（工程热物理专业论文）新型igccsofc混合动力系统集成与优化研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文应用a s p e np l u s 软件和c + + 软件对整体煤气化联合循环系统( i g c c ) 系统 进行模拟，分析了整体空分系数、主蒸汽压力等参数对系统性能的影响，绘制了i g c c 系统性能随主要参数变化的特性曲线；同时把固体氧化物燃料电池系统( s o f c ) 集成 到i g c c 系统中，对整个联合循环系统的变工况特性进行分析。结果表明随着整体空分 系数的增加，系统的净输出功减少，整个系统的效率提高；余热锅炉主蒸汽压力存在一 个合理的范围，再热压力和低压蒸汽压力在在主蒸汽压力一定时存在最佳压力。同时集 成s o f c 系统的新的联合循环系统的性能得到了明显的提高。本文研究成果为进一步设 计和优化i g c c 系统提供有益的指导。 关键词：i g c c ，s o f c ，a s p e np l u s ，模拟，参数优化 a b s t r a ( 了i t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sa n ds i m u l a t e st h ei g c c ( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e d c y c l e ) s y s t e mu s i n gt h es o f t w a r eo fa s p e np l u sa n dc + + i ta n a l y s e dt h em a i np a r a m e t e r s w h i c h g r e a t l y a f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o fi g c c s y s t e m ，s u c h a s a s u - i n t e g r a t e d c o e f f i c i e n t ，m a i ns t e a mp r e s s u r e ，a n dd r a w e dt h ec h a r a c t e r i s t i cc a l v e so ft h ei g c cs y s t e m w h i c hc h a n g e dw i t ht h em a i np a r a m e t e r o nt h eb a s eo fi n t e g r a t e ds o f c ( s o i d eo x y g e nf u e l c e l l ) t oi g c cs y s t e m ，i ta n a l y s e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e wi n t e g r a t e ds y s t e m t h e r e s u l t ss h o w e dt h en e t w o r kd e c r e a s i n ga n dt h ee f f i c i e n c yo ft h eo v e r a l ls y s t e mi n c r e a s i n g w i t ht h ei n c r e a s eo fa s u i n t e g r a t e dc o d f f i c i e n t i ta l s os h o w e dt h a tt h em a i ns t e a mp r e s s u r eo f h r s gh a sar e a s o n a b l el i m i t ，a n dt h er e h e a ts t e a mp r e s s u r ea n dl o ws t e a mp r e s s u r eh a v ea o p t i m a lp o i n tw h e n t h em a i ns t e a mp r e s s u r ei sc e r t a i n t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws y s t e mi s g r e a t l yi m p r o v e da f t e rt h ei n t e g r a t i o no fs o f cs y s t e m t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h i sp a p e r w i l lp r o i d ev a l u a b l eg i d ef o rf u r t h e rs t u d yo nt h ed e s i g na n do p t i m i z z t i o no fi g c cs y s t e m w i t hh i 【g he f f i c i e n c y w a n gx u ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o ly a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：i g c c ， s o f c ，a s p e np l u s ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文应用a s p e np l u s 软件和c + + 软件对整体煤气化联合循环系统( i g c c ) 系统 进行模拟，分析了整体空分系数、主蒸汽压力等参数对系统性能的影响，绘制了i g c c 系统性能随主要参数变化的特性曲线；同时把固体氧化物燃料电池系统( s o f c ) 集成 到i g c c 系统中，对整个联合循环系统的变工况特性进行分析。结果表明随着整体空分 系数的增加，系统的净输出功减少，整个系统的效率提高；余热锅炉主蒸汽压力存在一 个合理的范围，再热压力和低压蒸汽压力在在主蒸汽压力一定时存在最佳压力。同时集 成s o f c 系统的新的联合循环系统的性能得到了明显的提高。本文研究成果为进一步设 计和优化i g c c 系统提供有益的指导。 关键词：i g c c ，s o f c ，a s p e np l u s ，模拟，参数优化 a b s t r a ( 了i t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sa n ds i m u l a t e st h ei g c c ( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e d c y c l e ) s y s t e mu s i n gt h es o f t w a r eo fa s p e np l u sa n dc + + i ta n a l y s e dt h em a i np a r a m e t e r s w h i c h g r e a t l y a f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o fi g c c s y s t e m ，s u c h a s a s u - i n t e g r a t e d c o e f f i c i e n t ，m a i ns t e a mp r e s s u r e ，a n dd r a w e dt h ec h a r a c t e r i s t i cc a l v e so ft h ei g c cs y s t e m w h i c hc h a n g e dw i t ht h em a i np a r a m e t e r o nt h eb a s eo fi n t e g r a t e ds o f c ( s o i d eo x y g e nf u e l c e l l ) t oi g c cs y s t e m ，i ta n a l y s e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e wi n t e g r a t e ds y s t e m t h e r e s u l t ss h o w e dt h en e t w o r kd e c r e a s i n ga n dt h ee f f i c i e n c yo ft h eo v e r a l ls y s t e mi n c r e a s i n g w i t ht h ei n c r e a s eo fa s u i n t e g r a t e dc o d f f i c i e n t i ta l s os h o w e dt h a tt h em a i ns t e a mp r e s s u r eo f h r s gh a sar e a s o n a b l el i m i t ，a n dt h er e h e a ts t e a mp r e s s u r ea n dl o ws t e a mp r e s s u r eh a v ea o p t i m a lp o i n tw h e n t h em a i ns t e a mp r e s s u r ei sc e r t a i n t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws y s t e mi s g r e a t l yi m p r o v e da f t e rt h ei n t e g r a t i o no fs o f cs y s t e m t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h i sp a p e r w i l lp r o i d ev a l u a b l eg i d ef o rf u r t h e rs t u d yo nt h ed e s i g na n do p t i m i z z t i o no fi g c cs y s t e m w i t hh i 【g he f f i c i e n c y w a n gx u ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o ly a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：i g c c ， s o f c ，a s p e np l u s ，s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型i g c c - - s o f c 混合动 力系统集成与优化研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ，1 一 学位论文作者签名：业 日期：2 翌! ! 三! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：巡 日期：里星：里查! 坚 导师签名： 日 期： 脚 矿g 上l ， 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言弟一早jii 1 1 整体煤气化联合循环的概念及特点 进入2 l 世纪，许多国家都面临着电力需求持续增长、环保法规日益严格、资 源越来越趋短缺的严峻挑战。各国都在积极寻求高效率、低污染的发电系统与方式， 以适应资源、环境和经济协调持续发展的需求，2 0 世纪7 0 年代的石油危机对全世 界的能源和电力市场产生了重大的影响，人们对煤炭的重要性又有了新的认识。全 球煤炭资源占化石燃料的7 0 以上，煤炭发电势必成为一种主要的和长远的发电方 式，因而开发和利用洁净煤发电技术己经成为共识，包括整体煤气化联合循环( i g c c ) 增压流化床燃煤联合循环( p f b c c c ) 等新型洁净煤发电技术得到了很大关注与发 展，呈现出广阔的发展前景。从大型化和商业化发展来看，近期各国开发研究的重 点主要放在i g c c 上，投入人力物力最多、已建和在建的示范项目也占多数，越来 越多的实践证明：i g c c 是最有发展前景的洁净煤发电技术。 整体煤气化联合循环( i g c c - - i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 发电技 术是将煤气化技术和高效的联合循环有机结合的先进动力系统。它由两大部分组 成，即煤的气化与煤气净化部分和燃气一蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要 设备有气化炉、空分装置、煤气净化系统；第二部分的主要设备有燃气轮机发电系 统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。典型的i g c c 发电系统如图1 1 ，i g c c 的工 艺过程如下：煤经过气化成为中低热值煤气，再经过净化，除去煤气中的硫化物、 氮化物、粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧， 加热气体工质以驱动燃气透平做功，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。 i g c c 联合循环动力岛较常规的联合循环系统工质和能量交换与转换利用更为 复杂。从i g c c 系统集成来分析： ( 1 ) i g c c 系统中联合循环多选用以燃气轮机为主的余热锅炉型联合循环，燃气 轮机性能特性对i g c c 系统性能影响最为显著。 ( 2 ) 根据空分系统在整个系统中的整合程度，空分系统所需的高压空气可以部分 或者全部从燃气轮机压气机抽取。当整体空分程度提高时，高效的压气机代替空分 压缩机提供空分的比例增大，有利于改善系统效率，但也增加了系统运行的复杂性。 空分系统与总系统的整合程度对系统效率的影响是复杂的。主要取决于空分系统特 性及其与其他的系统关联规律。 ( 3 ) 当空分系统采用高压流程时，产生的氮气具有较高的压能，为了合理利用这 华北电力大学硕士学位论文 部分能量，在i g c c 联合循环系统中把它增压并用蒸汽饱和后回注到燃气轮机燃烧 室，既能减少烟气中n o x 的含量又可以增加出功。 ( 4 ) 余热锅炉中产生饱和水，供到气化炉在废锅中吸收高温煤气的显热，产生高 温高压的饱和蒸汽回到余热锅炉中过热后到蒸汽轮机做功，同时，余热锅炉还产生 蒸汽和热水用来饱和煤气和氮气以及满足气化炉和煤气净化系统的需求等。 图1 1 典型i g c c 系统流程示意图 至今，从世界范围看i g c c 技术的发展经历了概念性验证阶段和商业示范阶段， 正在走向商业化应用。与此同时各国学者和工业界都尝试着在i g c c 中应用更加先 进的技术和设备优化其流程参数，从而进一步提高其热力性能，降低排放，减少投 资。i g c c 系统具有以下优点： ( 1 ) 高效率，且具有提高效率的最大潜力。i g c c 的高效率主要来自联合循环，燃 气轮机技术的不断发展又使它具有了提高系统效率的最大潜力。现在，燃用 天然气或油的联合循环发电系统净效率已达到5 8 ，由它组成的i g c c 系统 效率可达4 5 左右：随着燃气初温的进一步提高，i g c c 的净效率能达到5 0 或更高。 ( 2 ) 煤洁净转化与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能。先将煤转化为煤气， 净化后再燃烧，克服了由于煤的直接燃烧造成的环境污染问题，同时也解决 2 华北电力大学硕士学位论文 了内燃式的燃气轮机难以直接燃烧固体燃料的问题，其n o x 、和s 0 2 的排放 远低于环境污染排放标准，脱硫率 - - 9 8 ，除氮率可达9 0 。废物处理量少， 副产品还可销售利用，能更好地适应本世纪火电发展的需要j ( 3 ) 耗水量少，比常规汽轮机电站少3 0 5 0 ，这使它更有利于在水资源紧缺的地 区发挥优势，也适于矿区建设坑口电站。 ( 4 ) 易大型化，单机功率可达到3 0 0 m w 6 0 0 m w 以上。 ( 5 ) 能够利用多种先进技术使之不断完善。i g c c 是一个由多种技术集成的系 统，煤的气化、净化技术、燃气轮机技术以及汽轮机技术等的发展都为它的 发展提供了强有力的支撑。 ( 6 ) 能充分综合利用煤炭资源，适用煤种广，能和煤化工结合成多联产系统，能 同时生产电、热、燃料气和化工产品。 ( 7 ) 便于与生产甲醇、醋酸、合成氨、尿素等化工过程相结合，使煤得以充分综 合利用，有利于降低生产成本。 ( 8 ) 能广泛共享相关科技成果，有广阔的高新科技产业发展前景：亚临界或超临界 蒸汽参数的i g c c ，整体煤气化湿空气透平循环( i g h a t ) 整体煤气化燃料电池 联合循环( i g f c c c ) 等t h j 。 1 2 发展动态及国内外研究现状 1 2 1lg c c 的发展动态 自从世界上第一座i g c c 电站产生以来经过三十几年的发展i g c c 已跨过原理 概念性开拓验证阶段，进入商业示范验证阶段，在走向商业化应用的同时，许多学 者正在研究构思新一代i g c c 的框架和技术突破口。 1 2 1 1 原理概念性验证阶段 这个阶段的主要目的是通过建立各种试验电站向世人展示煤气化转化技术和 高效联合循环热力系统相结合的i g c c 作为一种新型的洁净煤发电技术不仅理论上 可行，而且能够安全、可靠运行，真正“洁净 ，解决常规燃煤电站所固有的污染 问题，并且有可能大型化商业应用。 世界上第一座i g c c 装置是1 9 7 2 年在德国l i i n e n 市的k e l l e 珊a n l lj 电厂，容量 为1 7 0 m w ，采用五台l u r g i 固定床气化炉，配s i e m e n s 公司v 9 3 型7 4 m w 功率燃 气轮机。1 9 7 2 年投入试验运行时曾遇到一系列问题，经过调试改进大多得到解决， 但由于气化岛的实际空气耗量比设计值大很多，导致装置出力和效率都低于设计 值，加之粗煤气中含有焦油和酚等有害物质极难处理，该电站完成原定全部试验内 3 华北电力大学硕士学位论文 容后被迫停运。尽管如此，它作为i g c c 的先驱开创了洁净煤发电技术新时代。 第一座i g c c 电站未能长期运行的主要原因是气化炉问题，因而如何经济有效 地将煤转化为煤气并从中除去有害物质成为i g c c 示范电站成败的一个关键。而世 界上真正试运成功的第一座i g c c 电站是建于美国加州d a g g e t t 的c o o lw a t e r ( 冷水l 电站，它采用了t e x a c o 喷流床气化技术，通过2 5 0 0 0 小时的运行考核，表现性能良 好、运行可靠，尤其是污染排放很小，被誉为“世界上最清洁的燃煤电站。 由此可知k e l l e r m a n 电厂为人们提供了一种将煤气化转化技术与燃气蒸汽联合 循环相结合的新思路，虽然它不是很成功的，但是它为后来建立i g c c 示范电站提 供了宝贵的经验，指出了努力的方向并使它尽快地成为现实。c o o lw a t e r 的成功证 明了这种新型发电技术是可行的，一是它相当彻底地解决了污染问题；二是它高的 运行可用率和负荷因素证明它有可能大型化商业应用，是实用的洁净煤发电方式。 但这一时期的i g c c 试验电站也存在一些明显问题，如供电效率低，比投资费用和 发电成本高以及整个系统未进行优化综合等。 1 2 1 2 逐步走向商业化的商业示范验证阶段 自c o o lw a t e r 电站成功运行后，为了克服在原理性验证阶段i g c c 呈现的种种 缺陷，突破制约i g c c 商业化发展的瓶颈，美国、英国、日本、荷兰、德国、印度 等国纷纷建立了i g c c 示范电站，其中最受关注的是美国c c t 计划中的w a b a s h r i v e rt a m p a 和p i n o np i n e 电站和欧洲西班牙的p u e r t o l l a n o 电站，以及荷兰的 b u g g e n u m 电站等i g c c 示范工程。人们在通过不同的途径来寻求i g c c 的关键技术 的突破和整个系统性能的提高，这一批示范电站( 第二代i g c c ) 一方面通过提高 子系统的性能和系统综合优化的方法来改进整个系统性能，提高供电效率；另一方 面还通过大型化和简化系统等手段来降低发电成本，提高其经济性。 1 2 1 3 商业化阶段 随着先进透平系统( a t s ) 计划的完成和气化、净化等方面的技术进步，建造成本 逐渐降低，i g c c 技术应用会越来越广泛。i g c c 电站会逐步发展到商业化阶段。 1 2 2s o f c 的发展动态 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 是继磷酸盐型燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料 电池( m c f c ) 之后的第三代燃料电池，其研究起步较晚，以1 8 9 9 年n e r n s t 发明了固 体氧化物电解质而宣告开始，1 9 3 7 年b a u r 和p r e i s 5 】制造了第一个在1 0 0 0 c 下运行的 陶瓷燃料电池。1 9 6 2 年美国的w e i s s b a r tj 并l r u k a 6 】首次用甲烷作燃料，为s o f c 的发 展奠定了基础。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代出现了石油危机后，世界各国都想寻求一种新的能源来代替石油。 这给s o f c 的研究创造了蓬勃发展的机会。此后，对s o f c 的研究开发速度加快，估 计本世纪二三十年代就会实现商业化的应用。1 9 8 6 年，4 0 0 w 管式s o f c 电池组在田纳 西洲运行成功。1 9 8 9 年又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3 k w 级列管式s o f c 发电机组，成功连续运行长达5 0 0 0 h ，这标志着s o f c 研究从实验室规模向商业化发展 又迈近了一步1 7 j 。我国从2 0 世纪6 0 年代中期开始了燃料电池的研究，但s o f c 研究工 作尚处于起步阶段，研究工作主要集中在有关s o f c 构件材料方面，并取得了一些 研究成果和专利，而日、美、德等国已有3 0 多年的开发史【引。 新加坡的蒋三平【9 j 等认为在中温固体氧化物燃料电池( i t s o f c ) 中，可用为阳 极。在高温固体氧化物燃料电池( h t s o f c ) 中，他们运用为阳极，将该材料制备成 纳米材料在1 1 5 0 和1 4 0 0 下进行烧结，在小于等于8 5 0 下有沉积现象。 中国科技大学的孟广耀【l o j 等对世界各国的燃料电池的发展进行调查研究，他们 认为目前制约s o f c 商业化的主要问题是高温时电解质层间的相互作用问题与电解 质膜的制备成本高。他们将过去以常规电解质为支撑改为现在的阴极为支撑，运用 掺杂镓酸镧( l s g m ) 为固体电解质，该电解质在1 5 0 0 。c 下培烧2 4 h 后，可以获得最高 的电导率。为降低操作温度和成本，他们采用了化学气相沉淀法( c d e v d 技术) 。 朱新坚1 1 1 墩授对我国当前的s o f c 的研究开发进行了简述。如掺杂的l a g a 0 3 纳 米y s z 锶掺杂的锰酸镧阴极及n i y s z 陶瓷阳极的制备与优化等。采用廉价的湿法工 艺，可在y s z + n i o 阳极基底上制备厚度仅为5 0 u m 的致密y s z 薄膜，8 0 0 用氢做燃 料时单电池的输出功率密度达n o 3 w c m 2 以上。 中国矿业大学的韩敏芳【1 2 j 等研究了纳米粉体粒度对y s z 电解质性能的影响。通 过运用x 射线衍射( x r d ) ，透射电子显微镜( t e m ) ，b e t 容量法测定固体的比表面积 和离心沉降等测试手段获得纳米粉体，其粒度在1 4 5 0 下开始烧结，5 0 n m 时在致密 性最好。 1 2 3 目的意义和国内外概况 当前，世界上大多数的能源动力系统是以碳基燃料为主的，由此引发的环境污 染问题，尤其是燃煤电站产生的大量c 0 2 排放造成的全球变暖问题日趋严重，越来 越受到各国学者的关注和重视。目前发展的洁净煤发电技术主要有整体煤气化联合 循环( i g c c ) ，增压流化床燃煤联合循环( p f b c c ) ，常压流化床燃煤联合循环 ( a f b c c ) 等，i g c c 系统作为最具有发展潜力的先进动力装置，由于它采用了燃气一 蒸汽联合循环，大大地提高了能源的综合利用率，实现了能的梯级利用，提高了整 个发电系统的效率，更重要的是它较好地解决了常规燃煤电站固有的污染环境问 5 华北电力大学硕士学位论文 题。在此基础上，将i g c c 系统与s o f c 系统进行集成，可以将为了减少包括c 0 2 等污染物排放而付出的效率代价降到最低，从而实现热力性能与环保性能的全面提 高【1 3 , 1 4 】。 二十多年来，依靠集成技术进展和综合，i g c c 技术发展迅速，系统净效率已 经提高到4 2 4 6 ，单机功率已达3 0 0 m w 等级，正在由商业性示范走向商业化应用 i ”j 。尽管i g c c 系统已经能够很好地控制硫化物( 如s 0 2 ) 和氮化物( n o x ) 的排 放，但对c 0 2 的排放控制多数还是局限于通过系统效率的提高来成比例地减少，并 没有大的突破，只有它彻底解决c 0 2 问题，才能成为真正洁净的电站。另外，随着 热力系统向大型化、复杂化方向的发展，以及热力系统与化工、环境等领域学科的 交叉，注重多因素综合、多环境融汇以及多学科交叉已经成为评价准则研究发展的 总趋势。因此，热力系统评价准则已由原来单一目标性能评价准则不断向多目标、 多因素综合性能评价准则方向发展。随着准零排放i g c c s o f c 混合系统的提出， 如何评价系统的综合性能也成为研究的重点，若仍采用传统的评价准则已很难满足 要求，需要采用新的评价准则才能更合理地进行i g c c s o f c 混合系统的评价。从 目前的研究来看，评价i g c c s o f c 混合系统性能多局限于单一目标性能评价( 如 采用热力学第一定律效率或第二定律效率评价热力性能) 上，而在实际情况中，评 价i g c c s o f c 混合系统性能的优劣，不能只是单纯追求系统热力性能的最优，往 往需要兼顾经济性，环保等性能，从而达到i g c c 系统综合性能最优。尤其目前 i g c c s o f c 混合系统中控制c 0 2 排放问题也已成为研究的热点。为此，必须探索 研究全面考虑热力性能、环保以及经济性的i g c c s o f c 混合系统综合性能的评价 准则【1 6 1 。 燃料电池具有环境友好、效率高等特点，其中，固体氧化物燃料电池( s o f c ) 是高温燃料电池电站的主流发展方向，其余热品质非常高，并可对天然气、煤气以 及生物质烃类气体等可再生能源通过重整制氢或直接利用：且具有良好的c 0 2 减排 性能，i g c c s o f c 混合系统是国际能源署推荐的最具发展前景的近零排放能量系统 之一。积极推动燃料电池技术的进步，可为提高我国的能源安全水平提供重要保障。 固体氧化物燃料电池是跨越材料、化学、热物理等多个学科门类的前沿技术， 在s o f c 的材料和电化学研究取得进展的同时，研究者认识到，流动和热质传递问 题同样是燃料电池技术进步所要解决的核心关键问题，其中包括：电堆连接板气体 流场的优化和电池堆气体分配管道的设计；电极的热、电、质多物理量场传递模型： 多孔介质材料内边界上存在电解反应的多组分气体双向扩散流动；电池电池堆的 温度管理和反应热的控制与输运；传质控制的浓差极化的改善；电池内部的热应力 场和应力分析等1 1 7 j 。 目前，对固体氧化物燃料电池中的流动和热质传递现象的研究还有大量的未知 6 华北电力大学硕士学位论文 规律有待深入探讨。从传热传质、流动和电化学以及材料学相结合的角度，对这些 问题进行深入系统的探讨，将进一步拓展传递现象相关学科的研究领域，并为推动 高温燃料电池技术的发展奠定理论基础。鉴于i g c c s o f c 混合系统在解决以煤作 为主要一次能源国家所面临的效率与环保的压力，美国在2 0 0 3 年提出了 “f u t u r e g e n 一的总统计划，投资l o 亿美元利用1 0 年的时间，建造一座实现包括 c 0 2 等污染物的准零排放的氢电多联产系统。中国也非常重视洁净煤技术的研究开 发，在国家8 6 3 计划、9 7 3 计划、攻关项目中把洁净煤技术作为资助的重点，中国 华能集团也率先提出了类似美国f u t u r e g e n “绿色煤电一计划，计划用1 5 年时间， 建造一座示范电站。这些示范电站的核心技术均为i g c c s o f c 混合系统。因此， 开展i g c c s o f c 混合系统的前瞻性基础研究具有重要的学术与应用价值1 1 8 】。 1 3 本文的主要研究内容 对i g c c 系统进行综合优化分析设计，以便获得流程和参数的最佳匹配，使系统 内的各种品位的能量按照“梯级利用的原则得到合理利用，从而提高整个i g c c 系统的性能，已成为一个重要的研究课题。对i g c c 系统的整体进行性能分析，深入 研究其设备性能和参数关系，找到全局的最优点，可以为i g c c 系统的设计和运行提 供理论依据和参考。本文总的研究目标是为了提高i g c c 的经济性、可用率、降低投 资费用和发电成本，使i g c c 走向商业化。 ( 1 ) 探讨联合循环系统综合优化思路。分析i g c c 燃气侧系统以及蒸汽侧系统 流程特点，并分别建立其流程超结构。并应用模块化建模新方法建立i g c c 系统各 典型单元模块模型以及系统模型为研究i g c c 系统特性奠定基础。 ( 2 ) 建立i g c c 系统综合优化分析模型。以c + + 编程软件和a s p e np l u s 模拟软 件为工具，选用美国通用电气公司p g 9 3 5 1 f a 型燃机，配置双压再热型余热锅炉， 高压空气分离系统等搭建基准态模型。选用不同的模块，构建i g c c 系统模型，对 大型i g c c 电站系统模拟研究，同时把模拟结果与g e 9 f a 燃气轮机的设计参数进行 比较分析。 ( 3 ) 对i g c c 系统内的几个主要参数进行优化研究，揭示i g c c 联合循环系统 综合优化的规律。研究了i g c c 系统内各个子系统的能量平衡关系。绘制整个i g c c 系统的效率和净输出功率随i g c c 系统独立变量( 整体化空分系数、余热锅炉主蒸汽 压力等) 变化的曲线，揭示了各主要独立变量对i g c c 系统性能影响的特性规律，为 进一步设计和优化i g c c 系统提出指导。 ( 4 ) 把高温的固体氧化物燃料电池系统( s o f c ) 集成到i g c c 系统中。构建 i g s o f c 模型，即把气化净化得到的净煤气全部送到s o f c 系统进行发电反应，应 7 华北电力大学硕士学位论文 用a s p e np l u s 软件对该系统进行模拟，得到的结果与i g c c 基准态模型的模拟结果 进行比较分析，同时对影响s o f c 的几个独立变量进行参数优化。构建i g c c s o f c 联合循环系统模型，即把气化净化得到的净煤气按不同的比例分配到i g c c 系统和 s o f c 系统，应用c + + 软件和a s p e np l u s 软件对不同的工况进行模拟和计算。通 过比较各组模拟结果，分析新型i g c c s o f c 联合循环系统热力性能与环保性能的 提高情况。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章i g c c s o f c 联合循环系统构成与建模的理论研究 2 1i g c c 循环系统的类型与构成 2 1 1i g c c 联合循环的概念与类型 i g c c 联合循环系统把化工系统和动力系统相结合，流程非常复杂，其联合循 环动力岛和煤气化净化系统以及空分制氧系统之间存在复杂的物质和能量交换，是 决定i g c c 系统性能的核心部分。清晰的认识i g c c 联合循环系统的流程特点和设备 性能是建立通用准确的系统模型的基础。为此，首先分析常规联合循环的概念和分 类特点，并在此基础上对i g c c 联合循环的类型和构成进行分析。 2 1 1 1 联合循环的概念和常规分类 联合循环是一种高效的热功转换的动力装置，它的优势在于对燃料释放的热能 实现高效的梯级利用。目前热机多采用简单循环，且多采用一种工质，由于所采用 的工质性质和金属材料耐温性等限制，只能局限于狭窄的温度区间内工作，热转功 的效率比较低。若将具有不同工作温度区间的热机循环联合起来，互为补充，即把 高温循环热机的排热作为低温循环的加热，就可以大大降低总的排放热损失，而提 高整体循环效率，这种联合装置就叫做联合循环。通常狭义理解的联合循环是指最 常用的燃气轮机和汽轮机串联在一起的联合循环，但广义的联合循环应该包括所有 可能的有效形式，例如以活塞式内燃机作为顶部与以燃气轮机作为底部的联合循 环，其退化形为底部循环不输出功，而只给循环项部提供压力的涡轮增压内燃机， 其应用也很普遍。目前，最为广泛采用、且获得最高实用热机效率的是燃气轮机与 汽轮机的联合循环，即以各种方式把布雷顿( b r a y t o n ) 循环和朗肯( r a n k i n e ) 循环结 合起来的燃气蒸汽联合循环，也就是通常理解的常规联合循环。它的基本流程是从 热力循环系统中能量转换利用的组织形式来分，常规的联合循环有五种基本类型方 案：无补燃的余热锅炉型联合循环、补燃的余热锅炉型联合循环、排气全燃型联合 循环、增压锅炉型联合循环以及给水加热型联合循环。表2 - 1 归纳着五种类型的联 合循环的主要特性，并加以比较。 联合循环是当今热能动力装置发展的一个主要方向，所以新的设想、新的方案 层出不穷，如注蒸汽燃气轮机循环( s t i g ) 、湿空气透平( h a t ) 循环、卡林那( k a l i n a ) 底循环的联合循环、氢氧联合循环、燃料电池联合循环、化学链燃烧( c l s a ) 的动 力循环、燃煤联合循环( c f c c ) 等【2 ，1 9 刎。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2i g c c 联合循环 至今，i g c c 系统多采用无补燃的余热锅炉型联合循环热力系统，这主要是由 于i g c c 中的燃气轮机的初温通常都比较高，因此燃气轮机的排烟温度比较高，完 全可以满足产生驱动汽轮机的高温高压蒸汽的需要。另外还由于：补燃的余热锅 炉型联合循环和排气全燃型联合循环都会使系统的整体效率下降。由于补燃燃料的 能量仅在蒸汽部分的循环中被利用，未实现能的梯级利用，致使随着补燃比的提高， 蒸燃功率比r s g = p s t p g t 值上升，导致了这种型式的联合循环的效率多低于无补燃 的余热锅炉型的效率。此外，补燃措施必然使系统和控制变得更加复杂。因此， 表2 - 1 五种常规联合循环特性得比较 余热锅炉型余热锅炉型 联合循环类型 排气全燃型增压锅炉型给水加热型 ( 无补燃的)( 补燃的) 燃气轮机为 燃气轮机为 汽轮机为汽轮机为 汽轮机为 系统集成特征 主；h r s g 为 主：h r s g主：h r s g主：h r s g主：h r s g 为两循环连为两循环连为两循环连为两循环连 两循环连接点 接点 接点接点接点 主要取决于主要取决于主要取决于 主要取决于燃燃气侧性能 蒸气侧性能蒸气侧性能 气侧性能参参数；蒸汽 参数；蒸汽两循环的性参数；蒸汽 系统性能参数特性数；蒸汽初参初参数受制初参数不受能参数都有初参数不受 数受制于燃气于燃气透平燃气透平排很大的影响燃气透平排 透平排气参数排气参数，气参数的制气参数的制 可提高一此约约 优质燃料 不同形式系 ( 补燃可用底循环可用主要燃用劣 燃料适应性 优质燃料统适应不同 稍差的燃劣质燃料质燃料 料) 燃料 取代锅炉风加热锅炉给 燃气轮机功能产功主设备产功主设备取代锅炉 送机送热风水 顶循环排热利顶循环排热 蒸汽轮机功能 产功主设备产功主设备产功主设备 用设备利用设备 整燃功率比 0 4 5 0 7 70 6 1 23 0 7 01 4 5 5 相对简单循环效率增长植 r ie c t lnc c r lr ic c - nic o - t l g t = 1 4 5 1 7 7g t = 1 6 2 2g t = 2 一5 g t = 1 - 2 燃气轮机可单燃气轮机可 燃气轮机和燃气轮机和燃气轮机和 运行特点 蒸汽轮机都蒸汽轮机都蒸汽轮机都 独运行单独运行 可单独运行可单独运行可单独运行 补燃的余热锅炉型联合循环多用于热电联产系统，它通过改变补燃比，灵活地调节 1 0 华北电力大学硕士学位论文 热电输出比例。而纯发电的i g c c 系统不采用补燃的余热锅炉型系统。而增压锅 炉型联合循环的特点是锅炉( 蒸汽发生器) 与燃气轮机的燃烧室合为一体，燃气轮机 的压气机取代了锅炉的送风机，燃气轮机和汽轮机都不能单独运行。运行机动性差， 而且其系统效率一般低于无补燃的余热锅炉型系统的相应值，因此，它多用于增压 流化床燃煤联合循环系统，而不用于i g c c 系统。对于给水加热型联合循环，由 于锅炉给水所需的加热量有限，使燃气轮机的容量比汽轮机的小得多，所以该联合 循环是以汽轮机为主的联合循环，联合循环系统性能主要取决于蒸汽侧循环参数， 适用于燃气轮机排气温度较低的情况。由于锅炉给水加热的温度不高，燃气轮机排 气热量利用的合理程度较差，使得联合循环的效率提高较少。因而新设计的高性能 燃气轮机组成的联合循环多不采用该类型联合循环方案，仅在用燃气轮机来改造和 扩建原有汽轮机电站时才会应用。而对热力性能要求很高的i g c c 系统也不采用这 种类型的联合循环。经过分析发现，对各种类型联合循环系统的分析也表明上述定 性分析是对的，因此无补燃的余热锅炉型联合循环最适合作i g c c 联合循环系统的 动力岛。 2 1 3i g c c 联合循环的特点 ( 一) 常规无补燃的余热锅炉型联合循环的特点 常规无补燃的余热锅炉型联合循环所有的热量都从循环的燃气轮机部分加入 的联合热力循环( 如图2 一l 所示) f 1 9 ，2 u ，该方案中燃气轮机的高温排气被引到装在 其后的余热锅炉中去加热给水、产生蒸汽，以驱动汽轮机做功。燃气侧和蒸汽侧两 循环的结合点是余热锅炉，故得名。由于输入循环的热量是在燃气侧的较高温度下 加入的，是一种以燃气轮机为主的联合循环，也是目前各种联合循环中效率最高、 使用最广的联合循环形式。在这种联合循环中汽轮机只是燃气轮机的余热利用设 备，汽轮机功率占的比例较小。显然，燃气侧参数对联合循环系统性能的影响较大， 而汽轮机功率和蒸汽参数将取决于燃气轮机的排气参数。一般，这种循环系统的汽 轮机与燃气轮机功率比r s g = p s t p g t 约为1 ：2 ( 0 4 5 - 0 7 7 ) ，联合循环效率对相应的 简单循环燃气轮机效率的效率比( = t 1 。c g t ) 比较大，为1 3 - 2 2 。若在燃气透平的 排气段设置旁通烟囱，汽轮机停机时燃气轮机可以单独运行：但由于在余热锅炉中 没有安装燃烧( 补燃) 设备，燃气轮机停机时汽轮机不能单独工作。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 无补燃的余热锅炉型联合循环 卜余热锅炉( h r s g ) ；2 一压气机：3 一燃烧室； 4 一透平；5 一负荷；6 一汽轮机；7 一凝汽器；g f 一加入的燃料 ( 二) i g c c 联合循环的特点 i g c c 是复杂的化工流程和动力流程的整合，作为i g c c 动力岛的联合循环系 统的输入燃料气由常规联合循环的天然气变成了热值更低的中低热值的合成气，同 时它和化工流程之间存在着能量和物质的交换，这种设备和流程之间的耦合关系使 i g c c 系统中的联合循环具备一些更多的特点【1 , 2 2 】： ( 1 ) 蒸汽发生系统为多热源。i g c c 蒸汽系统的热源除燃气透平排气余热外、还 有煤气冷却净化时的显热与潜热、空分系统空气冷却排热等。i g c c 蒸汽系统的热 力特性和流程参数优化与各热源参数、汽水系统及汽轮机参数等密切相关。例如， 通常气化炉和煤气废锅产生的高压蒸汽量约占总高压蒸汽量的一半以上，因此i g c c 中余热锅炉( h r s g ) 的省煤器和过热器的废热面积相对较大，而蒸发器受热面积相 对较小。水与水蒸汽的传质传热为多系统、多向、多方式。i g c c 中蒸汽循环是系 统中物质、流量交换的一个集中点，要考虑热煤气废锅产生的蒸汽汇合匹配优化和 其它系统余热回收综合等问题。 ( 2 ) i g c c 中联合循环的蒸燃功率比比常规联合循环要大。对同样型号的燃气较 机，组成的i g c c 中汽轮机的功率要比该燃气轮机组成的燃烧天然气或液体燃料的 常规联合循环的大。通常，在常规联合循环中蒸燃功率以( p s t p g t ) ，即汽轮机功率 与燃气轮机功率的比值约为1 ：2 ：但在i c c c 中由于气化和净化系统中利用煤气显热 而附加产生的蒸汽可供汽轮机作功，以及燃烧发热量较低的合成煤气，及氮气回注 1 2 华北电力大学硕士学位论文 等因素，流经余热锅炉的燃气流量( 与空分装置的整体化程度有关) 增多，可以产生 更多的蒸汽