第22卷第2期工程熱物理學(xué)報Vol.22, No.2200年3月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSMar. 2001整體煤氣化濕空氣透平(IGHAT)循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化趙麗鳳張世錚肖云漢{中國科學(xué)院I程熱物理研究所，100080 北京)病要本文采用非線性優(yōu)化方法,分析了整體煤氣化濕空氣透平(IGHAT)循環(huán)的熱力性能,研究了濕化器出口空氣含濕量、間冷壓比及空分集成程度等主要參敷對循環(huán)性能的影響。結(jié)果指出較之濕空氣透平(HAT)循環(huán)，IGHAT 循環(huán)的空氣含濕量有了大幅度的提高，從而使得循環(huán)比功大大增加。關(guān)鍵詞整體煤氣化;濕空氣透平,參數(shù)優(yōu)化中圈分類號: TK123文獻標識碼: A文章編號: 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符號表f 燃料誼量G煤氣流量h比焓L水流量P壓力q燃料熱值t溫度w比功x含濕量效率π壓比1方案選擇得比較多,但是，系統(tǒng)卻仍然相當復(fù)雜,比投資費用根據(jù)熱煤氣顯熱利用方式的不同，IGHAT 可以不但降不下來，甚至有增高的趨勢.本文采用第一有兩種不同的設(shè)計思想可循川.在第- -種方案中,種方案，對IGHAT循環(huán)性能進行了探索和分析.圖熱煤氣的顯熱全部用于加熱水，這樣就可以不再使1為IGHAT循環(huán)的系統(tǒng)流程圖。HAT 循環(huán)流程采用蒸汽輪機，而僅僅用透平來完成作功任務(wù).在這用文獻[2]中優(yōu)化后的流程.種情況下，IGHAT 的設(shè)備系統(tǒng)就比較簡單,比投資2數(shù)學(xué)模型費用也比較低.但其效率雖能比IGCC略有提高,可是其提高的幅度卻是比較小的。以1 kg空氣為基準列出各部件能量平衡方程并在第二種方案中，熱煤氣的顯熱一部分用來加中國煤化工。熱水,另一部分用來產(chǎn)生過熱蒸汽。這樣,在IGHAT系統(tǒng)中不僅有濕空氣透平,而且還得設(shè)置功率較小FYHCN M HG空分部分主要采用參的蒸汽輪機。在這種IGHAT方案中,效率可以提高考文獻[3]中的數(shù)據(jù),合成煤氣的主要成分為CO、收襄日期: 200-12-07; 修訂日期: 200-12-25 .基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(No.1999022301)作者簡介:趙麗風(fēng)(1972-),女遼寧撫順人,助理研究員，博士,主要從事能激動力系統(tǒng)方面研究.142工程熱物理學(xué)報22卷H2、CO2和水蒸汽,含有少量的N2. CH4、Cos、濕化器進口熱水的溫度應(yīng)該低于其飽和溫度,H2S .tw6≤tws;(2)低壓壓氣機(7)煤氣冷卻器忽略散熱損失， 粗煤氣焓差h2。- h等于水焓差:h2=+h](1)Guga(eomga2 - heymgan = Ls(hwa-hu7) (6)(3)間冷器忽略散熱損失，水焓差等于空氣焓差:在煤氣冷卻器入口和出口水和粗煤氣溫差應(yīng)該hz -hg = L(hwus - hor)(2)滿足要求的節(jié)點溫差約束條件:在間冷器的入口和出口水和空氣的溫差應(yīng)該滿toyngas1-tuo2 10° C; tsyngas2-twr≥ 10° C足要求的節(jié)點溫差約束條件:在煤氣冷卻器中水不能汽化，水溫度應(yīng)該低于tg-twr≥10°C; tz-tu4≥ 10° C其壓力下的飽和溫度:在間冷器中水不能汽化，水溫度應(yīng)該低于其壓twsS tus; tw7 S twa力下的飽和溫度:(8)回?zé)崞骱雎陨釗p失, 濕燃氣焓差等于tu7Stws; twaS tus濕空氣焓差:(4)高壓壓氣機(1 + f)(h1o - hr1) + xc6(ho10 - ho11)ha= RAs-3+ hg(3)The=hn- he + xe(hur - hus)(7)(5)后冷器忽略散熱損失， 水焓差等于空氣在回?zé)崞魅肟诤统隹跐袢細夂蜐窨諝獾臏夭顟?yīng)該滿足要求的節(jié)點溫差約束條件: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氣的溫差應(yīng)該滿(9)熱水器忽略散熱損失， 濕燃氣焓差等于水焓差: .ts-tws≥10°C; tg-tws≥ 10° CLs(hw8- hw7)=(1 + f)(h1 - h12)在后冷器中水不能汽化，水溫度應(yīng)該低于其壓+xe(hoa1 - ho12)(8)在熱水器入口和出口濕燃氣和水的溫差應(yīng)該滿tws≤tws; tw3S tws(6)濕化器能量平衡方程:t1-tw8≥10°C; t12-t如7≥10°CLhn6+hs+xoho5=he+xghu6在熱水器中水不能汽化，水溫度應(yīng)該低于其壓+[L- (工s - xcs]hw7進濕化器熱水與出濕化器的濕空氣溫度之差要tw8≤tws.大于一個最小值:在熱水器中，濕燃氣的排氣溫度應(yīng)該比相應(yīng)的tw6-ts≥3° C露點溫度高一定的數(shù)值:出濕化器的水的溫度與進口空氣的濕球溫度之t1z≥tp(Pu12) + Oto差要高于一個最小值:tu7-tswet≥2° C中國煤化工衡方程濕化器出口的濕空氣的相對濕度要小于1 ,MHCNMHGh+zohr+fqmB (9)中≤1;(11)透平為使?jié)窕鲀?nèi)的傳熱傳質(zhì)關(guān)系順利進行，推動(1 + f)(hg - hro) + x(hog- h0o10) .力-焓差的最小值應(yīng)滿足一定的要求，Shmin ≥20 kJkgi= [(1+ f)(hg- ho10*)+ x(hoo - h1o)mr (10)方數(shù)據(jù)2期趙麗風(fēng)等:整體煤氣化濕空氣透平(IGHAT)循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化143(12)混合器M1忽略散熱損失, 進口流體的焓(2)計算中的已知條件:高低壓壓氣機效率為等于出口流體的焓:0.88,水泵效率為0.97,透平效率為0.90,燃燒室效xehw2 + Lrhw7= (xe + L)hw3(11)率為0.98.氣-氣換熱器最小節(jié)點溫差為15°C,氣-水換熱器最小節(jié)點溫差為10°C, t1 = 20°C;(13)混合器M2忽略散熱損失, 進口流體的焓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計算結(jié)果分析與討論質(zhì)量平衡方程:4.1循環(huán)性能分析L=x+L1+L2+ L3+ L4(13)在HAT循環(huán)中，由于燃氣余熱不夠,濕化器出口空氣的含濕量上不去，使得HAT循環(huán)受到了限壓力平衡方程:制.這一情況在IGHAT中得到了大大的改善，因為P2=Pπe; Ps=Rx0.98; Pa=Px-在IGHAT循環(huán)中充分利用了氣化煤氣的顯熱,提高T1e了空氣含濕量，循環(huán)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循環(huán)中燃氣輪機燃燒的是煤的P=Px0.97; P1=pn;Po=PL (14-22)氣化爐所產(chǎn)生的中熱值的合成煤氣，它的熱值比液0.98體燃料和天然氣的熱值低很多，而空氣含濕量也比在循環(huán)壓比和透平前溫- -定時， 壓氣機進口空HAT循環(huán)高，因此要達到相同的透平前溫燃料流量氣溫度、壓力泵供給水溫度、排氣壓力已知，由循要大大增加?；谝陨显?，流經(jīng)燃氣輪機透平的環(huán)流程圖1可知共有33個未知參數(shù)，一共有 22個燃氣流量增大很多，導(dǎo)致了循環(huán)比功比HAT循環(huán)大方程，所以ICHAT循環(huán)系統(tǒng)計算分析共有11個獨大增加。 由于增加了氣化過程和采用高效激冷式氣立變量.化爐，循環(huán)效率比HAT循環(huán)降低了很多。循環(huán)效率:4.2濕化器出口空氣含濕對循環(huán)性能的影晌n= (W:- We-Whc-Wair - W,-Wo)/(fxq) (23)圖2為空氣含濕量對循環(huán)效率和比功的影響,以效率為目標函數(shù),對11個獨立變量進行優(yōu)透平前溫、總壓比一定時,存在-一個最佳空氣含濕化，得到滿足約束條件的系統(tǒng)效率的最大值。量，使得循環(huán)效率最高.當空氣含濕量小于這個值時，隨著空氣含濕量的增加，熱水器回收的熱量增加，熱水器排出的燃氣向環(huán)境的散熱減少，循環(huán)效除去酸性氣體率增加;當空氣含濕量大于這個值時，隨著空氣含熱術(shù)器回?zé)崞鳚窳康脑黾?，要求用于濕化的熱量增加，此時只有提高回?zé)崞鞒隹谌細鉁囟葋頋M足熱量的需求，這樣華|水淬回?zé)崞鲀啥藴夭钌撸鐖D3所示，導(dǎo)致了燃氣余妒冷卻器熱利用不合理，循環(huán)效率降低.透平前溫、總壓比一定時，隨著空氣含濕量的增加，循環(huán)比功增加，主要是因為空氣含濕量的增混合磊x=于空分裝置加，增加了透平工質(zhì)流量。te4.3 間冷壓比對循環(huán)性能的影響存在最佳間冷壓比，使循環(huán)效率和比功最大,圖1 IGHAT循環(huán)流程圖并且在最佳間冷壓比處,循環(huán)耗水量最少,此循環(huán)耗水母為循環(huán)的暴件空氣令溫量，如圖4、5 所示。3計算中的假設(shè)條件和已知條件中國煤化工間冷壓比非常重要，(1)工質(zhì)熱物性處理:空氣及煤氣含有少量的水MHCNMHG氣含濕量增加，導(dǎo)致蒸汽,按照理想氣體處理;加濕后的空氣和燃氣含了透平輸出功的增加，但同時空氣的壓縮耗功也增有較多的水蒸汽，必須按照實際氣體進行熱物理性加，而且后者增加程度大于前者，導(dǎo)致了循環(huán)比功質(zhì)的計算。但是由于透平前后溫度較高，水蒸汽可降低。同時空氣含濕量的增加，燃料消耗增加,也導(dǎo)按照理想氣體進行熱物性計算。致了循環(huán)效率的降低。144工程熱物理學(xué)報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圖2含濕量對效事和比功的影響圖3含濕對回?zé)崞骼涠藴夭畹挠绊憟D4間冷 壓比對含濕量和效率的影響730]B890742.43625-3007042.2。355 16g1900J00。三910720”9501元=16150j4.0 r715-c 3453400第800)莊W41.810-0=1300C33530880| t+=1300°C| -41.8座:=9330-12005-253036404350553257000204000810-10870000204000.8 1041.Fk整體化系數(shù)圈5間冷壓比對比功的影響囝6整體化程度對 含濕和回?zé)崞魅?整體化程度對 比功和效率的影響冷熱端溫差的影響5結(jié)論4.4整體化程度對循環(huán)性能的影晌本文采用非線性優(yōu)化方法分析了固定流程的情本文研究了采用低壓空分壓力等級時空分整體況下，整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)的熱力性能,得化程度對循環(huán)效率、比功和空氣含濕量的影響，結(jié)果出以下結(jié)論:如圖6、7所示.圖6為整體化程度對濕化器出口空(1)較之HAT循環(huán),IGHAT循環(huán)的空氣含濕氣含濕量以及回?zé)崞骼錈岫藴夭畹挠绊?隨著整體量有了大幅度的提高,從而使得循環(huán)比功大大增加?；潭鹊奶岣?空氣含濕量增加,因為整體化程度越(2)存在最佳空氣含濕量，使得循環(huán)效率最高.高,間冷器需要的冷卻水的流量越多,也就是說噴入(3)存在最佳間冷壓比，使得循環(huán)效率和比功最濕化器的水流量越大,所以空氣的含濕量增加。而回大,并且在最佳間冷壓比處，循環(huán)耗水量最少.熱器的冷熱端溫差- -直保持不變.圖7為整體化程度(4) -定條件下，隨著整體化程度的提高，循環(huán)對循環(huán)比功和效率的影響，獨立空分系統(tǒng)空分所需的空氣含濕量、比功和效率均提高?？諝馊坑尚时容^低的專門的空分壓縮機提供,參考文獻耗功較大;而完全整體化的空分系統(tǒng)空分所需的空[1]焦樹建整體煤氣化燃氣-薰汽聯(lián)合循環(huán)(IGCC).北京:氣全部從燃氣輪機的壓氣機抽取,耗功最少.另外,中國電力出版社，1996隨著整體化程度的提高，濕化器出口空氣含濕量隨[2]肖云漢，林汝謀，薪睿賢. HAT 循環(huán)的優(yōu)化.工程熱物理學(xué)報，1994， 15(2): 133-136之增加，燃料流量也增加,這些都導(dǎo)致了輸出功的增[3] 劉澤龍林汝謀等，對Texaco和Destec的IGOC方案核加.隨著整體化程度的提高,循環(huán)效率也隨之增加.算中國科學(xué)院工程熱物理所科研報告，1995中國煤化工MHCNMHG