整体煤气化湿空气透平(IGHAT)循环关键部件的特性建模与实验研究

【摘要】：整体煤气化湿空气透平循环(IGHAT)结合了先进煤气化技术(IGCC)和高效的湿空气透平循环(HAT)的优点,是一种高效率、低污染和低比投资的煤炭利用节能发电系统,但同时也应注意到,其特点是系统复杂,相互影响多,耦合程度大,控制复杂,因此,IGHAT循环的研究目前还处于理论研究阶段,为了使这一高效节能清洁的发电技术尽快进入工程试验阶段,则有必要对其稳态和动态性能进行研究。由于IGHAT系统中,蒸汽轮机、余热锅炉、压气机、燃烧室和燃气透平等已经在近年的研究中形成了比较完善的通用模型,在这一背景下,本文的主要目的是利用模块化建模方法对IGHAT关键部件——气化炉和饱和器进行理论建模及稳态和动态仿真研究,搭建饱和器实验系统,通过实验研究讨论其传热传质及气液流动性能,并对本文建立的模型进行实验验证。 为实现上述研究目的,本文工作从以下几个方面展开: 针对Shell炉的工艺特点,分析讨论了气化炉中煤气化反应、气侧与渣层间的传热、渣的相变以及液态渣层的流动特性,以质量守恒、动量守恒和能量守恒为基础,建立了气化炉煤气化模型,可用于描述气化温度、气化煤气组分、固态渣层厚度、液态渣层厚度以及炉底排渣流量的稳态和动态特性行为。 结合Demkolec IGCC示范工程中气化炉相关参数,围绕哥伦比亚煤El Cerrejon,德雷顿煤Drayton,石油焦petroleum Coke和大同煤四种燃料展开了相关稳态和动态仿真研究。其中,稳态仿真研究不仅分析了入炉氧煤比和水蒸汽/煤比对煤气成分、气化温度及冷煤气效率的影响规律,还得到了不同灰渣比热容及灰渣沉积流量下,气化温度和渣层厚度的变化规律。动态仿真得到了气化炉各参数在入炉氧煤比和水蒸气/煤比上发生阶跃扰动时的响应规律,发现各参数均存在较长的惯性响应时间,其中,气侧参数响应时间较短,渣侧参数响应时间相对较长。另外,还横向分析比较了不同煤种及不同灰渣参数下,渣侧参数及气化温度的动态响应规律。发现,灰渣的比热容对气化炉各参数的稳态值影响较大,而灰渣的沉积流量则对各参数的动态响应时间影响较大。 针对填料式饱和器,分析讨论了饱和器中气侧、水侧以及填料侧的传热传质特性及填料通道中的气水流动特性,根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理,建立了水侧、气侧和填料侧的控制方程。将饱和器沿气相工质流动方向分段并分别进行建模,在Simulink平台上采用显式Runge-Kutta法完成模型的搭建,连接及求解。模型可用于描述饱和器出口以及沿气相工质流动方向工质状态参数、填料段压降以及填料持液量的分布以及稳态和动态特性行为。 对饱和器模型进行了收敛性及分段数目合理性的分析,并结合瑞典示范机组设计工况,在高参数工况下对饱和器模型展开稳态和动态仿真研究。其中,稳态仿真研究得到了饱和器内部工质状态参数、传热传质通量的轴向分布,结果表明,沿气相工质流动方向,各段控制体内气水传热传质通量是逐渐增大的。同样,也详细分析讨论了不同进口参数对运行参数的影响规律。动态仿真研究得到了饱和器出口工质参数、填料段压降及填料持液量对进口参数上扰动的响应规律。设计仿真工况下,对于进口参数上的阶跃扰动,饱和器各参数需要一定的惯性时间才能达到新的稳定状态,出口工质温度的响应时间最长,在50s左右,压降和持液量所需时间较短。 设计搭建了填料式饱和器实验系统,实现了对工质温度、湿度、流量及压力的在线测量与采集,并初次提出利用称重和液位测量的间接计算手段得到实验进行过程中饱和器填料持液量数据。对填充了250Y型不锈钢波纹板规整填料的饱和器在实验室条件下进行了相关稳态和动态实验研究。稳态工况的实验结果得到了不同进口参数下,饱和器的传热传质及气液流动参数的变化规律。指出水气比不能作为唯一衡量饱和器传热传质性能的准则,还应综合考虑进口流量的大小,即水气负荷的大小。根据实验得到的干填料及不同进水流量下的压降数据,提出了针对250Y不锈钢波纹板规整填料的压降关联式。动态工况的实验结果得到了饱和器出口工质参数对进口工质参数上发生扰动的响应曲线,在相同工况条件下,将本文建立的饱和器模型计算结果与动态实验结果进行了对比,结果表明二者具有较好的一致性。 【关键词】：IGHAT循环 气化炉 流动渣层 填料式饱和器 持液量 仿真研究 实验研究
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ546
【目录】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-17
• 主要符号表17-21
• 第一章 绪论21-39
• 1.1 整体煤气化湿空气透平（IGHAT）循环概述21-27
• 1.1.1 背景21
• 1.1.2 整体煤气化蒸汽联合循环（IGCC）的发展现状21-23
• 1.1.3 整体煤气化湿空气透平（IGHAT）循环的提出23-27
• 1.2 整体煤气化湿空气透平（IGHAT）循环的研究现状27-34
• 1.2.1 国内外对于总体循环的研究现状27-28
• 1.2.2 国内外对于气化炉建模的研究现状28-30
• 1.2.3 国内外对于HAT 循环的研究现状30-34
• 1.3 建模仿真方法34-36
• 1.3.1 模块化建模方法的介绍34-35
• 1.3.2 热力系统动态建模介绍35-36
• 1.3.3 仿真平台simulink 的介绍36
• 1.4 课题的研究背景及内容36-39
• 1.4.1 课题研究背景36-37
• 1.4.2 论文的主要研究内容37-39
• 第二章 整体煤气化湿空气透平循环系统的关键部件——气化炉和饱和器39-52
• 2.1 气化炉39-44
• 2.1.1 IGHAT 发电系统对气化炉的要求39
• 2.1.2 气化炉的分类39-41
• 2.1.3 IGHAT 中的典型煤气化系统41-42
• 2.1.4 Shell 气化炉的结构及工艺特点42-44
• 2.1.5 气化炉动态特性研究的必要性44
• 2.2 IGHAT 发电系统的饱和器44-50
• 2.2.1 IGHAT 发电系统对饱和器的要求44-45
• 2.2.2 IGHAT 循环中的饱和器及其分类45-46
• 2.2.3 填料类型46-49
• 2.2.4 填料塔内流体力学特性49-50
• 2.2.5 饱和器动态特性研究的必要性50
• 2.3 小结50-52
• 第三章 SHELL 炉煤气化建模52-72
• 3.1 前言52-53
• 3.1.1 Shell 炉煤气化过程52-53
• 3.1.2 建模方法53
• 3.2 气化炉内流场和流动特性53-55
• 3.3 化学反应模型55-58
• 3.3.1 化学反应模型的假设56-57
• 3.3.2 化学反应模型控制方程57-58
• 3.4 传热模型58-60
• 3.5 渣层模型60-68
• 3.5.1 渣的物理性质计算及模型假设60-62
• 3.5.2 渣层模型控制方程62-68
• 3.6 气化炉模型的迭代求解68-70
• 3.7 本章小结70-72
• 第四章 SHELL 炉煤气化的仿真研究及分析72-90
• 4.1 Shell 炉煤气化稳态和动态仿真研究72-73
• 4.2 气化模型稳态结果分析73-79
• 4.2.1 氧煤比与水蒸气/煤比对气化炉稳态特性的影响74-77
• 4.2.2 渣层参数对气化炉稳态特性的影响77-79
• 4.3 Shell 炉煤气化模型动态响应研究79-89
• 4.3.1 氧煤比的变化对气化炉气化参数的影响79-83
• 4.3.2 水蒸气/煤比的变化对气化炉气化参数的影响83-86
• 4.3.3 渣层对气化参数动态特性的影响86-89
• 4.4 本章小结89-90
• 第五章 饱和器湿化过程建模90-120
• 5.1 前言90-92
• 5.1.1 饱和器内空气湿化过程90-91
• 5.1.2 建模方法91-92
• 5.2 饱和器湿化过程建模92-102
• 5.2.1 模型假设92
• 5.2.2 湿空气及热物理性质92-95
• 5.2.3 控制方程95-101
• 5.2.4 气水界面上的摩擦系数101
• 5.2.5 传热与传质101-102
• 5.3 饱和器的建模仿真102-106
• 5.3.1 建模方法102-104
• 5.3.2 模型的收敛性104-106
• 5.4 饱和器稳态及动态仿真研究106-118
• 5.4.1 工况选择106
• 5.4.2 稳态仿真结果分析106-114
• 5.4.3 动态仿真结果分析114-118
• 5.5 小结118-120
• 第六章 饱和器稳态及动态实验研究120-156
• 6.1 前言120
• 6.2 饱和器实验系统介绍120-125
• 6.2.1 进水系统120-124
• 6.2.2 进风系统124
• 6.2.3 饱和器本体124-125
• 6.3 参数测量及采集125-131
• 6.3.1 测量系统125
• 6.3.2 温度测量125-126
• 6.3.3 流量测量126
• 6.3.4 压力测量126
• 6.3.5 相对湿度测量126
• 6.3.6 液位测量126
• 6.3.7 质量测量126-127
• 6.3.8 数据采集方法127-131
• 6.4 饱和器实验研究131-134
• 6.4.1 实验工况选择131-132
• 6.4.2 测量参数标定132-133
• 6.4.3 稳态实验步骤133
• 6.4.4 动态实验步骤133-134
• 6.5 饱和器实验数据的处理134
• 6.6 饱和器稳态实验数据分析134-146
• 6.6.1 饱和器传热传质分析134-140
• 6.6.2 饱和器压损分析140-144
• 6.6.3 饱和器持液量分析144-146
• 6.7 饱和器动态实验数据分析146-151
• 6.8 饱和器仿真模型验证151-154
• 6.9 小结154-156
• 第七章 结论及研究工作展望156-161
• 7.1 结论156-159
• 7.2 主要创新159
• 7.3 研究工作展望159-161
• 参考文献161-167
• 附录1167-174
• 致谢174-175
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文175

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