CN215486282U - 一种适应快速调峰的igcc*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及整体煤气化联合循环***技术领域，公开了一种适应快速调峰的IGCC***，在整体化空分装置中加设压缩空气储罐，在压缩空气储罐上安装有压力检测计；在燃气轮机***中加设换热器，压气机尾部通过换热器与压缩空气储罐连接；压力检测计连接有控制单元，控制单元与压气机和空压机连接，根据压力检测计检测到的压力调整压气机尾部抽气量或者调整空压机的工作负荷。在空压机与压气机之间加装换热器加热合成气，减少压气机抽气与空压机压缩空气温度之间的差异，提升IGCC整体发电效率；在空压机与压气机之间加装压缩空气储罐，平滑由于调峰导致燃气轮机负荷频繁变动带来的抽气压力、流量频繁波动，从而保证整体化空分装置稳定运行。
Description
技术领域
本实用新型涉及整体煤气化联合循环***技术领域，特别涉及一种适应快速调峰的IGCC***。
背景技术
整体煤气化联合循环(IGCC)是指将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力***。IGCC主要***流程为煤在气化炉中与气化剂反应成为中低热值合成气，经过净化工艺，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机燃烧再加热气体工质驱动燃气轮机透平做功发电，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功发电。IGCC具有发电效率高、污染物排放低、燃烧前二氧化碳捕集成本低等优势。IGCC主要设备由空分装置、气化炉、合成气净化设备、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等组成。空分***制氧功耗占IGCC***总发电量的10％-20％，占厂用总电耗的70％-85％，是制约IGCC发电效率提升的关键因素之一。由于燃气轮机压气机效率高于空分装置中空压机效率，且燃气轮机进气量远大于空分装置进气量，因此可以从燃气轮机压气机尾部抽气进入空分***，减少空分装置空压机耗能，从而提高IGCC发电效率，这种空分装置，称之为整体化空分装置。一般而言，整体化率(即来自燃气轮机压气机尾部抽气的压缩空气占空分装置总进气量的比例)在50％-80％之间，IGCC全厂发电效率最高。目前，构建以可再生能源为主体的电力***，要求燃气轮机机组更加频繁的承担调峰调频任务。由于压气机压比、进气量随着燃气轮机负荷的不同而不同，从压气机尾部抽取的压缩空气流量、温度、压力也会发生相应的变化，由于该部分压缩空气占整体化空分装置总进气量的50％-80％，导致进入整体化空分装置入口原料气流量、温度、压力频繁波动，不利于空分装置稳定运行。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种适应快速调峰的IGCC***，解决了整体化空分装置入口原料气流量、温度、压力频繁波动，不利于空分装置稳定运行的问题。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种适应快速调峰的IGCC***，包括依次连接的整体化空分装置、煤气化及净化***、燃气轮机***、余热锅炉和汽轮机***；
整体化空分装置包括空压机，在整体化空分装置中加设压缩空气储罐，在压缩空气储罐上安装有压力检测计；
燃气轮机***包括压气机，在燃气轮机***中加设换热器，压气机的尾部通过换热器与压缩空气储罐连接；
压力检测计连接有控制单元，控制单元与压气机和空压机连接，用于根据压力检测计检测到的压力调整压气机尾部抽气量或者调整空压机的工作负荷。
进一步，压气机尾部抽气量占压气机进口空气流量的比例不超过15％。
进一步，整体化空分装置还包括空气冷却塔、空气吸附塔、膨胀机、精馏塔、液氮储罐和液氧储罐；
空压机、压缩空气储罐、空气冷却塔、空气吸附塔、膨胀机、精馏塔经管路依次连接，精馏塔分别与液氮储罐和液氧储罐连接。
进一步，在空压机上还设有减压装置。
进一步，空气吸附塔设有两个，均装设有用于吸附水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物的吸附剂，交替使用，其中一个用于吸附水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物时，另一个采用加热氮气反吹的方式对吸附剂进行再生。
进一步，煤气化及净化***包括依次连接的磨煤及输粉***、气化炉和合成气净化***，液氮储罐和磨煤及输粉***连接，液氧储罐和气化炉连接，合成气净化***与换热器连接。
进一步，燃气轮机***还包括燃烧室、透平和第一发电机，燃烧室的出口与透平连接，透平通过连接轴与压气机和第一发电机连接，换热器经加热器与燃烧室连接。
进一步，余热锅炉和汽轮机***包括余热锅炉、汽轮机、第二发电机、凝汽器、和给水泵，透平的排气口与余热锅炉的进气口连接，余热锅炉的蒸汽出口与汽轮机连接，汽轮机与第二发电机连接，汽轮机的乏汽出口经冷凝器与给水泵连接，给水泵与余热锅炉的进水口连接。
进一步，压缩空气储罐的压力保持在0.6MPa以上。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开了一种适应快速调峰的IGCC***，该***包括整体化空分装置、煤气化及净化***、燃气轮机***、余热锅炉和汽轮机***。本实用新型特点在于利用燃气轮机压气机尾部抽气作为整体化空分装置的部分原料来源，从而将常规空分装置的空压机改为较小负荷的空压机，可以降低空压机总负荷约13％～30％，可以降低空压机耗能，进而提高IGCC整体发电效率；同时，通过在整体化空分装置与燃气轮机压气机之间加装换热器加热合成气，可以减少燃气轮机压气机抽气与整体化空分装置空压机压缩空气温度之间的差异，提升IGCC整体发电效率；通过在整体化空分装置与燃气轮机压气机之间加装压缩空气储罐，可以平滑由于调峰导致燃气轮机负荷频繁变动带来的抽气压力、流量频繁波动，从而保证整体化空分装置稳定运行。
进一步，燃气轮机压气机主要功能还是为燃烧室提供压缩空气，抽气太多，会影响后续燃烧过程，影响后面燃气轮机排气进入余热锅炉的流量，导致余热锅炉蒸汽产量下降过多，影响后续汽轮机出力。为减少压气机抽气对于燃气轮机稳定运行的影响，控制压气机抽气占压气机进口空气流量的比例不超过15％。
附图说明
图1为采用整体化空分装置的整体煤气化联合循环***示意图；
图2为压缩空气储罐压力控制逻辑示意图；
图3为空压机负荷随燃气轮机负荷的变化趋势。
其中，11为空压机；12为压缩空气储罐；13为减压装置；14为空气冷却塔；15为空气吸附塔；16为膨胀机；17为精馏塔；18为液氮储罐；19为液氧储罐；21为磨煤及输粉***；22为气化炉；23为合成气净化***；31为压气机；32为燃烧室；33为透平；34为第一发电机；35为连接轴；41为余热锅炉；51为汽轮机；52为第二发电机；53为联轴器；54为凝汽器；55为给水泵；61为换热器；62为加热器；
101为空气；102为压气机尾部抽气；103为压气机排气；104为冷却的压缩空气；105为空压机排气；106为减压后的压缩空气；107为高温高压排气；108为透平排气；109为余热锅炉排气；111为高压氮气；112为高压氧气；201为煤；202为高压氮气输运的煤粉；203为渣；211为粗合成气；212为净化后的合成气；213为预热后的合成气；301为给水；302为过热蒸汽；303为乏汽；304为凝结水；305为低压蒸汽。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
如图1所示，本实用新型公开了一种适应快速调峰的IGCC***，包括依次连接的整体化空分装置、煤气化及净化***、燃气轮机***、余热锅炉和汽轮机***。
整体化空分装置包括依次连接的空压机11、压缩空气储罐12、减压装置13、空气冷却塔14、空气吸附塔15、膨胀机16和精馏塔17，精馏塔17分别与液氮储罐18和液氧储罐19连接。在整体化空分装置中加设压缩空气储罐12，在压缩空气储罐12上安装有压力检测计。
燃气轮机***包括依次连接的换热器61、加热器62、压气机31、燃烧室32、透平33和第一发电机34，透平33通过连接轴35与压气机31和第一发电机34连接。在燃气轮机***中加设换热器61，压气机31的尾部通过换热器61与压缩空气储罐12连接。
整体化空分装置工作流程如下，空压机11将空气101压缩为压力不高于1.1MPa，温度不高于120℃的压缩空气，压缩空气即空压机排气105进入压缩空气储罐12存储，同时压气机尾部抽气102经换热器61降温后成为冷却的压缩空气104，冷却的压缩空气104进入压缩空气储罐12存储，压缩空气储罐12设计压力不低于0.6MPa，如果还低于该压力时，提升空压机11负荷，增加空压机排气105的流量以满足压缩空气储罐12设计压力要求。
压缩空气储罐12出口接减压装置13，将压缩空气压力减至不高于0.6MPa输出，温度不高于100℃。减压后的压缩空气106进入空气冷却塔14冷却至10℃，然后进入空气吸附塔15脱除水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物，吸附后，CO2，H2O含量均不大于1ppm，乙炔含量不高于0.1ppm。
空气吸附塔15由两个一样的吸附塔组成，其中一个利用吸附剂吸附水蒸汽、氧化碳和碳氢化合物时，另外一个采用加热氮气反吹对吸附剂进行再生，两个塔交替使用以满足整体化空分装置连续稳定运行要求。
脱除水蒸汽，二氧化碳和碳氢化合物后的压缩空气进入膨胀机16进行绝热等熵膨胀对外做功，消耗空气本身的内能而冷却，冷却后温度为-172℃。冷却后的压缩空气进入精馏塔17精馏后分离为液氮、液氧，分别进入液氮储罐18和液氧储罐19储存。最终，高压氮气111和高压氧气112分别由液氮和液氧自液氮储罐18和液氧储罐19气化加压而来，进入IGCC其它***使用。整体化空分装置具体工艺要求出口氮气，氧气纯度不低于99％，压力不低于4.5MPa。
由于气流床气化炉22单炉容量大，可用率高，变负荷能力强，冷煤气效率和碳转化率较高，采用液态排渣，有利于环境保护和资源综合利用等优势，煤气化工艺优选气流床气化工艺。如图1所示，煤气化及净化***包括依次连接的磨煤及输粉***21、气化炉22和合成气净化***23，液氮储罐18和磨煤及输粉***21连接，液氧储罐19和气化炉22连接，合成气净化***23与换热器61连接。
煤气化及净化***工作流程如下，煤201进入磨煤及输粉***21将被研磨至细度R90小于0.2，再由自整体化空分装置来的高压氮气111输运进入气化炉22。在气化炉22中，由高压氮气输运的煤粉202与来自整体化空分装置的高压氧气112发生气化反应，生成以CO和H2为主要组分的高温粗合成气211，还产生H2S、NH3等杂质。煤粉202气化后产生的液态渣203从气化炉22下部排渣***排出。气化炉22产生的高温粗合成气211经合成气净化***23脱除飞灰及H2S，NH3等杂质，此时，合成气温度降为约130℃。净化后的合成气212经换热器61由自燃气轮机压气机31尾部抽取的高温高压空气102加热。由于燃气轮机压气机尾部抽气102流量、温度、压力均受燃气轮机负荷变动影响较大，导致换热器61出口合成气温度难以保持在一个较窄的范围，同时，为了进一步提升进入燃烧室32的合成气温度以提升进入燃气轮机透平33的燃气初温来提高燃气轮机效率，净化后的合成气212经换热器61加热后，仍需要经过加热器62进一步提高至约215℃。合成气在加热器62中被加热的热量来源于余热锅炉41的部分低压蒸汽305。预热后的合成气213最终进入燃烧室32。
如图1所示，燃气轮机***工作流程如下，经过滤的空气101进入压气机31被压缩，压气机31压比优选12，压气机31级数可以在15-17级之间，优选17级。
由表1可见，为保证任何负荷下，压气机尾部抽气102压力不低于0.6MPa，抽气位置宜选择在压气机31末级或倒数第二级，此时，压气机尾部抽气102温度远高于整体化空分装置空气冷却塔14所需进口压缩空气温度100℃，可以将压气机尾部抽气102经换热器61冷却后再进入压缩空气储罐12。在换热器61中，压气机尾部抽气102用来加热净化后的合成气212，交换的热量由净化后的合成气212回收带入燃烧室32直至透平33做功输出，以提升燃气轮机效率。在燃烧室32中，预热后的合成气213与来自压气机31的压气机排气103混合燃烧产生高温高压排气107，推动透平33叶片旋转经连接轴35输出机械功，第一发电机34将连接轴35输出的机械功转化为电能，透平排气108进入余热锅炉41。
表1
| 负荷 | 压比 | 出口温度(℃) |
| 30％ | 6.1 | 301 |
| 50％ | 6.8 | 317 |
| 75％ | 8.6 | 327 |
| 100％ | 11.6 | 331 |
如图1所示，余热锅炉41和汽轮机51***包括余热锅炉41、汽轮机51、第二发电机52、凝汽器54、和给水泵55，透平33的排气口与余热锅炉41的进气口连接，余热锅炉41的蒸汽出口与汽轮机51连接，汽轮机51与第二发电机52连接，汽轮机51的乏汽出口经冷凝器与给水泵55连接，给水泵55与余热锅炉41的进水口连接。
余热锅炉和汽轮机***工作流程如下：
余热锅炉41利用燃气轮机透平排气108加热给水301，成为过热蒸汽302，换热后的余热锅炉排气109进入大气。汽轮机51利用过热蒸汽302驱动叶片旋转，通过联轴器53带动第二发电机52转子旋转，首先将过热蒸汽302的热能转化为旋转机械能，最终通过电磁感应转化为电能输出。释放出热能的乏汽303由汽轮机51排出，在凝汽器54内部凝结成为冷凝水304，再由给水泵55加压输送至余热锅炉41完成蒸汽循环。
如图2所示，空气冷却塔14要求进口原料气压力不低于0.6MPa，所以要保持压缩空气储罐12压力稳定大于0.6MPa，当判断压缩空气储罐12压力小于0.625MPa时，先尝试提升燃气轮机压气机尾部抽气量，如若不行，再提升空压机11负荷来保持压缩空气储罐12压力稳定。空压机11的负荷曲线可按如图3所示随燃气轮机负荷调整以保持压缩空气储罐12压力不低于0.6MPa。
虽然IGCC用于快速调峰时负荷频繁波动，导致在传统(无压缩空气储罐12)整体化空分装置入口原料气流量、温度、压力频繁波动，但是采用压缩空气储罐12后可以保持整体化空分装置入口原料气流量、温度、压力基本稳定。
在快速提升或者降低燃气轮机负荷时，即燃气轮机负荷变化速率大于3％额定负荷/min时，由于整个整体化空分装置有大量的气体滞留，其负荷调整存在一定的滞后性，空压机11的负荷调整在按图3所示调整时需要预留一定提前量或者滞后量。
从图3可以看出，空压机11负荷与燃气轮机负荷不是1：1关系，比如，压气机31负荷60％，空压机11负荷才40％，也就是燃气轮机负荷调整与空压机11负荷调整不是比例关系，为了保证调节迅速，可以超调，即提前或者滞后。
Claims (9)
1.一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，包括依次连接的整体化空分装置、煤气化及净化***、燃气轮机***、余热锅炉和汽轮机***；
整体化空分装置包括空压机(11)，在整体化空分装置中加设压缩空气储罐(12)，在压缩空气储罐(12)上安装有压力检测计；
燃气轮机***包括压气机(31)，在燃气轮机***中加设换热器(61)，压气机(31)的尾部通过换热器(61)与压缩空气储罐(12)连接；
压力检测计连接有控制单元，控制单元与压气机(31)和空压机(11)连接，用于根据压力检测计检测到的压力调整压气机尾部抽气量或者调整空压机(11)的工作负荷。
2.根据权利要求1所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，压气机尾部抽气量占压气机(31)进口空气流量的比例不超过15％。
3.根据权利要求1所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，整体化空分装置还包括空气冷却塔(14)、空气吸附塔(15)、膨胀机(16)、精馏塔(17)、液氮储罐(18)和液氧储罐(19)；
空压机(11)、压缩空气储罐(12)、空气冷却塔(14)、空气吸附塔(15)、膨胀机(16)、精馏塔(17)经管路依次连接，精馏塔(17)分别与液氮储罐(18)和液氧储罐(19)连接。
4.根据权利要求3所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，在空压机(11)上设有减压装置(13)。
5.根据权利要求3所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，空气吸附塔(15)设有两个，均装设有用于吸附水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物的吸附剂，交替使用，其中一个用于吸附水蒸汽、二氧化碳和碳氢化合物时，另一个采用加热氮气反吹的方式对吸附剂进行再生。
6.根据权利要求3所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，煤气化及净化***包括依次连接的磨煤及输粉***(21)、气化炉(22)和合成气净化***(23)，液氮储罐(18)和磨煤及输粉***(21)连接，液氧储罐(19)和气化炉(22)连接，合成气净化***(23)与换热器(61)连接。
7.根据权利要求1所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，燃气轮机***还包括燃烧室(32)、透平(33)和第一发电机(34)，燃烧室(32)的出口与透平(33)连接，透平(33)通过连接轴(35)与压气机(31)和第一发电机(34)连接，换热器(61)经加热器(62)与燃烧室(32)连接。
8.根据权利要求1所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，余热锅炉和汽轮机***包括余热锅炉(41)、汽轮机(51)、第二发电机(52)、凝汽器(54)、和给水泵(55)，透平(33)的排气口与余热锅炉(41)的进气口连接，余热锅炉(41)的蒸汽出口与汽轮机(51)连接，汽轮机(51)与第二发电机(52)连接，汽轮机(51)的乏汽出口经冷凝器与给水泵(55)连接，给水泵(55)与余热锅炉(41)的进水口连接。
9.根据权利要求1所述的一种适应快速调峰的IGCC***，其特征在于，压缩空气储罐(12)的压力保持在0.6MPa以上。
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| CN113586257A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-02 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种适应快速调峰的igcc***及调节压力的方法 |
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| CN113586257B (zh) * | 2021-08-31 | 2024-02-02 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种适应快速调峰的igcc***及调节压力的方法 |
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