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1、整体煤气化联合循环 ( I G C C ) 系统综合优化的研究 江丽霞 林汝谋金红光 蔡容贤 ( 中国 科学院工程热物理研究 所 北京 1 郑莉莉 0 0 0 8 0) 摘!本文签于热力学墓本定律和总能系统抵念、把 “ 能的 梯级利用原 理，与 超结构”等方 法有机地结合起来，对I G C C系统进行流程结构和参数综合优化新方法的 探索研究.本文还结 合 实 例 研究 ， 归 纳出 燃 气 轮 机 顶 循 环 采 用 整 体 空 分 系 数x和 氮 气 回 注 系 数称 双 开口 交 t 珠 合 优化进行系统设计时 参数优化选择的关系规律， 绘制了 在一定条件下I G C C燕汽系统性能随热
2、力参数变化的 特性圈 讼等.本文研究 成果将对】 IG C C系统提供有效的 设计分析手段和有实用价 值的论点 关 健 词 : IG C C . C# 合 优 化 ， 流 程 和 参 劝 .- o 1 前言 整体煤气化联合循环 ( I G C C ) 是把煤气化洁净技术和高效联合循环相结合的 先进动力 系统，以 其具有提高效率的 最大潜力和优良的 环保性能等突出特点而倍受瞩目， 并被认为 是2 1 世纪最有发展前景的洁净煤发电 技术，现已 进入商业验证阶段。 我国十分重视I G C C 技术， 许多国 家计划都把它列入， 组织全国 各方面力量， 对 I G C C的重大技术进行深入和 系统地研
3、究， 并将在烟台建设首座大型I G C C示范电 站。 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 寻求系统整体综合优化。 对于后 者， 各国 学者 开展了 很多 研究 1- 1 6 。 但I G C C 是多 种工艺 过程的 有机集 成， 设备多、 系 统复 杂， 采用常规的设计优化方法很难达到总体性能最优， 从而发挥不出已 有设备的性能潜力。 因 此，对I G C C系统进行综合优化设计分析，以 便获得流程和参数的最佳匹配，使系统内 各种品 位的能量能按照 “ 温度对l7 ,梯级利用”的原则得
4、到合理利用，从而提高I G C C系 统总体热经济性，已成为一个重要的研究课题。 I G C C系统主要由 五个子系统组成:空分系统 ( A S U ) , 煤气化系统 ( G a s i fi e r ) ,煤气 净化系统 ( C C S ) ,燃气侧顶循环子系统 ( G T )以 及燕汽侧底循环子系统 ( H R S G但流程的确定又有赖于参 数反复迭代的热力学计算，这种参数和流程相互依赖的 关系给系统优化带来了一个难于逾 越的障碍，也是现有优化方法的一个致命弱点。 为解决系统流程与参数同 步优化的关键问 题， 对I G C C系统的 综合优化提出了 新思路: 首先构造出 一个能包容各种可
5、能结构的I G C C系统流程超结构; 基于通用性系统组合建模 思想， 建立系统模型: 对超结构流程进行模拟分析， 优化结果如显示某处流程的 价值为零 或接近零， 则予以取消，以 得出最佳流程:在确定优化目 标下， 对最佳流程进行参数优化， 直至流程与参数同步优化。 这种做法的实质是将流程的 优化转换成为对超结构的参数优化， 从而排除流程未知的障碍。 3 棋型的建立与求解 3 . 1 模块 化通用 模 型 3 . 1 . 1 二 毯 至 里 竺 叁 酬 醚 运 生趾之卫鱼包竺 根据I G C C系统结构流程和参数综合优化新思路， 首先需要构筑相应的系统超结构， 它应满足: 能包容不同I G C
6、 C技术可能有的各种系统流程: 能包容影响系统流程综 合优化的所有关键因素的合理变化区域: 充分考虑热力学和工程上的具体限 制、 要求和 约束: 各换热器布置要符合计及节点温差后的“ 温度对口” 原则; 可根据需 要进行 方便的 扩展与删除。 然后， 通过在确定的目 标下， 对所构筑的超结构进行流程和参数的优 化，以实现I G C C系统的综合优化。 一个理想的 超结构应包括所有可能的流程结构方案，也包括可提高系统性能的各种潜 在方案， 而且要求解方便. 但实际上这两者是互相矛盾的。一个包含所有可能方案的超结 构往往会产生组合爆炸的问 题， 使优化问 题难于进行。 本文基于总能系统概念，通过引
7、入 “ 双开口” 变量与 “ 温区” 概念，设计了I G C C动 力系统流程超结构。 其中， 对燃气侧子系统， 通过提出“ 双开口” 变量( 整体空分系数X a s I I - 5 6 中 美 清 洁 跪 派 技 术 论 坛 U . S 一Ch i n a Cl e a n En e r g y T e c h n o l o g y F o r u m 和氮气回 注系 数X g n ) 的 概念， 建 立的 流程超结 构不 仅包容了 所有可能的 燃气侧技 术方案， 并全面反映了独立变量的可能变化范围，而且突出了影响系统特性的最关键的五个因素 ( X a s , X g o ， 透 平初温T
8、 3 . 压 气机进口 导叶 安 装角a , 透平喷嘴面积改 变系 数s s ) : 对蒸 汽侧子系统，通过把 “ 能的梯级利用”原理与 “ 超结构”等方法有机地结合起来，不但解 决了 参数和流程相互依赖的关系给系统流程与参数综合优化带来的难于通越的障碍， 使系 统超结构大为简化，方便于求解计算，而且物理概念非常清晰。每一温区相当于一个热力 学控制体， “ 温度对口、 梯级利用” 原则是通过温区内能量平衡与温区间 热流转移的 模型来 加以具体实现。 图2 就是基于“ 双开口” 变量、 “ 温区” 概念和和现有I G C C流程设计和运行经验及其 热力学和工程上的约束而设计的I G C C系统流
9、程超结构，它比 较好地满足上述五点要求。 3 . 1 .2 优化 模型的 建立 选择不同的目 标将会使优化过程导致不同的结果。本文主要是侧重从热力学方面来进 行优 化， 所以 ， 选择I G C C 整体 效率 最 高作 为 最 优 化目 标， 即:m a x r llc c e ( X ) ， 其中X是 决定优化目 标的独立变量集合。 根据热力系统最优化理论和对 I G C C系统结构的 全面分析， 得到该系统超结构中真正 的 独立变量为2 5 个。 选取独立变量有多种可能， 其选取直接影响系统优化分析、 计算的速 度和求解过程的难易程度。 我们根据选定的系统优化目 标、 I G C C系统
10、特点、 影响I G C C系 统性能因素， 对系统及其独立变量进行可行性分析，另外从计算方便性、准确性等方面考 虑，我们选取了几组独立变量进行计算， 下面是其中比 较有代表性的一组独立变量: Xa = ( x 1 , x 2 , x 3 ， 二 ， x 2 5 ) = ( X a s , X g n , T 3 , a , s s , P s h O , T s h O , P s h b , T s r O , P s I O , P s l b , P d , D T p h , D T p m , D T p I , ( 1 ) D T a h , D T a m , D T a 1 ,
11、 X h e h 4 , X h e h 3 , X h s r 2 , ) h e m 4 , X h s m 2 , X l h s l 3 , X U 2 ) 其中:X a s , X g n , T 3 , a , s s 为整体空分系 数、 氮气回 注系数、 透平 初温、 压气机进口 导 叶安装 角 、透 平 喷嘴 面积 改变 系 数 ;将 该 5个 独 立 变 量记 为 X2 1 , P s h O , T s h O , P s h b , T s r O , P s I O , P s l b , P d 分别 是H R S G出口 高 压过热蒸汽 压力、 温度， 高 压透平
12、出口 蒸汽压力， 再热蒸汽热端温度， H R S G出口 低压过热蒸汽压力，背压，除氧器工作压 力; D T p D T p n ; D T p I , D T a h D T a m , D T a f 分 别 是 高 中 低 压 蒸 发 器的 节点 温 差、 接 近 点 温 差， 将 该 1 3个独立变量记为X U ;而X h e h 4 , X h e h 3 , X h s r 2 , X h e m 4 , X h s m 2 , X h s 1 3 , X h s 1 2 是 H R S G内 部的 换热器吸热 分配系 数， 记为X 2 3 ， 那么X 2 = ( X z y X
13、u , X 动。 则 优化目 标n f- c ( 刀 的 表达式为: r j I G C C ( X) 二 ( W s t ( X) 十 邢 字( X ) ) x ( 1 一 ， e l ) I ( H u 中 G d ) = ( X a s , X g n , T 3 , a , s s , P s h 0 , T s h 0 , P s h b , T r s 0 , P s i 0 , P s ib , P d , D T p h , D T P m , D T p 1 , ( 2 ) D T a h , D T a m , D T a 1 , X h e h 4 , Ahe h 3 ,
14、 X h s r 2 , X h e m 4 , X h s m 2 , X h s 1 3 , X h s l 2 ) = F w ( Xa , Xa a , X. ) 其中:X是 独立 变量的 集合;W V ( X ) 代 表一定条 件下 燃气轮 机的 发电 功率，rp t 代表 电 厂总用电 率，H, G d 代表煤气的 低位热值和总湿煤耗量。 I I - 5 7 3 .2 优化模型求解 系统综合优化计算是在模块化建模的基础上展开。即根据已有的模块模型库 ( 单元模 型库和工质热物性程序库等) ， 在充分考虑在热力学和工程上的具体要求和约束情况下， 通 过一定手段组合， 从而构造出能包容
15、不同I G C C技术可能有的各种系统流程和包容影响流 程综合优化的所有关键因素的合理变化区域的超结构模型。然后，荃于流程超结构、用网 络联接方程表达模块间输入输出 变量间的数量关系，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。优化计算是在满足规定的条件下，针对某优化目 标对超结构 进行流程和参数优化。图3 为I G C C系统优化计算模块流程框图。 4 实例研究 采用T e x a c o 气化工艺组成的4 0 0 MW级I G C C方案为实例进行系统综合分析与优化研 究。系统主要组成为:
16、喷流床气化炉，水煤浆供煤， 9% 纯度的氧化剂气化:成熟的低温 湿法净化技术; 深冷气氧气氮压缩空分工艺; F A型燃气轮机; 双压再热的蒸汽底循环系统 ( 原方案) 。 对于I G C C系统， 其优化设计必须满足一定的热力学和工程上的约束限 制: 燃气轮 机最 大 功 率W g t m ,x - 2 7 5 M W; 压 气 机最小 喘 振 裕 度X C H Z M .i= 9 .5 % : 节 点 温差 均 取1 1 、 接 近点 温差为1 0 0C ; 余热锅炉排烟温度T g 1 1 3 9 0 C ; 汽轮机 末级燕 汽干 度X S L B -0 .8 6 等。 1 ) 在由 选定的 气化炉、 空分系统 及燃气轮机组成的I G C C燃气侧子 系统 方案中， 整 体空 分系 数X a s 和氮气回 注系 数X P是影响 系统性能的 关键因 素。 X a s 决定了 空 分系统从燃气轮
