整体煤气化联合循环热力系统的优化研究

论文摘要

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。

论文目录

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