IGCC电站空分系统配置分析

lssv · 发表于 2012-1-25 21:45:56

IGCC电站空分系统配置分析
张建府
绿色煤电有限公司，北京市海淀区知春路甲48号盈都大厦A座21层，100098
ASU Process Optimization in IGCC Power Plant
Jianfu Zhang
GreenGen Corporation, Beijing, 100098

ABSTRACT: Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) includes Air Separation Unit (ASU), Gasification Unit, Purification Unit and Power Unit. The ASU supplies high pressure nitrogen, middle pressure oxygen, instrument air and plant air to the Gasification Unit. The ASU also has relation with the gas turbine of the Power Unit. As a result, the reliability of the ASU is important to the operation of IGCC power plant. The high power consumption of the cryogenic ASU leads to the high auxiliary power consumption rate of power plant, so it is necessary to conduct ASU process optimization. This paper compared the characteristics of four types of ASU process of IGCC power plant.
KEY WORD: IGCC, ASU, Process Optimization
摘要: 整体煤气化联合循环电站（IGCC）主要包括空分、气化、净化及发电单元，其中，空分单元向气化单元提供高压氮气，中压氧气、仪表空气、工厂空气，并与发电单元的燃气轮机之间存在相互关联，所以空分单元能否稳定运行，对IGCC电站的稳定运行能有着重要的影响。同时，由于目前的深冷法空分装置能耗较大，导致IGCC电站的厂用电率较高，不同空分系统的配置，对IGCC电站的输出功率，供电效率及发电成本均有较大影响。因此，本文对比分析了4种典型的IGCC电站空分系统配置方案的特性。
关键词: IGCC，空分，系统配置
1. 前言
现有的IGCC电站大多采用深冷法制取氧气。由于其能耗较大，造成电站的厂用电率较高。提高空分运行可靠性，同时降低空分装置的能耗对提高IGCC电站的效益来说意义重大。一方面通过不断提高空分装置中压缩机的内效率，降低空气，氧气，氮气的压缩功耗；另一方面，研究优化空分系统与燃气轮机的配置关系，降低空分单元的故障率，使得IGCC电站高效、稳定运行。本文将着重研究不同空分系统配置对IGCC电站运行特性和热效率的影响。
2. IGCC电站空分系统配置
空分系统的选择与配置，对IGCC电站的运行特性、输出功率，热效率等均有较大影响。因此有必要分析空分系统配置对IGCC系统特性规律的影响。根据空分装置所需压缩空气的来源，空分系统配置可分为三大类：独立的空分系统，即空分所需的压缩空气全部由空分压缩机提供；部分整体化的空分系统，即空分所需的压缩空气一部分由空分压缩机供给，另一部分从燃气轮机的压气机出口抽取；完全整体化的空分系统，即空分所需的压缩空气全部由燃气轮机的压气机供给。
1.1 不同空分系统配置IGCC电站的运行特性
由于空分系统向IGCC电站的气化单元提供高压氮气，中压氧气、仪表空气、工厂空气，并与动力单元的燃气轮机之间存在相互关联，所以空分系统能否稳定运行，对IGCC系统的运行稳定性有着重要的影响。下面将分别对三类空分系统配置下电站的运行特性进行分析。
（1）独立空分系统
在独立空分系统中，空气压缩机通常采用离心式压缩机，定转速运行，通过调节空气压缩机入口可调导叶的角度来调节进气流量，压缩机工作特性曲线如图1所示。由图1可见，空压机进气流量随入口可调导叶角度的改变而变化时，空分压缩机出口压力变化较为平缓，以维持进入空分系统后续装置气体工作压力稳定，使得分离产生的氧气、氮气的纯度比较容易控制，进而使得电站的运行较为稳定。

图1 空气压缩机工作特性曲线
Fig. 1 characteristic curve of air compressor
（2）完全整体化空分系统
由于燃气轮机压气机的效率通常比空分离心压缩机的效率高，而且可以省去独主空压机的设备投资，所以完全整体化空分系统的投资和厂用电率通常都比较低，但其缺点是IGCC电站的运行调控特性差，主要表现为：空分系统所需的空气必须完全从燃气轮机的压气机抽取，空分系统运行离不开燃气轮机，燃气轮机的正常运行也离不开空分系统。因此，完全整体化IGCC电站的启动过程非常复杂，空分装置需在燃机启动后才能启动，电站的启动时间长。同时，电站变负荷运行时，燃气轮机与空分系统相互影响，电站变负荷调节困难。
荷兰Buggenum和西班牙Puertollano的IGCC电站都采用了完全整体化空分方案。由于电站启动过程以及变负荷运行控制复杂，造成电站启动时间长、负荷变化率受限等问题，最后只能通过增加50％容量的独立空气压缩机辅助启动，等到系统运行稳定后，再切换为燃机压气机提供全部的压缩空气[1][2]。

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