爱华网第２２卷第３期２００１年５月
工程热物理学报
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ＴＨＥＲＭｏＰＨＹＳＩＣＳＭａｖ２００ｌ
整体煤气化联合循环（ＩＧｃｃ）系统整棒缧奄芋嚣化
段立强
林汝谋蔡睿贤
北京
金红光
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（中国科学院丁程热物理研究所，
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本文提出ＩＧＧｃ系统两层次和联合循环两大块史叉迭代的整体综台优化的新思路和新方法，对大型ｆ蕊皑４妒、一・
文献标识码：Ａ
文章编号：０２５３＿２３１ｘ（２００１）０３＿０２６５－０４
系统进行模块化建模和模拟分析，总结和揭示了ＩＧａｃ系统综合优化的规律，得出了许多有实用参考价值的结论．
关键词整体煤气化；联合循环；整体综合优化中图分类号：ＴＫ４７１
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ｌ前
言
组成的燃气一蒸汽联合循环动力系统的综合优化，陌它和前两个子系统也是紧密相关的．因此，分两个层次进行系统的综合优化：在第一层次，根据总体技术方案的设计条件和要求对煤气化净化系统和空分装置两个系统进行设计优化；第二个层次是联
ＩＧｃｃ作为一种高效、低污染的先进能源动力系统备受关注，现已进入商业验证阶段，并正朝更高的发展阶段迈进【“。目前，人们为了提高ＩＧｃｃ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、以寻求系统整体综合优化。对于后者，各国学者开展了很多研究【２＿…。但至今学者们多局限于子系统的水平来设计优化，且多数研究仍滞留在传统的特定流程条件下的逐个参数优化方法，这样得到的结果未必是最优的。本文试图从系统的角度出发，更多考虑流程结构与参数综合和各子系统间组合优化，来对ＩＧｃｃ系统进行整体综合优化。
２系统整体综合优化思路和理论建模
２．１系统整体综合优化思路
一般，ＩＧｃｃ包括四个子系统（见图１），煤气化和煤气净化系统、空分装置、燃气侧顶循环系统以及蒸汽侧底循环系统。本文侧重于研究后两个子系统
收稿日期：２０００一１２—２７：修订日期：２００ｌ—０２一１７
基金项目：国家重点科技（攻天）汁划（Ｎｏ９７－Ａ２６）项目；国家基础研究９７３项目（ＮｏＧｌ９９９０２２３０２）：国家基金委国家杰ｍ吉年基
金资助项日（Ｎｏ５９９２５６ｌ５】
作者简介：段立强（１０７３），男，…西平遥人，巾科院工程热物理所博士生，＃要从事燃煤联合循环洁净煤发电技术开拓研究工作．
图ｌ典型的ＩＧｕｃ系统图
１）煤气化与净化系统（２）空分装置（３）燃气轮机
顶循环系统【４）汽轮机底循环系统
万方数据
Ｔ程热物理学报２２卷
合循环动力系统的综合优化，其部分初始值（与前两个子系统有关的能量和质量交换数据）是从第一层次的设计优化结果得出，并通过迭代，实现两层次的关联。
ＩＧｃｃ系统是个复杂的多独立变量的能量转换利用系统，其性能不仅与组成的各子系统的设计参数有关，且取决于系统构成的流程和各子系统的匹配．所以，我们尝试系统流程和参数同步优化的新方法．其关键问题是要先设计构筑一个能包容各种可能流程结构的“超结构”，并应满足：（１）能包容所
有可能的技术方案和流程；
（２）能包容影响该系统
综合优化的所有关键因素的合理变化区域；（３）充
分考虑热力学和工程上的制约与要求；（４）可根据
需要，进行方便的扩展与删除等．
实际上，构筑满足上述要求的超结构是很困难的事情。为此，我们把联合循环分成顶底循环两大块：对燃气侧子系统，提出双开口变量（整体空分系数ｘｎｓ和氮气回注系数ｘｇ＂）系统的概念，来建立
相应的双开口变量的流程超结构ⅣＪ，且突出了影
响系统特性的最关键的五个因素（ｘｎｓ，ｘ９ｎ，透平初温乃，压气机进口导叶安装角ｎ，透平通流面积调整系数ｓｓ）；对底循环系统中的ＨＲｓＧ，采用温区概念【５ｊ，将燃气侧按温度分为若干段，每段与相应的水或蒸汽加热的需求相适应，并由不同节点温度构成多级串联的温区。这种温区转运模型不仅比较好地体现能的梯级利用与温度对口原则，而且使ＨＲｓＧ流程超结构中各种换热器排列组合的可能方案数量减少到最小程度。
总之，联合循环系统整体综合优化的思路是：首先，设计构筑顶、底两循环的流程超结构，进行流程和参数同步综合优化；然后，通过独立变量或流程搜索变动，开展两块之间交叉迭代优化（详见图２）。２．２系统理论建模与模拟
本文应用通用性系统组合的思路进行系统模块化建模．系统按物理模块结构为主、功能特性做参考的准则划分模块；预先建立各种典型单元模块特性模型，组建单元模型库和工质热物性程序库等；然后，基于流程超结构、用网络联接方程表达模块间输入输出变量同的数量关系，用结构矩阵或数值代号来描述系统的流程结构等手段，建造出拥有大量部件和确定联接关系并实现一定功能组合的系统模型，从而完成系统超结构的模拟．建模时以单位供煤率为计算基准，并采用ＩＧｃｃ系统净效率ｑ；。作为优化目标函数对系统进行模拟分析．
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汽轮机予系统综合优化模块
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图２１Ｇｃｃ联合循环系统整个综合优化程序示意图
式中，仉为厂用电耗率；Ｇｃｌ为耗煤量；Ｈｕ为煤低位热值；Ⅳ讲为燃机功率；．Ⅳｓｔ为汽轮机功率；从主要部件和系统的基本方程，不难推得：
燃气侧顶循环输入能量Ｑ鲋：
Ｑ班＝Ｑ，１３＋Ｑｎ２３＋Ｑ００３—０ｄ３２＝
Ⅳ∥＋印Ｆ３４＋印？∞３
（２）
式中，Ｑ，１３为净煤气进入燃烧窜携带能量；Ｑｎ２３为回注到燃烧窜的氮气携带的能量；ｑｎ０３为从环境进入燃机的空气携带能量；Ｑ９３４为从燃机到ＨＲｓＧ的燃气携带能量；Ｑｎ３２为从压气机抽出到空分装置的压缩空气携带的能量；Ｑ２。ｓ３为散热等损失的能量；
燃气轮机功率Ⅳ∥：
Ⅳ讲＝｛［１＋，一ｘｏｓ２一（１一ｘｇ“）ｘｇｆ】（＾９３一＾班５）吼一
【（ｈ０２ｓ一＾Ⅱ１）／仉１）Ｇｎ叩，叩ｍ％，
（３）
式中，Ｇｏ为压气机进口空气流量；ｘ∥为总冷却空气量系数；ｘｎｓ２为压气机空分抽气系数；ｘ讲１为到一级喷嘴冷却空气量系数；ｘ９ｎ为冷却空气折合作功系数；，为燃空比；ｑ，、ｑ。、％，、仇、叩ｃ分别为辅机耗功、齿轮箱、发电机、透平和压气机等效率；＾ｎ１，＾ｎ２ｓ分别为压气机入口空气及空气绝热等熵压缩终点焓值；ｈ９３，蛔４ｓ分别为燃气透平入口燃气及燃气绝热等熵膨胀终点焓值；
蒸汽底循环输入能量０鲥；
Ｑ甜＝Ｑ口３４＋０ｓ＾２０＋Ｑｄ—Ｑｓ耐＝
Ⅳ鲋＋Ｑ９１１＋口＂ｃｄ＋０ｆＤｓ４５
（４）
３期段立强等：整体煤气化联合循环（ＩＧｃｃ）系统整体综合优化式中，Ｑｓ＾２０为从废锅到余热锅炉的饱和蒸汽携带的能量；∞儿为ＨＲｓＧ排烟的能量；０ｄ为空分系统和煤气化净化系统提供给ＨＲｓＧ除氧器的能量；Ｑｗｃｄ为冷凝器排汽的能量；０ｓｏ￡为提供给煤气和氮气两个饱和器的能量；０ｆｏｓ４５为散热等损失的能量；
汽轮机功率Ⅳ时：
Ⅳ５￡＝Ｇｓ７００（ⅡｓｈＯ一日ｓ＾６）＋Ｇｓｒ０（日ｓｒ０一日ｓｒ砷＋
Ｇ“ＯｆＨ“０一Ｈｓｆ６１（５）式中，Ｇｓ＾ｏ，Ｇｓｒｏ，Ｇｓｆｏ分别为进入汽轮机高、中、低压缸的蒸汽流量；Ｈｓ＾ｏ，日ｓｒｏ，日ｓｚｏ，日ｓ＾６，日ｓｒ６，日ｓｆｂ分别高、中、低压缸进、出口的蒸汽焓。
通过对基奉方程组成的系统模型的自由度分析并把环境条件、部件特性以及反映技术水平参数作为设计条件确定，并假定ｓｓ不变，主汽温度ｎ加与再热蒸汽温度Ｔｓｒｏ相等，高、中、低压节点及接近点温差分别相等（Ｄ昂Ｈ＝Ｄ昂Ｍ＝Ｄ西Ｌ，ＤｎＨ＝ＤｎＭ＝Ｄ７＿Ｌ）时可把式（１）转化为下列形式（当蒸汽系统为三压再热流程时）：
ｍ口＝，（ｘⅡｓ，ｘ卯，，瓦，ｏ，Ｐｓｓ＾，ＰｓｒＯ，
Ｐｓｓｆ，Ｔｓ＾ｏ，Ｄ丁≯Ｈ、Ｄ２■开）（６）
３实例研究
３．１总体技术方案和条件
本文选４００Ｍｗ级ＩＧｃｃ系统为例进行整体综合优化研究：９ＦＡ机型燃气轮机；高压富氧喷流床气化炉气化工艺（水煤浆供料、９８％纯度富氧气化剂）；成熟的低温湿法净化系统；深冷气氧气氮压缩空分丁艺；双压再热蒸汽底循环系统。
数值计算时，考虑了工程和热力学的限制值与取值范围，如：燃气轮机最大功率Ⅳ班ＭＡｘ＝２７５Ｍｗ，压气机最小喘振裕度ｘｃＨｚＭｌＮ＝９．５％等。３．２结果与分析
（１）当选定燃气轮机机型时，ｘｎｓ和ｘ口ｎ是影响系统特性的最重要变量。图３表明吼。随这两个独立变量的变化关系，一般在每条等ｘｇｎ线上都会出现一个受制于ｘ㈣ｚＭｌｗ的最高效率折点（ｘ∞ｍｉｎ）。随着ｘ口ｎ增大，ｘ。ｓｍ伽也增大（图上点划线所示），当ｘｇｎ≤ｏ２时，ｘｏｓｍｉｎ：ｏ．ｏ（即可采用完全独立空分方案且压气机不发生喘振）。图４从Ⅳ矿ＭＡｘ限制的角度，表达ｘ。ｓ和ｘ９ｎ优化匹配规律，叶，目ＭＡｘ出现在ｘｇｎ＝１０与ｘｎｓ＝ｏ５４
的交叉点上。万 方数据图５ｌＧｃｃ系统净效率随ｘ９ｎ变化哭系（直不同乃值时）（３）图６显示了在ｘｎ５、乃和口一定时，燃气轮机功率，效率、压比、ＩＧｃｃ系统效率，功率对氮气全部同注似ｇｎ＝ｌｏ）的基准方案相应值的比值随ｘ９ｎ的变化趋势。从图中可以看出；它们均随着ｘ９ｎ减小而减小，｜ｖ９∥、’７金、Ｅｐｓｃ“及Ⅳｅｔ“变化较大，而吮变化较小。这是由于ｘ９ｎ减小使Ｎ２有效能回收利用程度减小和燃机透甲流量大幅减小的缘故。（４）在燃气侧顶循环确定时，蒸汽侧底循环设计优化的重点是在二个压力（高压汽包压力Ｐｓｓ＾，再
工程热物理学撤２２卷
热压力Ｐｓｒｏ，低压汽包压力Ｐｓ“）的匹配优化．因为，总是希望尽量提高Ｔｓ＾０，以提高底循环效率，但它又受制于燃气透平排温，且通常取Ｔｓｒｏ＝Ｔｓ＾ｏ。
分析计算结果发现：
ＩＧｃｃ中蒸汽底循环Ｐｓ砒并不是越高越好．常规的联合循环模拟分析结果是提高汽轮机蒸汽初压总是有利于效率提高．ＩＧｃｃ应更有利于提高Ｐｓｓ＾，因为回收煤气余热的废锅提供了大量的高压饱和蒸汽给ＨＲｓＧ高压汽包，其量随Ｐ８旃提高反而增大，从而抑制了ＨＲｓＧ的排温的上升．但是计及随着Ｐｓ咖提高，汽轮机低压段蒸汽湿度增大对低压透平效率的修正和高压缸叶片高度降低与蒸汽泄漏增大对高压透平效率的修正，则情况就会改变．如图７所示，ｑ。。随着Ｐｓ她的增大而增大：低压区增幅较快，随着Ｐｓｓｈ增大，ｑ。。增加渐趋平缓，当Ｐｓｓｈ＞１１０×１０５Ｐａ时，每提高ｌｏ×１０５Ｐａ，啡。增加仅万分之几个点。因此，随着尸ｓｓｈ增大，虽然ｑ。。在增大，但增幅却越来越小，而考虑到ＩＧｃｃ系统中废锅的运行安全性，加之由于压力增高，对设备材料要求增高所带来的安全性、经济性问题等综合权衡，微小的效率增高已得不偿失，所以Ｐｓｓ＾不宜过高．
０
２０
４０
６０
８０
１００１２０１４０１６０１８０
尸虹ｈ／×１０５Ｐａ
图７
ＩＧｃＧ系统效率随ｎｓｈ和Ｔｓｒｏ变化关系
（５）图８表示在一定的Ｐｓｓ＾条件下，Ｐｓｒｏ和
ｎｓｚ匹配优化情况。对于每一个Ｐｓ“，Ｐｓｒｏ都存在
一个最优值。且Ｐｓｓｚ越大，最优的Ｐｓｒｏ也越大，图中虚线为不同Ｐｓ３ｆ下的Ｐｓｒｏ最优值连线。在一定
万
方数据Ｐｓｒ０情况下，Ｐ８“也存在一个最优值，且Ｐｓｒｏ越大，最优的Ｐｓ“也越大，即尸ｓ“最优值随着Ｐｓｒｏ增大而逐渐增大．通过反复交叉迭代可得，在顶循环确定．Ｐｓ她＝ｌｌｏ×１０５Ｐａ和Ｔｓｒｏ＝５４０。ｃ一定时，底循环系统有最佳的Ｐｓｒｏ和Ｐｓｓｚ，可以使Ⅳｓｔ和研。均达最大值时，它们分别为：ＰｓｒｏｏＰＴ＝２６×１０５
Ｐａ，
Ｐｓｓ｛ｏＰＴ＝５．２×１０５Ｐａ．
０１Ｐａ１０３Ｐ４
＼
§
差
鬻㈣戮嚣裟
１０
１４
１８
２２
２６
３０
３４
３８
４２
胁０／×１０’Ｐａ
圈８底循环功率随Ｐｓｒｏ变化关系（在不同Ｐｓ“值时）
６结论
（１）本文挺出ＩＧｃｃ系统两层次和联合循环两大块交叉迭代设计优化的新思路，开拓研究了更多考虑流程与参数综合和各子系统间优化组合的系统综合优化的新方法．
（２）本文选４００Ｍｗ级大型ＩＧｃｃ电站系统为实例，应用通用性系统组合思路进行模块化建模，并采用系统净效率吼。作为优化目标函数进行模拟分析。
（３）实例研究结果揭示了ＩＧｃｃ系统综合优化的规律，得出了许多有实用参考价值的结论；而且表明本文提出的新思路和新方法是可行、实用的，突破了传统的特定流程结构的逐个参数优化的设计
框架。参
考
文
献
【１】段立强，林汝谋，金红光等．整体煤气化联合循环（ＩＧｃｃ）
技术进展．燃气轮机技术，２０００，１３（１）：＊１７［２】Ｊａｍｅｓ
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９３－ＧＴ－３５８，
１９９３
【３】刘泽龙，林汝谋
ＩＧｃｃ空气侧整体综合优化的研究．见；中国丁程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议
论文集，洛阳，
１９９７，Ｉ卜３５－ＩＬ４２
［４】郑莉莉，林汝谋，刘泽龙．ＩＧｃＯ中布雷顿循环特性和优
化的研究工程热物理学报，１９９９，２０（６）：６８１ｑ８４
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