整體煤氣化濕空氣透平(IGHAT)循環(huán)關(guān)鍵部件的特性建模與實驗研究.pdf

1、整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)(IGHAT)結(jié)合了先進煤氣化技術(shù)(IGCC)和高效的濕空氣透平循環(huán)（HAT）的優(yōu)點，是一種高效率、低污染和低比投資的煤炭利用節(jié)能發(fā)電系統(tǒng)，但同時也應(yīng)注意到，其特點是系統(tǒng)復(fù)雜，相互影響多，耦合程度大，控制復(fù)雜，因此，IGHAT循環(huán)的研究目前還處于理論研究階段，為了使這一高效節(jié)能清潔的發(fā)電技術(shù)盡快進入工程試驗階段，則有必要對其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進行研究。由于IGHAT系統(tǒng)中，蒸汽輪機、余熱鍋爐、壓氣機、燃燒室和燃氣透平

2、等已經(jīng)在近年的研究中形成了比較完善的通用模型，在這一背景下，本文的主要目的是利用模塊化建模方法對IGHAT關(guān)鍵部件——氣化爐和飽和器進行理論建模及穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真研究，搭建飽和器實驗系統(tǒng)，通過實驗研究討論其傳熱傳質(zhì)及氣液流動性能，并對本文建立的模型進行實驗驗證。
　　為實現(xiàn)上述研究目的，本文工作從以下幾個方面展開:
　　針對Shell爐的工藝特點，分析討論了氣化爐中煤氣化反應(yīng)、氣側(cè)與渣層間的傳熱、渣的相變以及液態(tài)渣層的流動特性

3、，以質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒為基礎(chǔ)，建立了氣化爐煤氣化模型，可用于描述氣化溫度、氣化煤氣組分、固態(tài)渣層厚度、液態(tài)渣層厚度以及爐底排渣流量的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性行為。
　　結(jié)合Demkolec IGCC示范工程中氣化爐相關(guān)參數(shù)，圍繞哥倫比亞煤El Cerrejon，德雷頓煤Drayton，石油焦petroleum Coke和大同煤四種燃料展開了相關(guān)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真研究。其中，穩(wěn)態(tài)仿真研究不僅分析了入爐氧煤比和水蒸汽/煤比對煤氣成分、氣化

4、溫度及冷煤氣效率的影響規(guī)律，還得到了不同灰渣比熱容及灰渣沉積流量下，氣化溫度和渣層厚度的變化規(guī)律。動態(tài)仿真得到了氣化爐各參數(shù)在入爐氧煤比和水蒸氣/煤比上發(fā)生階躍擾動時的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均存在較長的慣性響應(yīng)時間，其中，氣側(cè)參數(shù)響應(yīng)時間較短，渣側(cè)參數(shù)響應(yīng)時間相對較長。另外，還橫向分析比較了不同煤種及不同灰渣參數(shù)下，渣側(cè)參數(shù)及氣化溫度的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。發(fā)現(xiàn)，灰渣的比熱容對氣化爐各參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值影響較大，而灰渣的沉積流量則對各參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)時間

5、影響較大。
　　針對填料式飽和器，分析討論了飽和器中氣側(cè)、水側(cè)以及填料側(cè)的傳熱傳質(zhì)特性及填料通道中的氣水流動特性，根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒原理，建立了水側(cè)、氣側(cè)和填料側(cè)的控制方程。將飽和器沿氣相工質(zhì)流動方向分段并分別進行建模，在Simulink平臺上采用顯式Runge-Kutta法完成模型的搭建，連接及求解。模型可用于描述飽和器出口以及沿氣相工質(zhì)流動方向工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)、填料段壓降以及填料持液量的分布以及穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性行為。<

6、br>　　對飽和器模型進行了收斂性及分段數(shù)目合理性的分析，并結(jié)合瑞典示范機組設(shè)計工況，在高參數(shù)工況下對飽和器模型展開穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真研究。其中，穩(wěn)態(tài)仿真研究得到了飽和器內(nèi)部工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)、傳熱傳質(zhì)通量的軸向分布，結(jié)果表明，沿氣相工質(zhì)流動方向，各段控制體內(nèi)氣水傳熱傳質(zhì)通量是逐漸增大的。同樣，也詳細分析討論了不同進口參數(shù)對運行參數(shù)的影響規(guī)律。動態(tài)仿真研究得到了飽和器出口工質(zhì)參數(shù)、填料段壓降及填料持液量對進口參數(shù)上擾動的響應(yīng)規(guī)律。設(shè)計仿真工況下，

7、對于進口參數(shù)上的階躍擾動，飽和器各參數(shù)需要一定的慣性時間才能達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，出口工質(zhì)溫度的響應(yīng)時間最長，在50s左右，壓降和持液量所需時間較短。
　　設(shè)計搭建了填料式飽和器實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對工質(zhì)溫度、濕度、流量及壓力的在線測量與采集，并初次提出利用稱重和液位測量的間接計算手段得到實驗進行過程中飽和器填料持液量數(shù)據(jù)。對填充了250Y型不銹鋼波紋板規(guī)整填料的飽和器在實驗室條件下進行了相關(guān)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗研究。穩(wěn)態(tài)工況的實驗結(jié)果得到了不