天津IGCC示范電站工程機組調峰運行能力分析

李偉 陳文福 王偉臣 劉衛平 張宇 張應田

（1天津電力調度通信中心，天津市，300010；2天津電力科學研究院，天津市，300384）

引言

全球氣候問題越來越引起人們的高度關注，以低能耗、低排放、低污染為特征的“低碳經濟”成為全球政治經濟博弈的熱點。我國電力供應主要以煤電為主，為降低煤煙型污染，大力發展燃煤技術是提高煤炭使用效率、減少污染、經濟可行的研究方向。IGCC發電技術既具有聯合循環的高效率，又解決了燃煤發電帶來的環境污染問題。

1 國內外發展現狀

1.1 國外發展現狀

198 4年美國Cool Water工程是世界上第1個正式運行成功的完整的IGCC電站，總容量為100 MW。1987年由DOC化學公司在美國路易斯安那州建成投運的LGT 1 IGCC示范電站，容量為160 MW。這2個示范電站的試運成功，使專家們堅信原煤經氣化、脫硫、凈化制成合成氣后，作為先進的燃氣蒸汽聯合循環發電中的潔凈燃料是一條可行的、高效節能、低污染的潔凈煤發電途徑。

目前，世界上已投入商業運行的250 MW以上的IGCC電站有美國的Wabash River(260 MW)和Tampa(250 MW)、荷蘭的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)等5座。

1.2 國內發展現狀

IGCC現已具備一定商業發電規模，擁有趨于成熟的工業化優勢，有望成為煤電的主要形式。為了適應“低碳環保”的需要，也為了我國提高煤電的發電效率，國家三部委于“八五”期間成立了IGCC專家小組，有計劃的安排IGCC研究課題，為IGCC技術設備的國產化打下基礎。

華能天津IGCC電廠是世界上第六座、國內第一座250 MW級的IGCC示范電站，它的投產，標志“綠色煤電”在中國正式起航！

2 工藝流程介紹

IGCC是把煤氣化和燃氣蒸汽聯合循環系統有機集成的一種潔凈煤發電技術。在IGCC系統中，煤碳經過氣化變成中低熱值煤氣，經凈化處理后，通過除掉煤氣所含有的硫化物、氮化物、粉塵等雜質，變成干凈的氣體燃料，送入燃氣輪機中，在燃燒室里進行燃燒，煤氣燃燒后驅動燃氣透平做功發電，利用高溫排氣在余熱鍋爐中產生的蒸汽驅動汽輪機做功發電。其原理圖如圖1所示。

3 華能天津IGCC機組變負荷能力分析

對于IGCC機組的變負荷能力，需要分析各裝置的變負荷能力。同時，IGCC發電機組在變負荷運行工況下，系統將會受到氣化裝置、空分裝置等設備安全穩定運行能力的限制。

圖1 IGCC原理示意圖

3.1 空分裝置變負荷情況分析

空分裝置采用安全低壓、透平膨脹、氮水遇冷、分子篩吸附、內壓縮（液氧）的工藝流程。華能天津IGCC項目空分裝置采用開封空分集團有限公司的46000Nm3/h空分設備，裝置的負荷可調整范圍在75%～105%之間。但在較低負荷運行時，由于大型空氣壓縮機電耗較高，極不經濟。對于空分裝置，在國內主要在化工裝置上，對空分裝置的變負荷要求只是匹配后續裝置出力即可，無變化率要求，且變負荷過程通過手動來完成。對于熟練操作工人，空分的變負荷能力一般為0.25%～0.5%。

3.2 氣化裝置變負荷情況

煤氣化裝置是以煤為原料，將煤轉化為合成氣的裝置。華能IGCC項目氣化技術采用國內自主開發的兩段式干煤粉氣化技術。氣化裝置在設備設計時候已經考慮了設備變負荷能力，可以長期在較低負荷下運行，其負荷可以在50～110%范圍內進行調整，負荷調節速率可以達到2%分鐘。

3.3 凈化裝置變負荷情況

根據兩段式干煤粉氣化裝置制出的合成氣壓力高、硫含量高、氣量大的特點，凈化裝置采用MDEA工藝。MDEA對H2S有良好的選擇性，穩定性好、蒸汽壓力低、溶劑損失小、凈化裝置負荷可以在50～110%范圍內進行調整，負荷調節速率可以達到2%/分鐘。

3.4 聯合循環裝置變負荷情況

根據西門子公司技術資料，燃汽機組適用于低熱值煤氣，負荷調節速率可達3-5%分鐘，在不投油助燃的經濟情況下，為維持機組穩定運行，負荷應至少維持在50%以上。

3.5 機組變負荷運行的建議

根據以上分析，各部分的負荷調整性能如下：空分裝置為0.25～0.5%；氣化裝置為2%分鐘，凈化裝置為2%分鐘，聯合循環3-5%分鐘，且空分裝置最低運行負荷為75%以上。因此，本工程的負荷調節能力主要取決于空分裝置變負荷速度，即華能天津IGCC機組運行方式受空分裝置變負荷率的限制。當機組負荷在75-100%之間調整，空分裝置在手動調整的情況下，變化率可以達到0.25-0.5%/分鐘，但由于IGCC系統工藝路線長，空分系統處于整個工藝的首段，即便實現0.25-0.5%/分鐘負荷變化率，延遲也是很大的。因此，現階段此機組適合帶基本負荷運行。

4 結論

華能天津IGCC示范電站機組變負荷能力范圍小、變負荷速率慢，根據華能天津IGCC機組的特性，目前該機組雖具備投入AGC能力，但AGC調整模式暫定為BLO（嚴格跟蹤基點模式）。且得出以下結論：

1、空分系統是IGCC機組變負荷速率慢及變負荷能力差的主要原因，可以效仿荷蘭Demkolec電站，再引進一套50%容量的獨立空分系統作為備用，這樣不僅提高變負荷速率，提高機組調峰能力，而且開車靈活、控制簡單、可靠性高，是目前解決華能天津IGCC機組調峰能力差的可行方法之一。

2、加快新技術的研究，通過對氣化技術改進，使空氣成為氣化劑，這樣就可以省去空分系統，直接由空氣參與氣化反應，從而擺脫空分系統對IGCC機組的約束和限制。而且省去空分系統后，可以大大降低廠用電率，降低發電成本，提高經濟效益；減少空分系統后，設備投資相應降低，使IGCC建設投資費用更接近于常規火電，利于今后IGCC技術的推廣應用。

3、引入天然氣作為備用起源，當合成氣不能正常提供時，切換天然氣作為燃料，保證對電網供電；當電網需要IGCC機組快速漲出力時，可適當補充天然氣作為燃料，以滿足電網需求。

4、電網公司不斷完善相關經濟獎勵、補償規定，對參與電網調峰、為電網做出貢獻的機組進行經濟補償，促進并幫助華能天津IGCC電站進行技術創新與改造，提高機組調峰能力，以更好地為電網服務，取得更大的經濟效益，為IGCC技術在國內的發展奠定良好的基礎。

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3、徐彤，王新雷.促進IGCC發電技術在我國發展的建議.研究與探討,2010,Vol.32(9):25～27.

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