整体煤气化联合循环中的“整体有两个含义：第一，在这个系统中， 气化炉所用的蒸汽和空气多数情况下都直接来自于系统内的汽轮机和燃气轮机。同 时，气化过程中产生的各种显热，都在系统适当的工艺环节中充分地利用，这样的系 统是一个有机的整体；第二，系统流程及系统内各处的参数都要从机组整体性能最 优的角度仔细考虑和设计。 2 1i g c c 主要类型 i g c c 发电系统为多种高技术的集成，它包括：先进的煤气化技术、高温净化技术、 高性能的燃气轮机、匹配协调的余热锅炉和汽轮机以及系统一体化技术等。i g c c 首先是将煤在汽化炉中进行气化产生煤气，然后经过净化处理后通到燃气轮机的燃 烧室中燃烧，经燃气轮机做功后再排入余热锅炉中产生蒸汽供给汽轮机做功。i g c c 联合循环系统把化工系统和动力系统相结合，流程非常复杂，其联合循环动力岛和 煤气化净化系统以及空分制氧系统之间存在复杂的物质和能量交换，是决定i g c c 系统性能的核心部分。清晰的认识i g c c 联合循环系统的流程特点和设备性能是建立 通用准确的系统模型的基础。 至今，i g c c 系统多采用无补燃的余热锅炉型联合循环热力系统，这主要是由于 i g c c 中的燃气轮机的初温通常都比较高，因此燃气轮机的排烟温度比较高，完全可 以满足产生驱动汽轮机的高温高压蒸汽的需要。另外还由于：补燃的余热锅炉型联 合循环和排气全然型联合循环都会使系统的整体效率下降。由于补燃燃料的能量仅 在蒸汽部分的循环中被利用，未实现能的梯级利用，致使随着补燃比的提高，蒸燃 功率比值上升，导致了这种型式的联合循环的效率多低于无补燃的余热锅炉型的效 率。此外，补燃措施必然使系统控制变得更加复杂。因此，补燃的余热锅炉型联合 循环多用于热电联产系统，它通过改变补燃比，灵活地调节热电输出比例。而纯发 电的i g c c 系统不采用补燃的余热锅炉型系统。而增压锅炉型联合循环的特点是锅 炉( 蒸汽发生器) 与燃气轮机的燃烧室合为一体，燃气轮机的压气机取代了锅炉的送 风机，燃气轮机和汽轮机都不能单独运行。运行机动性差，而且其系统效率一般低 于无补燃的余热锅炉型系统的相应值，因此，它多用于增压流化床燃煤联合循环系 统，而不用于i g c c 系统。对于给水加热型联合循环，e h 于锅炉给水所需的加热量 8 华北电力大学硕士学位论文 有限，使燃气轮机的容量比汽轮机的小得多，所以该联合循环是以汽轮机为主的联 合循环，联合循环系统性能主要取决于蒸汽侧循环参数，适用于燃气轮机排气温度 较低的情况。由于锅炉给水加热的温度不高，燃气轮机排气热量利用的合理程度较 差，使得联合循环的效率提高较少。因而新设计的高性能燃气轮机组成的联合循环 多不采用该类型联合循环方案，仅在用燃气轮机来改造和扩建原有汽轮机电站时才 会应用。而对热力性能要求很高的i g c c 系统也不采用这种类型的联合循环。经过分 析发现，对各种类型联合循环系统的分析也表明上述定性分析是对的，因此无补燃 的余热锅炉型联合循环最适合作i g c c 联合循环系统的动力岛【2 5 1 。 2 2i g c c 的构成和原理 2 2 1i g c c 联合循环的气化系统 煤气化系统由煤粉制备和送料系统、气化炉和煤气冷却器三部分组成【2 岳2 7 1 。气 化炉及其系统是i g c c 系统的关键部件，它将煤炭、石油焦等转化为合成气。在气化 炉中的反应是部分氧化反应，投入气化炉中的气化剂只相当于完全燃烧所需量的 1 5 1 3 ，生成的煤气主要成分是c o 和h 2 。对发电用途的气化炉，主要要求是高的碳 转化率和冷煤气效率、热煤气效率、大容量以及与发电设备运行的匹配性好等。在 已经进行的试验和示范电站研究当中，应用于i g c c 电站的炉型有喷流床气化炉、流 化床气化炉和固定床气化炉。煤气化是这样的过程：在缺氧条件下，煤首先由于蒸 发作用得以干燥，释放出表面水分和内在水分。随着温度升高，一些较弱的化学键 被破坏，开始析出挥发份，生成煤焦油、油、酚和某些气相的碳氢化合物。在固定 床气化炉中，挥发过程是在炉顶温度较低而且缺氧的条件下发生，因而挥发出来的 煤焦油、油、酚和气相碳氢化合物直接掺混到气化所生成的气体中去，组成粗煤气。 在流化床和喷流床气化炉中，由于炉内温度比较高，碳氢化合物就会发生热裂解反 应，同时挥发物还会与氧起反应，生成h 2 、c o 和c 0 2 。因而在这两种气化炉的粗煤 气中，气相的碳氢化合物( 女n c u 4 ) 就减少。 从目前的应用情况来看，普遍看好的气化炉主要是以氧气为气化剂的喷流床气 化炉，其气化生产能力大，生成的煤气热值较高，适宜与发电工程相匹配。并且在已 经进行的几个示范电站的运行过程中，都表现出了较好的性能，代表着发展趋势【2 8 1 。 气化炉目前存在的不足：一方面是可用率不高，维护费用比较高；另一方面， 采用纯氧作气化剂，增加了整个系统的能耗和投资成本。采用低浓度的富氧做气化 剂或者采用空气作气化剂的气化炉是一个发展方向，但需要进一步研究和实践检 验。研究和开发大容量的、能量转化率很高的煤的气化炉，是最终实现i g c c 发电方 案的关键所在。 9 华北电力大学硕士学位论文 对于本文我们主要介绍干粉系统。在干粉气化炉系统中，原煤在预破碎后进入 煤的干燥系统，然后进入磨煤机中被制成煤粉。磨煤机是在常压下运行，制成粉后 用n 2 送入煤粉仓中，然后进入加压锁斗系统，一般有两级加压锁斗。煤粉送入第二 级锁斗后，再用高压高纯度的n 2 气，以更高的固气比将煤粉送至四个气化炉喷嘴， 煤粉在喷嘴里与氧气混合后并与蒸汽一起送入气化炉反应。干粉气化系统最典型的 代表炉型就是s h e l l 气化炉。s h e l l 气化炉下部对称布置4 个燃烧器喷嘴，煤粉、氧气 和蒸汽的混合物从这里喷入气化炉，迅速发生气化反应，气化炉温度为在1 4 0 0 1 6 0 0 1 3 。这个温度范围使煤中的灰分熔化，也防止形成不需要的有毒热解产物。粗 煤气气流上升到气化炉出口，在这里用低温粗煤气使高温热煤气激冷到大约9 0 0 ， 由于热煤气被激冷，所含的大部分熔融态灰渣凝固后落入气化炉底部。s h e l l 气化炉 的压力壳里布置着垂直管膜式水冷壁，产生4 0 m p a 的中压蒸汽。向火侧有一层很薄 的耐火涂层，当熔融态渣在上面流动时，起到保护水冷壁的作用。粗热煤气在煤气 冷却器中被进一步冷却n 2 5 0 左右。低温冷却段产生4 0 m p a 的中压蒸汽，这部分 蒸汽与气化炉产生的中压蒸汽混合后，再与汽轮机中压缸排汽一起被再热成中压再 热蒸汽。高温冷却段产生1 3 m p a 的高压蒸汽，它与余热锅炉里的高压蒸汽一起过热 成主蒸汽【2 9 1 。 2 2 2i g c c 联合循环中的燃气轮机 目前，大中型燃气轮机的结构型式大致可以分为两大类，及工业型和航机改装 型。工业型机组式按照地面工作的要求设计的，它要求使用寿命长，能长期地安全 运行，能有较高的效率，力求少用贵重合金材料以降低机组的造价。航机改装型机 组则是把航空用的涡轮喷气式发动机，涡轮风扇式发动机、涡轮螺旋桨式发动机、 涡轴式发动机等进行改装设计后，用于工业和船舶的机组，它的主要特点是：结构要 比工业型轻巧、燃气初温高、机组效率高。相对于航机改装型机组来说，工业型机 组的质量较重，尺寸也较大。 工业型机组已经完全排除了把压气机、燃烧室和燃气透平彼此分散布置，用管 道相互连接的分散布置型结构模式，而改为压气机、燃烧室和燃气透平彼此直接联 成一个整体的整体式结构型式。这种结构型式与航空燃气轮机有些相象，因而它的 结构也比较紧凑。质量较轻、尺寸也比较小，具有快速启动的特点。 从燃气轮机自身的结构来说，可以有重型和轻型的区别。重型结构者零部件都 较厚重，它采用滑动轴承，机组设计寿命在1 0 万小时以上，比质量一般为2 - s k g k w ： 轻型结构者质量较轻，结构紧凑，所有材料都较好，一般采用滚动轴承，其比质量 小于2 k g k w ，其中以航机改装的燃气轮机为主体。前者多用于地面固定式的发电设 1 0 华北电力大学硕士学位论文 备之中；后者常用于车、船等运输机械中。表2 1 给出了目前已经生产的燃气轮机及 其联合循环的性能参数【3 0 】： 表2 - i 某些典型的燃气轮机发电机组的性能参数 i s o 基本功 压燃气初供电效 售价( 美 公司名称机组型号 率( m w ) 比 温( )率( ) 元k w ) p g 9 2 3 i ( e c ) 1 6 9 o1 4 23 4 9 3l8 3 g e 发电 p g 9 3 3 i ( f a ) 2 2 6 51 5 o1 2 8 83 5 6 6l8 8 g t l 3 e 21 6 4 31 5 o1 2 6 03 5 7 12 1 0 a b b g t 2 62 4 0 o3 0 03 7 7 92 0 4 v 6 4 3 a7 0 01 6 61 3 l o3 6 8 l3 1 9 s i e m e n s ( j w y ) v 8 4 3 a1 7 0 01 6 61 3 1 03 8 0 0 5 0 1 g2 3 5 21 9 21 4 2 73 9 0 01 8 0 西屋 7 0 1 g2 3 6 71 5 61 3 4 93 6 7 7l8 7 普惠f t 82 5 4 22 0 81 1 2 l3 8 1 33 6 2 在联合循环能量的梯级利用中，燃气轮机基本由压气机、燃烧室和燃气透平基 本分组成。当燃气轮机工作时，压气机从外界大气中吸入空气。并把它压缩到某一 压力，同时空气温度也相应提高，然后将空气送入燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产 生高温高压的燃气，进入燃气轮机中膨胀做功，直接带动发电机发电。燃气轮机的 排气导入余热锅炉，用以产生高温高压蒸汽驱动汽轮机带动电动机发电。汽轮机排 汽再进入凝汽器中放热，凝结水又送入余热锅炉，形成蒸汽动力循环。这样的结构 既增加了总输出功率，又利用了燃气轮机和汽轮机各自的优点，提高了整个循环的 热效率。 在这次课题中主要针对以天然气为燃料的重型单轴燃气轮机简单循环做研究。 这类燃气轮机的结构特点：都是一台整体式单轴结构形式的机组，即压气机、燃烧 室、燃气透平，包括压气机进气机闸和燃气透平的排气扩压机闸，彼此联合成为一 个整体，安装在同一个底座上，辅助设备也都整体安装在另一个底座上。该机组采 用燃气透平侧的热端输出功率。这样设计有利于减少压气机转子的传扭负载。该机 组采用三个轴承的支撑方案，改善了本身转子刚性不好的缺陷。压气机由进气机闸、 气缸、静叶、转子、动叶、气封和排气扩压缸等部件组成。压气机的进口装有可转 导叶，并在某几级静叶后设置防喘放气口。当机组联合循环时，可装导叶可以在特 定负荷范围内进行调节，保证了透平前的燃气温度恒定不变。压气机同流部分的前 几级采用等内径结构型式，后各级采用等外径结构型式；压气机转子采用了外围拉 华北电力大学硕士学位论文 杆螺栓连接的盘鼓式结构，具有很好的刚度和强度。燃烧室采用逆流式分管结构。 p g 9 3 5 1 e 型燃气轮机中装有1 4 个燃烧室，内部配置单喷燃料喷嘴或双喷燃料喷嘴， 可以分别燃用天然气、轻油或渣油。燃气轮机中燃气透平是由气缸、静叶、转子、 动叶、气封和排气扩压器等部件组成，均设计成3 级，透平的焓降比较大，效率略 有下降。透平静子部分用双层结构，采用不分段的持环和分段护环的型式。 2 2 3i g c c 联合循环中的余热锅炉 众所周知，在联合循环中，余热锅炉回收燃气轮机排气余热，产生蒸汽推动汽 轮机发电。与常规电站锅炉相比较，余热锅炉没有燃料输送，煤粉制备和燃烧设备， 仅有汽水系统。余热锅炉的汽水系统电站锅炉基本相似，通常是由汽包，省煤器， 蒸发器，过热器以及集箱等换热管簇和容器等组成的，构成了由水变过热蒸汽的三 个阶段，即水的加热，饱和水的蒸发，饱和蒸汽的