整体煤气化联合循环热力系统的优化研究

【摘要】： 整体煤气化联合循环(IGCC)将气化炉气化出来的合成气体经过净化后送入燃气轮机中做功,燃气轮机的排气余热送入蒸汽系统产生出力,由此而产生电能。它是把先进的洁净煤技术和联合循环相结合而成的先进能源动力系统,效率高并且环保性能出色,现在已完成商业示范阶段。它将满足未来电厂的低排放、低成本以及效率高、可用性好的要求。因此,对IGCC系统尤其是热力系统的研究具有十分重要的意义。本文主要研究内容包括: 在阅读大量文献资料的基础上,结合当前能源环境所面临的问题,研究了国外和国内IGCC的发展历程,指出IGCC在能源、资源、环境一体化的可持续发展上的优势。 剖析了IGCC系统的重要构成部件的基本原理、它们对整个系统的影响以及IGCC系统对它们的要求,为IGCC热力系统的分析与研究奠定基础。 以IGCC热力系统为研究对象,通过深入研究,分析了IGCC燃气轮机的变工况特点,建立了IGCC系统热力性能燃气侧、蒸汽侧以及综合优化数学模型,选择了合适的IGCC方案,指出了影响系统的热力性能的重要参数。 以最优化方法为理论工具,提出了优化IGCC热力性能的基本思路,结合MATLAB计算软件,提出了解决IGCC热力性能优化的具体方法和步骤,编写了相关的优化计算程序,揭示了系统性能变化规律,给出了优化方案。 以上研究工作为IGCC电站方案的设计和优化、分系统工艺选择、设备选型及电站调试运行积累数据,提供重要参考资料;对相关设备的研制也有一定的参考价值。 【关键词】：IGCC 热力系统 联合循环 数学模型 优化
【学位授予单位】：上海发电设备成套设计研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TQ545
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 研究背景11-28
• 1.1.1 能源、电力工业概况及IGCC产生的时代背景11-16
• 1.1.1.1 世界能源消费概述11-13
• 1.1.1.2 世界电力工业发展概述13-14
• 1.1.1.3 我国的煤电工业现状与问题14-15
• 1.1.1.4 IGCC技术的应运而生15-16
• 1.1.2 概念16-19
• 1.1.2.1 IGCC典型系统的基本组成及原理16-18
• 1.1.2.2 CCS技术及IGHAT18-19
• 1.1.3 IGCC的关键设备19-21
• 1.1.3.1 气化和空分19-20
• 1.1.3.2 燃气轮机20
• 1.1.3.3 煤气净化20
• 1.1.3.4 余热锅炉、汽轮机20
• 1.1.3.5 IGCC控制系统20-21
• 1.1.4 IGCC系统的性能特征21-22
• 1.1.5 IGCC的优势22-23
• 1.1.6 与其他燃煤发电技术的比较23-28
• 1.1.6.1 性能对比24
• 1.1.6.2 环境保护对比24-27
• 1.1.6.3 经济性对比27-28
• 1.1.7 IGCC的应用前途28
• 1.2 前人在IGCC系统研究方面的工作成果28-30
• 1.3 研究内容及意义30-32
• 1.3.1 研究内容、思路31
• 1.3.2 意义31-32
• 第二章 IGCC发展历程、现状及趋势32-53
• 2.1 IGCC在国外的发展32-39
• 2.2 IGCC在中国的发展39-49
• 2.2.1 我国的IGCC进展概述40-45
• 2.2.2 上海发电设备成套设计研究院在IGCC方面做的工作45-47
• 2.2.3 我国已具备研发IGCC的基本条件47-49
• 2.3 IGCC技术发展的趋势分析49-53
• 2.3.1 目标49-50
• 2.3.2 先进的关键技术50-51
• 2.3.3 新的热力循环51
• 2.3.4 全新概念的新一代能源动力系统51-53
• 第三章 IGCC热力系统优化分析的理论基础53-99
• 3.1 总系统概述53
• 3.2 煤气化系统53-69
• 3.2.1 煤的气化基本原理54
• 3.2.2 气化炉的技术特性指标54-55
• 3.2.3 煤气化工艺的分类55-56
• 3.2.4 煤气化技术发展概述56-57
• 3.2.5 各种煤气化技术简介57-67
• 3.2.5.1 固定床气化炉57-58
• 3.2.5.2 流化床气化炉58-59
• 3.2.5.3 气流床气化炉59-65
• 3.2.5.4 日本用于IGCC的吹空气气化炉65-67
• 3.2.5.5 KBR气化炉67
• 3.2.6 IGCC中的气化技术67-68
• 3.2.7 气化系统对IGCC电站系统的影响68-69
• 3.3 空分工艺及系统69-76
• 3.3.1 空气分离的几种主要技术70-75
• 3.3.1.1 深冷空气分离技术71-73
• 3.3.1.2 变压吸附法73
• 3.3.1.3 膜分离法73-75
• 3.3.2 IGCC系统对空分系统的要求75
• 3.3.3 ASU与IGCC结合的方式及其影响75-76
• 3.4 净化系统76-80
• 3.4.1 IGCC系统对煤气化系统的要求76
• 3.4.2 常温煤气净化工艺76-80
• 3.4.2.1 常温煤气除尘77-78
• 3.4.2.2 IGCC常温煤气脱硫78-80
• 3.4.3 IGCC高温干法粗煤气净化80
• 3.5 IGCC燃气蒸汽联合循环系统80-99
• 3.5.1 IGCC的燃气轮机系统81-92
• 3.5.1.1 燃气轮机结构及性能介绍81-82
• 3.5.1.2 发电用燃气轮机产品概述82-85
• 3.5.1.3 IGCC燃气轮机系统的特点85-86
• 3.5.1.4 IGCC对燃气轮机的要求及改造问题86-90
• 3.5.1.5 IGCC的功率折算问题90-92
• 3.5.2 IGCC的蒸汽系统92-99
• 3.5.2.1 余热锅炉93-96
• 3.5.2.2 汽轮机96-99
• 第四章 IGCC热力系统优化分析的思路及方法99-137
• 4.1 本章概述99
• 4.2 优化分析的方法和思路99-113
• 4.2.1 优化方法的发展及其工程应用99-100
• 4.2.2 优化分析的内容和思路100-101
• 4.2.3 优化模型的数学表达式101-102
• 4.2.4 设计变量的选取102
• 4.2.5 优化模型的求解102-104
• 4.2.6 MATLAB软件平台104-111
• 4.2.7 优化问题的MATLAB实现111-113
• 4.2.7.1 MATLAB建模注意事项111
• 4.2.7.2 MATLAB优化求解步骤111-113
• 4.3 IGCC燃气轮机热力系统优化思路及步骤113-122
• 4.3.1 选型基本原则113-115
• 4.3.2 IGCC系统中燃气轮机的运行工况点分析115-116
• 4.3.3 燃气轮机热力系统单元模型116-120
• 4.3.3.1 压气机的变工况特性117
• 4.3.3.2 透平的变工况特性117-119
• 4.3.3.3 燃烧室的热平衡模型119-120
• 4.3.4 IGCC联合循环燃气轮机热力系统模型120-121
• 4.3.5 燃气轮机系统热力性能优化模型121-122
• 4.4 IGCC蒸汽系统的优化思路和方法122-135
• 4.4.1 蒸汽系统优化设计原则122-125
• 4.4.1.1 HRSG设计的一般要求123-124
• 4.4.1.2 汽轮机设计的一般要求124
• 4.4.1.3 汽缸及排汽形式124-125
• 4.4.1.4 联合循环机组的轴系配置125
• 4.4.1.5 IGCC蒸汽系统变工况时,按滑压方式设计125
• 4.4.1.6 旁通烟道125
• 4.4.2 优化蒸汽系统所要考虑的问题125-126
• 4.4.3 蒸汽流程的选择126-128
• 4.4.3.1 蒸汽循环类型的优化选择126-127
• 4.4.3.2 余热锅炉再热系统的选择127-128
• 4.4.4 蒸汽系统热力参数的合理优化选择128-130
• 4.4.5 蒸汽系统的能量平衡关系130-131
• 4.4.6 蒸汽系统数学模型131-135
• 4.4.6.1 汽轮机的热工模型131-132
• 4.4.6.2 IGCC汽水系统热平衡模型132-135
• 4.4.7 蒸汽系统的性能优化模型135
• 4.5 IGCC系统整体热力性能优化思路和方法135-136
• 4.6 小结136-137
• 第五章 IGCC实例系统确定及优化分析137-183
• 5.1 实例方案系统的选定137-147
• 5.1.1 IGCC系统容量确定137
• 5.1.2 煤气化及煤气净化系统的确定137-139
• 5.1.3 空分系统139
• 5.1.4 燃气轮机的选型及其确定139-145
• 5.1.4.1 GE和Siemens的IGCC经验139-142
• 5.1.4.2 PG9351FA型燃气轮机142-145
• 5.1.5 余热锅炉和汽轮机系统及其参数145-147
• 5.1.6 实例系统流程147
• 5.2 IGCC气化炉热力性能计算147-150
• 5.2.1 气化炉氧气量的计算147-150
• 5.2.2 气化效率的计算150
• 5.3 IGCC燃气轮机变工况计算150-156
• 5.3.1 常规PG9351FA机组的估算150-154
• 5.3.1.1 天然气的计算150-152
• 5.3.1.2 烧天然气时机组性能核算152-154
• 5.3.2 IGCC燃气轮机基本负荷估算(Shell煤气)154-156
• 5.3.2.1 合成煤气参数计算154-155
• 5.3.2.2 透平变工况计算155-156
• 5.4 IGCC燃气轮机子系统优化计算156-166
• 5.4.1 热力性能优化计算模型156-159
• 5.4.2 系统优化计算程序编写159
• 5.4.2.1 优化程序159
• 5.4.2.2 计算核对程序159
• 5.4.3 优化计算结果159-165
• 5.4.4 优化结果分析165-166
• 5.5 IGCC蒸汽系统热力优化计算166-176
• 5.5.1 计算的原始数据166-168
• 5.5.1.1 IGCC中燃气轮机基准方案166
• 5.5.1.2 热力性能计算的主要相关数据166-168
• 5.5.2 水和水蒸汽热力性质计算168-169
• 5.5.3 IGCC蒸汽系统的优化计算程序169
• 5.5.4 优化计算结果169-174
• 5.5.5 蒸汽系统优化结果分析174-176
• 5.6 IGCC联合循环系统总体优化176-181
• 5.6.1 总体优化目标函数176-177
• 5.6.2 优化计算程序177
• 5.6.3 计算结果177-180
• 5.6.4 结果分析180-181
• 5.7 小结181-183
• 第六章 结论与思考183-186
• 附录186-223
• 参考文献223-230
• 致谢230-231
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的文章231

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