350MWe富氧燃燒空分系統變負荷特性分析及優化

2021-02-14 02:12:22賈振宇倪宏偉廖海燕賴勇杰張金生

低溫與特氣 2021年6期

韓濤,江蓉,賈振宇,倪宏偉*,廖海燕,賴勇杰,張金生,曹峻

[1.神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100025; 2.四川空分設備(集團)有限責任公司,四川簡陽641400]

1 前言

為應對溫室效應引發的氣候變化 ,發展碳捕集與封存技術(Carbon capture, utilization and storage, CCUS)刻不容緩。相較于其他CCUS技術 , 富氧燃燒具有成本低、易于現有機組改造等優勢,被認為是最有可能大規模推廣和商業應用的 CCUS 技術之一[1]。為降低富氧燃燒系統能耗,國內外許多學者從空分系統單元優化、富氧燃燒系統集成優化等方面開展了相關研究[2-5]。制氧單耗低、動態響應快的低能耗富氧空分技術是降低富氧燃燒電站能耗和成本的關鍵因素。四川空分對用于富氧燃燒空分系統的新型三塔流程進行了分析優化,單位制氧能耗較常規空分工藝降低8%～10%[6-7]。富氧燃燒燃煤電廠根據電網調度的要求,負荷變化范圍和變化速率較大,一般變負荷范圍在30%～100%,變負荷速率高于3%/min, 因此空分系統的動態調節能力是影響燃煤電廠高效運行的重要因素之一。根據 350MWe富氧燃燒發電機組的變負荷需求,對配套的低純氧空分系統的變負荷調節方法進行了研究。

2 350MWe富氧燃燒空分系統及變負荷要求

用于富氧燃燒的空分系統,其裝置供氧量需要隨發電機組負荷變化進行調節。350MWe富氧燃燒發電機組負荷調節范圍為30%～100%,且要求在50%～100%時,變負荷速率不低于5%/min;在30%～50%時,變負荷速率不低于3%/min。機組最大連續出力工況的氧氣耗量按100%負荷增大10%考慮。發電機組典型工況下的氧氣耗量及變負荷要求如表1及表2所示。

表1 發電機組變負荷工況對應的氧氣量

表2 機組全年不同負荷運行小時數

根據350MWe富氧燃煤電廠機組最大連續出力工況的耗氧量要求,需配置2套氧氣產量規模為85 000 Nm3/h 的空分裝置。為了滿足主冷凝蒸發器的安全排放要求,同時便于不同工況下的氧產量的調節,液氧產量設計為1500 Nm3/h。表3為單套空分裝置規格技術指標。

表3 350MWe富氧燃燒低純氧空分裝置產品技術指標

采用四川空分開發的從空氣中制取低純度氧氣的相關專利技術[8],350 MWe富氧燃燒空分系統的新型三塔空分流程如圖1所示。按表3中產品參數,氧純度為97%時,通過模擬計算可得低純氧空分系統的制氧單耗為0.3405 kW·h/Nm3-O2,單耗較常規雙塔空分流程降低約12%,節能效益顯著。

1.自潔式過濾器;2.空氣壓縮機;3.空氣壓縮機末級;4.空氣冷卻塔;5.水冷塔;6.常溫水泵;7.低溫水泵;8.純化器;9.蒸汽加熱器;10.電加熱器;11.增壓透平膨脹機;12.增壓后冷卻器;13.主換熱器;14.過冷器;15.上塔;16.下塔;17.輔助下塔;18.主冷凝蒸發器;19.輔冷凝蒸發器;20.液氧自增壓器;21.放空消音器

3 350MWe富氧燃燒空分系統變負荷特性分析及優化

綜合考慮空壓機、膨脹機、精餾塔等空分系統主要設備的調節范圍及系統運行的穩定性要求,空分裝置整體變負荷范圍通常為75%～105%[9]。目前,空分系統變負荷調節一般有以下幾種方式[10]:空分裝置自動變負荷、多設備并聯配置、氧氮互換[11]、液氧后備增壓汽化調節、增加液化裝置、氣體放散等。基于350MWe富氧燃燒發電機組對配套空分系統的變負荷范圍達30%～100%、變負荷速率不低于3%/min的調節要求,采用上述方式中的一種往往不能滿足要求,因此需要采用多種方法相結合的方式進行空分系統變負荷調節。

3.1 富氧燃燒空分系統變負荷總體調節方案

350MWe富氧燃燒低純氧空分系統的變負荷調節方案如圖2所示。空壓機的負荷調節范圍一般為75%～105%,單套空分系統若在低于75%工況下穩定運行需要采用多臺空壓機并聯。根據30%～100%的變負荷需求,確定富氧燃燒空分系統的變負荷總體調節方案如下:

圖2 350MWe富氧燃燒空分系統變負荷調節示意圖

1.當發電機組負荷需求在50%工況以下時,運行單套空分系統;對于30%～50%變負荷工況,單套空分采用空壓機并聯的方式,實現低負荷下空壓機的穩定運行。

2.當發電機組負荷需求在50%～100%工況時,運行兩套空分系統。

3.通過氧氣及液氧產量的優化調節,進行空分系統變負荷。

4.氧氮互換和后備系統用于空分系統實現快速變負荷。

5.對于突發的供氧負荷變化,以裝置的穩定運行為主,短時間內可采用大量放散或后備系統大量汽化來實現裝置穩定運行的調節方案。

3.2 氧產量優化調節用于空分系統變負荷

根據350MWe富氧燃燒發電機組負荷特性,調節各工況下液氧及氧氣產品的比例,在低負荷運行時減少氧氣產量,生產更多的液氧儲存;空分負荷提高氧氣量不足時,儲存的液氧用于補充,如圖3所示。通過合理地調節分配氧產量,可以減少變負荷時氧氣的放散量,降低各變負荷工況下的空分系統能耗。

圖3 氧產量優化調節用于空分系統變負荷調節示意圖

結合表3中空分裝置性能參數,按照不同負荷運行時間,空分裝置在發電機組各工況下穩定運行時,在30%～100%負荷范圍內的氧產量優化調節數據見表4。從表4中可知,優化各工況的氧產量后,每日液氧總產量能夠補充100%工況下氧氣量的不足。100%～50%工況下空分系統空壓機負荷均相對減少,空分系統整體運行能耗降低約9%。

表4 氧產量的優化調節用于350MWe富氧燃燒空分系統變負荷

3.3 空分系統氧氮互換快速變負荷方案

350MWe富氧燃燒發電機組需要快速變負荷,要求空分系統變負荷速率不低于3%/min,選取液氧自增壓器中液氧與下塔經過冷器后的一部分液氮進行氧氮互換調節。當供氧負荷由A變化至B時,空分裝置在工況穩定的情況下,綜合考慮需氧量、液氧、液氮貯罐中液體量,采取注氮取氧或注氧取氮。氧氮互換的調節需要配置后備系統用于液氧的儲存及汽化調節。

后備系統根據350MWe富氧燃燒發電機組最大連續出力工況的純氧需求量,空分系統液氧后備系統的液氧泵及汽化器總設計處理量為180 000 Nm3/h,保證空分裝置突然停車時有效供氧。

根據表4變負荷工況氧產量的優化結果,空分系統全天有足夠的液氧滿足氧氮互換需求。當空分系統負荷變化較大時(如從30%快速變為100%),應聯合采用氧氮互換和液氧后備系統調節方式以達到快速變負荷的要求,如圖4所示。