第26卷第4期Vol. 26 No.42006年8月Jourmal of Power EngineeringAug. 2006文章編號: 000-6761(2006)04 -587-05甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況特性的研究劉培，高健，李政(清華大學熱能工程系,北京100084)摘要:利用Aspen Plus仿真工具和甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的變工況數(shù)學模型,對串聯(lián)或并聯(lián)、以及有否變換單元的4種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)配置方案進行了模擬計算,詳細比較了它們的電負荷調(diào)節(jié)范圍。分析結(jié)果表明:4種系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力由強到弱依次為:變換并聯(lián)系統(tǒng)、變換串聯(lián)系統(tǒng)、不變換并聯(lián)系統(tǒng)和不變換串聯(lián)系統(tǒng)。相關(guān)分析方法和結(jié)論為多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。圖7參5關(guān)鍵詞:能源工程;多聯(lián)產(chǎn);變工況;負荷調(diào)節(jié)中圖分類號: TK01 ,TQ21文獻標識碼: 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優(yōu)越的環(huán)保性能,以聯(lián)產(chǎn)運輸采用液體燃料以緩解1研究目的石油安全需要,及未來可采取較方便和以較小的成在新世紀,我國能源面臨著資源短缺,液體燃料本減排溫室氣體等特性,成為我國煤炭現(xiàn)代化利用嚴重依賴進口,環(huán)境污染加劇，溫室氣體排放量大而的重要途徑之一”。且增長迅速,農(nóng)村和小城鎮(zhèn)需要方便和潔凈能源等多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的概念實質(zhì)上是要把化工過程和發(fā)諸多挑戰(zhàn)。煤炭作為我國主要使用的一次能源，急電過程有機地耦合在- - 起,力爭實現(xiàn)能量利用、經(jīng)濟需在利用形式上和利用過程方面加以創(chuàng)新，以應(yīng)對性和環(huán)保性能的最優(yōu)化。盡管由于多聯(lián)產(chǎn)涉及到的這些挑戰(zhàn)。以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由于具備主要過程技術(shù),如煤氣化,化工合成(如甲醇)和燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)均為成熟技術(shù)，因此具有相當?shù)目尚惺崭迦掌?2005-12-05性,但是要把其發(fā)展為一個完整的、經(jīng)濟上具有競爭基金項目:國家自然科學基金重大研究計劃項目(90210032)及力的實用技術(shù),依然存在較大的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)除國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2005CB221207)資助。作者簡介:劉培(1980-),男 ,碩士生,主要從事多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研了體現(xiàn)在已有成熟技術(shù)為適應(yīng)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特殊需方方數(shù)據(jù)要尚需改變和改進外,更重要的則體現(xiàn)在系統(tǒng)集成588動力工程第26卷層次.上,即:如何設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu),功能和參數(shù)，使其不環(huán)回路。定義x為循環(huán)比,其物理意義為循環(huán)回反僅具有較高的設(shè)計效率,而且滿足各種變工況運行應(yīng)器入口的合成尾氣與反應(yīng)器入口新鮮氣的比值。和操作要求(可操作性)以及在此條件下的可靠性、系統(tǒng)運行的- 一個特例是合成尾氣完全不循環(huán)、而是.可用性和可維護性要求,使得系統(tǒng)在整個生命周期全部送往發(fā)電系統(tǒng),本文稱其為合成氣“一次通過”具備最大的經(jīng)濟性。為此,本文將多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)層次方式,此時X。=0。研究的內(nèi)涵歸納為:在滿足可操作性以及可靠性、可圖2和圖3中用虛線標出了變換單元,表示這用性和可維護性等技術(shù)要求條件下,實現(xiàn)能源、環(huán)境是一個可選單元,通過選擇確定是否設(shè)置合成氣變和生態(tài)以及經(jīng)濟性的多目標最優(yōu)化問題(圖1)。換系統(tǒng)。本文研究的系統(tǒng)方案可分為:不變換串聯(lián)可操作性 可靠性系統(tǒng)，變換串聯(lián)系統(tǒng),不變換并聯(lián)系統(tǒng)和變換并聯(lián)系滿足產(chǎn)品生產(chǎn)可用性可維護性滿足多目標要求統(tǒng),分別以方案1~4標識。要求的多聯(lián)產(chǎn)|的優(yōu)化設(shè)計方案煤氣化系統(tǒng)的集成度-般定義為燃氣輪機壓氣系統(tǒng)初步設(shè)計方能經(jīng)環(huán)機提供的空氣量占空分系統(tǒng)總進氣量的比例。由于其他技術(shù)約束集成度不是本文討論的重點，下面分析和計算中,均圖1多聯(lián)產(chǎn) 系統(tǒng)層次研究的內(nèi)涵取集成度為50% ,空分系統(tǒng)出口氮氣回注燃氣輪機Fig 1 Many- sided studies on polygeneration system燃燒室的比例為35.5%。顯然,良好的變工況運行能力是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可由于氣化爐和相應(yīng)凈化裝置的投資在整個投資操作性的重要方面。實際，上,對變工況特性的認識中的份額較大。因此,除非特別指明,本文所指的變和理解可以反過來對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計提出約束和工況運行的前提條件是氣化爐始終在設(shè)計工況下工要求。帶著這一目的,本文建立了電力甲醇多聯(lián)產(chǎn)作。系統(tǒng)的變工況數(shù)學模型,并嘗試在理解其變工況特在上述前提條件下,對多聯(lián)產(chǎn)的變工況運行作性的基礎(chǔ)上,揭示系統(tǒng)配置方式和變負荷范圍間的如下分析:(1)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)需要變工況運行的原因在于外關(guān)系。界電網(wǎng)需要系統(tǒng)改變電負荷輸出。此時,在總氣量2多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況運行原理保持不變的條件下,合成氣比例(或消耗量)需要在-般而言,動力系統(tǒng)和化工合成系統(tǒng)可以采用動力模塊和化工模塊之間進行分配。對確定的系統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)2種方式組成多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(圖2和圖3)。方案,燃氣輪機和汽輪機的尺寸和最大功率(設(shè)為額定義直接通往合成系統(tǒng)的合成氣比例為Xm,則通往定電負荷)是確定的,這意味著在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計工況下確定的分給動力模塊的合成氣量為動力模塊所發(fā)電系統(tǒng)的合成氣比例為1- x。在串聯(lián)系統(tǒng)中，能接受的最大值。在低于額定電負荷時,動力模塊所有的合成氣均首先通過合成系統(tǒng),因此X_=1。消耗的合成氣量必須減少,此少消耗的氣量必須由為實現(xiàn)一定范圍的負荷調(diào)節(jié)、也為保證系統(tǒng)的化工模塊都消耗掉。穩(wěn)定運行需要,本文認為必須設(shè)置合成氣分離和循(2)由此角度審視多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計和方案篩're煤→煤氣化爐食成氣上甲醇合成器7GTccHH )氧氣→}0圓尾氣圖2多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)串聯(lián)方 案示意圖Fig2 The polygeneration systemr' s serie cnnection varint合成氣1-Xm氧氣→[煤氣化爐變換H凈化，'teI甲醇合成器圖3多聯(lián)產(chǎn) 系統(tǒng)并聯(lián)方案示意圖Fig3 The polygeneration system' s parallel connection variant第4期劉培,等:甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況特性的研究589選問題時可以發(fā)現(xiàn),變工況和設(shè)計問題的聯(lián)系在于/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程原理示意圖。甲醇合成部分采如下幾個相互關(guān)聯(lián)的方面:用空氣產(chǎn)品及化學公司(APCI)在美國能源部支持下①不同的系統(tǒng)配置方案對應(yīng)的電負荷調(diào)節(jié)范圍開發(fā)的三相漿態(tài)鼓泡床(LPMEOHTM)4。圖中變換有多大,能否滿足運行要求。反應(yīng)單元和合成氣直接送往發(fā)電系統(tǒng)的管道用虛線②在額定發(fā)電功率確定的前提下,應(yīng)當選擇多標識。包括與不包括虛線部分代表的設(shè)備,就構(gòu)成.大容量的合成系統(tǒng),以保證整個系統(tǒng)的能源效率和了前述的4種系統(tǒng)。本文采用Aspen Plus 12.1建立經(jīng)濟性最優(yōu)。了.上述系統(tǒng)方案的變工況模擬程序,并依據(jù)所獲得.③如果稱多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在設(shè)計點工作時對應(yīng)的發(fā)的物質(zhì)和能量平衡數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的變工況特性進行分電系統(tǒng)和合成系統(tǒng)的容量分別為它們的額定工作容析[51。量,則不難看出,發(fā)電系統(tǒng)的額定工作容量就是其自對圖2所示的串聯(lián)系統(tǒng),設(shè)計時可選擇的獨立身的額定容量,而合成系統(tǒng)則不然。實際上,此時合系統(tǒng)變量為循環(huán)比x。和反應(yīng)器設(shè)計空速Vg,V。 物成系統(tǒng)的容量是使整個系統(tǒng)正常聯(lián)合工作的最小容理含義為單位質(zhì)量催化劑所能處理的反應(yīng)混合物的量。當多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變負荷時,合成系統(tǒng)必須具備某體積流率。對圖3所示并聯(lián)系統(tǒng),設(shè)計時可選擇的個最大容量,以滿足消耗多余合成氣的要求。由此獨立變量為分流比x,循環(huán)比X。和反應(yīng)器整體空產(chǎn)生的設(shè)計問題是,如何合理選取合成反應(yīng)器的設(shè)速V。V;的定義如下:計容量,使其一方面滿足最大負荷要求,保證系統(tǒng)的設(shè)計工種下反應(yīng)器進氣量變工況運行;另一方面又不致因單方面滿足最大容V =反應(yīng)器中催化劑質(zhì)量. X。量要求,而導(dǎo)致多數(shù)工況下容量過于多余,使得反應(yīng)3.1串聯(lián)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)范圍模擬器的投資不能得到有效利用。串聯(lián)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)循環(huán)比x.來(3).上述幾個方面均是多聯(lián)產(chǎn)研究和實踐中的實現(xiàn)的,圖5示出了電負荷隨著循環(huán)比的變化情況。重要問題,但可資借鑒的研究工作尚不多見。為此，由圖5可見:本文將以甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為例,對系統(tǒng)配置方案(1)不變換串聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)電量隨循環(huán)比的變化與電負荷調(diào)節(jié)范圍的作用規(guī)律進行研究。范圍均在設(shè)計工況的60%以內(nèi),說明此類流程不適3甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)變工況特性模擬與應(yīng)電負荷大范圍調(diào)節(jié)的要求。在實際應(yīng)用時,更適宜作為承擔基本負荷的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方案。分析.(2)變換串聯(lián)系統(tǒng)電負荷調(diào)節(jié)范圍相對較大，圖4為參考Texaco激冷式ICC流程2.和美國V。= 8000 , 6000和4000SL/(kg* h)3種空速下的最Kingsport液相法甲醇示范工程3基礎(chǔ)上設(shè)計的甲醇水煤.去發(fā)電的合成氣--- ]循環(huán)壓縮機膨脹機Selexol十法脫硫回@區(qū)水分周富H2新鮮冷卻中略Qto-分離器冷卻液相少量氣體空分來氧氣BFW鍋爐a加熱蒸瀘精細單元氣體變換]燃料甲靜中預(yù)熱Q空氣灰水系統(tǒng)面↑尾氣排放MMYL JNML ]hM--燃機尾氣-燃氣輪機-e補充水1100 -↓+日日0M余熱鍋爐和汽輪機鍋爐給水圖4甲醇/電 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程原理示意圖Fig 4 Process principle chart of methanol/electricity polygeneration systems動力工程第26卷400變換串聯(lián)系統(tǒng)在x。=4.5對應(yīng)的最小功率相比可300以發(fā)現(xiàn),不變換并聯(lián)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)能力小于變換250 t- - 8000★4000!200t40shift串聯(lián)系統(tǒng)。成150書100. 800shift50z 30循環(huán)比Xie相500150圖5申聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電量隨 x。的變化書100FFigs Power generaion vs. Xre of the parallel connection variant0 0.1 0.20.3 0.40.5 0.60.70.80.9 1低負荷分別為設(shè)計負荷的43. 1% ,31.9%和20.0%，分流比Xm+-Emu.K-6000Em.K6000基本可以滿足工業(yè)要求的30% ~ 40%的最低負荷。(3)變換系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)范圍明顯高于不變換系圖6不變換并聯(lián)系統(tǒng)在不同分流比下的負荷變化范圍統(tǒng)的根本原因在于,變換使得合成器的組分接近甲Fig6 Load variation range under diferent flow pprtionments醇合成需要的化學計量比,因此未反應(yīng)氣循環(huán)有助of the parallel connected sytem without shit reactor于增加甲醇的產(chǎn)量,從而減少了通往發(fā)電系統(tǒng)的未3.3變換并聯(lián)系統(tǒng)電負荷調(diào)節(jié)范圍模擬反應(yīng)氣的有效組分,進而降低了電負荷。同理,在不首先定義變量X。為“進氣倍率”,其物理意義變換方案中,合成反應(yīng)器出口尾氣中的氫氣已經(jīng)很為進入合成反應(yīng)器的原料氣流量與來自氣化爐工段少,即使以很大的循環(huán)比將其送回反應(yīng)器人口,也無干凈新鮮合成氣流量之比,其表達式為:助于大量增加甲醇產(chǎn)量。由此獲得的啟示是,不變X.=Xm,當X_<1;X.=Xm+ x.,當X_=1換串聯(lián)系統(tǒng)更適于采用合成氣一次通過方式并承擔變換并聯(lián)系統(tǒng)的負荷變化范圍采用如下方式獲基本負荷。得,如圖7示:對某--選定的整體空速和設(shè)計分流比3.2不變換并聯(lián)系統(tǒng)電負荷調(diào)節(jié)范圍模擬(如V;=8000,X.=0.5)的系統(tǒng),首先通過不斷調(diào)整獲得不變換并聯(lián)系統(tǒng)負荷變化范圍的方法是:氣化爐輸出的合成氣量,找到使得動力系統(tǒng)功率輸在某一特定的分流比(如X. =0.5)下,首先通過不出為額定負荷的工作點;之后,維持氣化爐容量及輸斷調(diào)整氣化爐輸出的合成氣量(實際是選用不同容出氣量不變,逐漸增大分流比至X_=1,同時維持循量的煤氣化爐),找到使得動力系統(tǒng)功率輸出為額定環(huán)比為0,可以看到電負荷是逐漸下降的,在此過程負荷(以E...標識)的工作點,此時合成系統(tǒng)的甲醇中,X。始終等于X;在X。達到1,即所有的合成氣產(chǎn)量就是對應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計負荷的產(chǎn)量;之后,維持氣化全部通往合成系統(tǒng)后,負荷調(diào)節(jié)是通過調(diào)整循環(huán)比爐容量及輸出氣量不變,讓合成氣全部通往合成系進行的,其間,X.=X.+ X。=1+ xn;當循環(huán)比達到統(tǒng)(即X_=1),且使合成尾氣循環(huán)比達到最大值(本運行允許的最大值(本例為3)時,對應(yīng)的電負荷為文取X.=4.5),此時動力系統(tǒng)的功率輸出為可能達所能達到的最小值,此時X。=4。到的最小值(以E.標識)。對不同的x.,重復(fù)上述.00 r計算,并將得到的E.. 和Ein連成曲線,就得到了圖6。250200 t從圖6可以看出:不同空速V, 下,隨著分流比150 t100的增大,負荷調(diào)節(jié)范圍呈現(xiàn)出相同的逐漸減小的變50-化規(guī)律;對同--分流比,較小的空速對應(yīng)的負荷調(diào)節(jié)253354 4.s范圍更大一些?；そo氣比Xe一◆- 800.0.50一t 一800.0.8 -★- 600.0.505由于Xm=1對應(yīng)最小的負荷變化范圍,而其本一*--600,05一40050一+400.8身其實就是上節(jié)介紹的不變換串聯(lián)系統(tǒng)。由此可看...+... 6000.1出:不變換并聯(lián)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)范圍總是大于不變圖7變換并聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電量隨調(diào)節(jié)參數(shù)的變化換串聯(lián)系統(tǒng)的。Fig7 Generated power v8. regulation parameter variationof prallel conected systcm with shift reaclor設(shè)計分流比X =0的系統(tǒng),變負荷范圍最大, .其最小電負荷對應(yīng)循環(huán)比的最大值,本例中為X=圖7中的每條曲線代表不同設(shè)計參數(shù)的多聯(lián)產(chǎn)4.5。將此最小功率與圖5中具有相同設(shè)計空速的系統(tǒng),其設(shè)計工況下均具有同樣的電負荷,圖例中標第4期劉培,等:甲醇1電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況特性的研究.識了其整體設(shè)計空速V和設(shè)計工況下的分流比.(3)串聯(lián)系統(tǒng)必須依靠甲醇反應(yīng)器的循環(huán)回路x。的數(shù)值。由圖可見,整體設(shè)計空速越低、設(shè)計工實現(xiàn)電負荷的調(diào)節(jié),但由于單純依靠循環(huán)比不能實況分流比Xm越小,電負荷調(diào)節(jié)范圍越大。不難看現(xiàn)大范圍的調(diào)節(jié),因此串聯(lián)系統(tǒng)不適宜大范圍變工出,變換并聯(lián)系統(tǒng)的電負荷調(diào)節(jié)范圍均遠遠大于相況運行,應(yīng)當用于承擔基本負荷。應(yīng)的不變換并聯(lián)系統(tǒng)和串聯(lián)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)范圍，參考文獻:亦即變換并聯(lián)系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)能力是最強的。[1]倪維斗,李 政.煤的超清潔利用-多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[J].節(jié)4結(jié)論能與環(huán)保,2001 ,9(30):16~ 21(1)系統(tǒng)的不同配置方案之間,電負荷調(diào)節(jié)能[2 ] Texaco Casifer IGCC Base Cases[ M]. NETL, PED-ICCC-98-001, 2000.力差異較大。本文研究的4種系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力由強到[3] Topical Report No I1: Commercial scale Demonstration of弱依次為:變換并聯(lián)系統(tǒng)、變換串聯(lián)系統(tǒng)、不變換并the Liquid Phase Methanol (LPMEOHTM) Process[R]. U.聯(lián)系統(tǒng)和不變換串聯(lián)系統(tǒng)。s. Department of Energy , 1999.(2)不變換多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電負荷調(diào)節(jié)范圍較變[4] 麻林巍. 以煤氣化為核心的甲醇、電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研換多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)要小很多。其原因在于,不變換時,合究[D].清華大學熱能工程系,2003成氣的成份沒有達到進行甲醇生產(chǎn)的最佳C0/H2[5]劉培.甲醇/電多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)變工況特性[D].清華大比,用增大循環(huán)比來增加化工合成系統(tǒng)出力的效果學熱能工程系,2005.很小。(上接第571頁)社,2005:1 ~21.的生成具有一定影響和作用。但不同的煤種對NO2] 毛健雄,毛健全,趙樹民,等.煤的清潔燃燒.[M].北的生成影響有所不同。宜賓無煙煤和銅川貧煤在原京:科學出版社,1998:1~ 25.煤硫和添加硫總量分別達到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.時,硫的熱解析出和氧化才對煤中氮的氧化有較明.[4] Miccio F, Lfler G, Wargadalam V J， Winter F. 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