IGCC空氣分離系統對廠用電耗率的影響

陳超 河北電力勘測設計研究院，河北省石家莊市，050031

IGCC空氣分離系統對廠用電耗率的影響

陳超 河北電力勘測設計研究院，河北省石家莊市，050031

整體煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環(IGCC)電站中的空氣分離系統方案的選擇十分重要,要考慮到其對IGCC電站廠用電耗率、燃氣輪機的做功能力、燃氣輪機的NOx控制系統以及整體電站的調節靈活性的影響。本文主要介紹了在整體煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環(IGCC)方案中常選用的三種空氣分離系統，并對這三種空氣系統在IGCC的廠用電耗率方面進行了比較，同時提出了自己的一些改進的措施。

GCC;空分系統;廠用電耗率;燃氣輪機

IGCC; Air Separation System; Power Efficiency Cost;Gas Turbine

引言

眾所周知：在以氧氣為汽化劑的IGCC電站中，必須設置“空氣分離系統”——簡稱為“空分系統”，目的在于為煤的氣化爐提供所需的汽化劑——氧氣[1]。目前，在IGCC電站中采用的制氧空分系統有以下三種方案，即：獨立的空分系統、部分整體化空分系統、完全整體化空分系統。在實際生產中這三種空分系統對于1GCC電站的廠用電耗率有很大的影響。[2-3]本文中將對其影響關系進行分析。

1 空分系統分類及定義

“獨立的空分系統”是指：制氧空分所需的壓縮空氣完全是由一臺專門設置的空分壓縮機供給的，空氣全部從大氣環境中抽取，經過該空分壓縮機的增壓和冷卻后，供到按深凍原理工作的空分系統中去制取氧氣和氮氣。當空分壓縮機提供的壓縮空氣之壓力為0.6MPa左右時，空分后獲得的氧氣和氮氣的壓力大約為0.105MPa左右，這種空分系統稱為低壓的空分系統。當空分壓縮機的壓縮比與燃氣輪機中壓氣機的壓縮比相當，而接近于12～16時，空分后獲得的氧氣和氮氣壓力大約為0.6MPa左右，這種空分系統則稱為高壓空分系統。為了充分利用空分所得的氮氣的壓力能。在高壓空分系統中獲得的氮氣經增壓后．一般都回注到燃氣輪機中去參與循環做功過程。由低壓空分系統中獲得的氮氣則一般并不回注燃氣輪機，否則回注氮氣所需耗費的壓縮功將會非常大，并且不經濟。

“完全整體化的空分系統”是指；空分系統所需要的壓縮空氣全部是從燃氣輪機的壓氣機中抽取的。IGCC電站中不再設置專門的空分壓縮機單獨向空分系統供應壓縮空氣。由于現代燃氣輪機的壓縮比都比較高，因而完全整體化的空分系統一定是高壓的空分系統。空分后獲得的壓力為0.6MPa左右的氮氣，再經增壓后，將回注到燃氣輪機中去參與循環。

“部分整體化空分系統”是指：在IGCC電站中仍然裝有一臺專門設置的空分壓縮機，該壓縮機既可以是低壓縮比 (壓縮空氣的壓力為0.6MPa左右) 的，也可以是高壓縮比 (壓縮空氣的壓力大約為1.2～1.6MPa)的。不過，由該壓縮機供給空分系統的壓縮空氣之質量流率，不再像“獨立空分系統”那樣是所需空分空氣質量流率的100%，而是減少為所需空分空氣質量流率的30%～70%。空分系統所缺的那部分空氣質量流率(即所需空分空氣質量流率的70%～30%)由燃氣輪機的壓氣機來補給。由燃氣輪機的壓氣機向空分系統補給的空氣質量流率的百分數(70%～30%)則稱為“部分整體化空分系統”的“部分整體化率”。當“部分整體化空分系統”中采用了低壓縮比的空分壓縮機時，空分所得的氮氣壓力很低(大約為0.105MPa左右)，一般不再把氮氣進一步增壓回注燃氣輪機系統。反之，當空分系統采用高壓縮比的空分壓縮機時，空分所得的壓力較高的氮氣，通常宜再增壓后回注到燃氣輪機中去，參與燃氣輪機的循環過程。[4-7]

2 IGCC的廠用電耗率與空分系統方案的關系

通過表1當中數據我們可以看出：

表1 不同空分系統方案與廠用電耗率關系表

Cool W ater電站采用了較為老式的獨立分壓的空分系統，空分壓縮機的效率不高，在低壓氮氣體不通過增壓回注的前提下，廠用電效率為20%。W abash River電站中也采用了獨立分壓的空分系統，低壓的氮氣體不通過增壓回注燃氣輪機，但由于采用了三級中間冷卻式離心式空壓機使得空分系統的電耗率大幅度地減少，因而降低了廠用電耗率。Tam pa電站中把空分后獲得的氮氣在增壓后回注燃氣輪機，但選用的獨立空分系統是高壓的因而空壓機的耗功較多，再加上對空分之后的氧氣和氮氣的再增壓，使得廠用電耗率高達21.19%。

在部分整體化空分系統中，由于空分系統所需的35%～51%的空氣是來自效率較高的燃氣輪機壓氣機中抽取的，其余部分的空氣量則是由一臺專設的可以采取中間冷卻的離心式空壓機來提供。所以使得空分系統的耗功率會大幅度地下降。考慮到空分后所獲得的氮氣之回注要求，因而專設的離心式空壓機多采用高壓的。即使如此，相對于高壓的氮氣要回注的獨立空分系統來說，其全廠的廠用電耗率可以降低到12%～13%的水平。顯然，部分整體化率越高，廠用電耗率有可能減少得越多。

當選用完全整體化的空分系統時，由于空分所需的空氣全部從燃氣輪機的壓氣機中抽取(其壓縮效率雖然比較高，但級間的空氣無法中間冷卻——即壓縮耗功量仍然相當大)，總的來說．是可以減少廠用電耗率的。目前在氮氣回注的前提下，可以把完全整體化空分的IGCC電站的廠用電耗率控制在10%～l1%左右。[8-9]

綜上所述，IGCC電站的空分系統方案的選擇對于廠用電耗率是有較大影響的，所以應慎重選取。在選擇空分系統的時候應充分考慮到其調節性能。盡管完全整體化空分系統方案的廠用電耗率最低，目前大多數IGCC電站并不建議采用，原因在于它的可調節特性差。

3 改進措施

在IGCC電站中空分系統通過空分壓縮機的增壓和冷卻分離氮氣和氧氣，但是采用這種空分方法的廠用電耗率較高。同種工作條件和要求下，液氧泵所消耗的功率較氧壓機所消耗的功率小。如果在空氣分離流程中加入液氧泵，利用液氧泵將主冷凝器中的液氧抽出和加壓達到所需要的壓力，代替大型增壓設備，這樣將會減少IGCC電站當中的廠用電量，從而達到降低廠用電耗率的效果。[10]

4 結束語

目前空分設備仍然是一種高能耗的設備，有人提出變壓吸附法、薄膜滲透法，希望能夠取代空壓分離技術。但由于這兩種方法尚處于起步階段，無法滿足IGCC電站的大型化，因而在IGCC電站這一領域沒有得到使用。

隨著科學技術的發展，不久的將來一定會出現更加經濟有效易大型化的空氣分離技術。這無疑將減少IGCC電站的投資，降低廠用電量耗率，提高其經濟性，為這一新興產業注入新的活力。

[1]焦樹建. 整體煤氣化燃氣-蒸汽聯合循環.北京：中國電力出版社.1996

[2]焦樹建. 論IGCC的空分系統. 燃氣輪機技術. 1998,11(4)

[3]鐘智輝,劉豫龍,葉永松. 常規火電與IGCC經濟性比較. 華中電力.2002,4(15)

[4]李文波,毛鵬生. 空氣分離技術發展. 石化技術. 2003,7(3)

[5]閻維平. 潔凈煤發電技術.北京: 中國電力出版社. 2002

[6]鄧世敏,段立強. IGCC中空分系統特性及其對整體性能影響. 工程熱物理學報.2003,2(24)

[7]譙中惠. 富氧技術的現狀及進展. 四川化工與腐蝕控制.1998,1(1)

[8]Walter F.Castle. 大型空氣分離系統：低溫法、PSA法及膜法. 深冷技術. 1998,4

[9]倪立君. 空氣分離過程中的幾項有效應用技術. 上海化工.第23卷

[10]孫韜,傅貽城,周海欽. 空壓機的不穩定工況及對空分設備的影響. 深冷技術.

1997,5

The Impact of IGCC Air Separation system at the Aspect of Pow er Efficiency Cost

Chen Chao Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031, China

It’s important for IGCC to select the scheme of air separation system. It needs to consider the impacts,which come from the power efficiency cost, the capacity of work of gas turbine, the operation system of NOx of gas turbine and the adjustable adaptability of IGCC. The article mainly introduce three kinds of air separation systems which are useful to IGCC, comparing them at the aspect of power efficiency cost and bring forward the reformative measure of mine.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.002

陳超（1 9 8 1-），男，2 0 0 7年畢業于華北電力大學能源與動力工程學院，碩士研究生，工程師，主要從事：火力發電廠除灰渣系統設計。