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　　2.2.3褐煤干燥单元的ASPEN模型

　　物流WET-COAL及DRY-COAL分别代表原煤及干燥后的煤，RE-VAPOR为再压缩后的低压过热蒸汽。模块PREH模拟蒸汽凝结液预热褐煤的过程；HTEX，DRY-REAC和FILTER模拟流化床干燥器，其中HTEX模拟流化床中蒸汽与湿煤的换热过程；DRY-REAC模拟煤中水分的蒸发；FILTER将干燥后的煤粉与水蒸气分离。DRY-REAC模块的温度设为110.℃，模拟如下反应：Coalwet...Coaldry...H2O(1)该反应的反应程度由欲得的干燥煤粉水分决定，反应度与干煤水分之间的关系用Calculator模块控制。蒸汽压缩机RECOMP的耗功作为干燥褐煤用能计入系统辅助单元耗能。

　　2.3气化岛模型

　　经过干燥后的煤粉由空分单元产生的高压氮气输送，与高压蒸汽一起进入Shell气化炉发生气化反应。徐越、张斌、沈玲玲等对基于ASPENplus的煤气化过程的模拟做了较详尽的说明，处理方法大同小异。在ASPEN中，煤按非常规物质处理，因此需先通过模块DECOM(RYIELD类型)将其分解为C、H2、O2、N2、S、灰、水及未反应碳，分解热QDECOMP通入气化炉GASIFIER中。物流TRAN2、STEAM分别为输煤氮气和高压蒸汽，其流量与煤粉流量成正比，由Calculator模块控制；物流OXID为氧气，流量由DesignSpecification模块通过匹配气化温度控制；物流RECY-ASH是循环飞灰，使得气化炉的碳转化率达到99%。热流QLOSS为气化炉散热损失，取为入炉煤粉热量的1%。

　　粗合成气RGAS经过循环气QUENCH激冷和两级对流换热器冷却到338.℃左右，得到的低温合成气RGAS1再依次通过粗合成气/洁净合成气换热器RCEX，文丘里洗涤器VENTURI，COS水解装置COSHYDRO，冷却器COOLER及脱硫装置SULFINOL。QUENSPLI模块表示抽取一部分洁净合成气去激冷粗合成气。

    2.4动力岛模型

　　2.4.1IGCC动力岛

　　IGCC的动力岛即为由燃气轮机，余热锅炉和汽轮机组成的联合循环，气化岛得到的洁净合成气作为联合循环的燃料。下面分别说明模拟燃气轮机和余热锅炉时的关键问题。

　　2.4.2烧低热值合成气的燃机轮机工况点确定

　　为了控制NOx排放，增大燃机出力，IGCC中燃气轮机的燃料通常为掺混N2的洁净合成气，其低位热值在7.000.kJ/kg左右，与设计燃料天然气的50.000.kJ/kg相差甚远，导致燃气轮机将偏离设计运行点。确定改烧低热值合成气后燃气轮机的工况点是模拟IGCC系统的关键问题之一。

　　通常认为，燃气在透平进口处在阻塞工况(Choke)，马赫数为1，燃气的参数满足：11flow(2)1GpAnTR(2)式中：Gflow为透平进口燃气流量；p为透平进口燃气总压；A为透平进口面积；n为燃气摩尔质量；T为透平进口燃气总温；R为通用气体常数；..为燃气比热。式中...可看成常数。在不改造透平通流部分的前提下，烧合成气时的透平进口流量Gg、总温T3*、总压p3*、摩尔质量n与烧天然气时的透平进口流量Ggd、总温T3*d、总压p3*d、摩尔质量nd之间满足如下关系：**g3gd3d**33ddGTGTpnpn.(3)由式(3)可知，当燃料热值降低时，为了适应燃气流量的增大，需要提高燃气初压或降低燃气初温。燃气初温通过改变空燃比调节，燃气初压通过改变压气机压比调节。考虑到IGCC电站燃机的燃料有可能在合成气与天然气之间切换，为了保证燃机下游余热锅炉的工况稳定，选取烧合成气的燃机工况点的原则是燃机排气温度与烧天然气时的排气温度相等。最终，确定燃机合成气工况点详细的计算步骤如下：

　　1）选定T3值(通常第1个取值与设计工况相等)。

　　2）选定压气机可调进口导叶角度(variableinletguidevane,.VIGV)，通常从0..开始；根据VIGV计算压气机进气流量Gtotal及进入燃烧室的空气流量Gcombair(假定压气机的冷却空气比例不变)。

　　3）计算压比。①选定初始压比...0；②计算压气机出口空气温度T2，再根据T2及T3计算实际空燃比f；③根据Gcombair及f计算燃气流量Gg；④由Gg、T3，根据堵塞工况的公式计算p3*，再反算压气机压比...1；⑤若.|...1.....0.|...0.01，则以...1返回计算步骤①迭代；若.|...1.....0.|...0.01，压比计算结束，得到一个工况点(T3,VIGV,..1)。

　　4）得到该工况点下的透平排气温度T4new。若|.T4new...T4d.|...0.5，则调整VIGV角度，返回步骤2）重新计算；若.|.T4new...T4d.|...0.5，VIGV计算结束，得到工况点(T3,VIGV,..1,T4)。

　　5）判断该工况点是否符合GE的9F型燃机对压比裕度(12%)，透平通流能力裕度(10%)和燃机轴功裕度(20%)的限制。若不符合，则降低T3，返回步骤1）重新计算；若符合，则计算结束，所得工况点即为烧低热值合成气的燃气轮机工况点。

　　本文IGCC系统选用的是GE公司的MS9001FA燃机，裕度与压气机增压比裕度的燃机来说，改烧合成气时，将压比提高到17.89，透平初温降低5.℃便能适应燃气流量的增大。燃机出力达到286.62.MW，与文献的286.MW相符，燃机效率相对设计工况也有所提高。

　　2.4.3燃气轮机的ASPEN模型

　　燃机在ASPENplus中的实现如图7所示。压气机AIR-CP及透平POC-TUR均假定为3级(每一级压比/膨胀比相等)，用Comp类模块模拟。燃烧室COMBUST为RSTOIC类型，模拟CO、H2、CH4、H2S、N2等的燃烧反应。SPLIT和MIX模块分别表示从压气机抽取冷却空气TCOOL和向透平叶片注入冷却空气。

　　对MS9001FA燃机的设计工况进行热力计算知，其冷却空气流量为压气机入口空气流量的6.84%。在合成气工况下假设冷却空气比例不变，且4股冷却空气的流量相等。QCOMBLOS为燃烧室热损失，取为燃料热值的3%；QRECV为回收热量，取为QCOMBLOS的50%。空气流量，压比和透平初温即按表4中的合成气工况点设定。

　　2.4.4余热锅炉蒸汽产量的计算

　　余热锅炉利用燃气轮机高温尾气的显热产生蒸汽推动汽轮机做功。在ASPENplus中，可用10个换热器来模拟余热锅炉(包括高压、中压、低压系统各自的过热器、蒸发器和省煤器，且高压省煤器有2个)。在模拟燃机得到其尾气特性后，根据文献给出的公式计算余热锅炉蒸汽产量，并将计算结果作为模型的输入。对本文2个IGCC系统中的余热锅炉，排烟温度取为105.℃，节点温差和接近点温差分别为15和11.℃，2套系统的中低压蒸汽流量相差不大，而霍林河褐煤IGCC的高压蒸汽流量则比要多约10%，这是因为褐煤IGCC中气化炉单元能够回收的热量更多，有利于提高蒸汽产量。

　　3、流程模拟结果

　　3.1IGCC系统辅助单元耗能的估算

　　搭建整个IGCC系统的模型后，能够从ASPENPlus流程模拟的结果中直接获得燃机净功，汽机净功，空分耗功及泵功等一些主要的功量。但为了得到IGCC的系统效率，还需对全厂辅助单元的耗能进行估算。NETL的报告中仅有全厂辅助单元耗能的总和，不够精细。Frey等给出了热回收型TexacoIGCC系统的辅助单元耗能的估算方法，从其估算模型来看，辅助单元的耗能基本上与该单元的特征物流量成线性关系。例如，煤处理单元的耗能与收到基煤流量成线性关系。美国能源部(departmentofenergy，DOE)/NETL的报告中给出了ShellIGCC系统的较详细的辅助设备单位特征物流量能耗数据。

　　本文以DOE/NETL报告中的ShellIGCC数据为基准，借鉴Frey对辅助单元能耗与特征物流量成线性关系的判断估算辅助单元耗能。即先通过ASPEN的模拟结果获得煤、渣等特征物流量，再乘以对应单位能耗即可得到辅助设备的总耗能。

　　3.2烟煤IGCC和褐煤IGCC的性能对比

　　烟煤IGCC电站和褐煤IGCC电站的性能参数。不难看出，二者燃气轮机的出力基本相当，这是燃料匹配燃机的结果。褐煤IGCC电站由于处理煤量增大，气化岛、空分及汽轮机的规模均大于烟煤IGCC电站，辅助单元耗能也比后者高。但由于褐煤IGCC电站中气化炉回收的热量更多，增加了汽轮机的主蒸汽流量，其汽轮机出功大于烟煤IGCC电站。

　　总的来看，褐煤IGCC与烟煤IGCC的净出力相差不大，而褐煤IGCC的系统效率甚至优于同级别的热回收型TexacoIGCC系统(效率一般比ShellIGCC低2%~3%[9,20-21])。此效率上的优势要归功于先进的褐煤干燥技术WTA。流程模拟结果表明，若采用传统干燥技术将等质量的霍林河煤干燥至含水10%，耗能在52.MW左右(约为WTA干燥耗能的7倍)，这会导致系统效率由42.39%下降至37.81%。在解决了褐煤干燥耗能高的问题之后，将褐煤应用于IGCC电站是合理有效的。