整体煤气化煤气、热、电多联产系统性能分析与优化研究

【摘要】： 整体煤气化多联产系统的发展,是应对和缓解全球特别是我国能源和环境日益严峻局面的重要技术和战略选择。本文提出了整体煤气化煤气、热、电多联产系统,分别建立了较为系统的采暖季和非采暖季多联产系统流程,对两流程的空气分离子系统、煤气化子系统和联合循环子系统的物流和能量传输与转换情况进行了详细描述。运用序贯模块法分别对整体煤气化多联产系统的采暖季流程和非采暖季流程进行了模拟,获得并定量分析了两流程中各物流的状态参数、过程参数和系统性能。 流程模拟得出,为了满足采暖季供热的需求,过高的蒸汽循环排汽压力和温度是蒸汽轮机发电功率偏低的主要原因。系统能量综合利用系数能够达到近76%。由于合理利用了燃气尾气的余热,实现了能量的梯级利用,联合循环的热效率为38.48%。热电联产子系统能量综合利用系数为53.31%。 在非采暖季,由于没有供热需求,蒸汽循环排汽压力和温度较低,系统能量综合利用系数和联合循环热效率分别为67%和41.48%。蒸汽循环排汽冷凝的大部分热量没有得到利用,热电联产子系统能量综合利用系数仅为31.73%。 对比分析了采暖季和非采暖季在状态参数、过程参数和系统性能系数等方面的差异。分析结果表明,在技术要求和基本参数相同的条件下,有无供热需求、蒸汽轮机入口温度和出口排汽温度(压力)是影响采暖季和非采暖季之间上述参数差异的主要原因。 在流程模拟的基础上,分析了空气总流量、空分流量、煤流量、煤气化水蒸气流量、燃烧煤气流量、供暖热水流量(采暖季)、冷却水流量(非采暖季)和蒸汽循环水流量等操作变量对采暖季和非采暖季整体煤气化多联产系统的状态参数、过程参数和性能参数的影响。分析表明,越上游的操作变量,对整个流程的状态参数、过程参数和性能参数的影响越明显;越下游的操作变量,仅对该操作变量以下的流程的状态参数、过程参数和性能参数有明显影响;操作变量对与其有密切联系的状态参数、过程参数和性能参数有直接影响;操作变量对较远流程或非密切流程的状态参数、过程参数和性能参数影响不明显;对于煤气化过程,气化炉上游的操作变量对煤气化过程有重要影响,而气化炉下游的操作变量对煤气化过程几乎无影响。 在流程模拟和操作变量对系统性能影响分析的基础上,运用序贯二次规划法,以系统能量综合利用系数、日经济收益、联合循环热效率和热电联产子系统能量综合利用系数等参数最大化为目标函数,在相应约束条件下,分别对采暖季和非采暖季的整体煤气化多联产系统进行优化,获得以空分流量比例、空气总流量、煤流量、燃烧煤气流量比例、煤气化水蒸气流量、蒸汽循环水流量、供暖热水流量(采暖季)或蒸汽循环冷却水流量(非采暖季)和生活用热水流量等为优化决策变量的优化流程,实现工艺流程和目标的同步优化,对上述不同优化目标函数条件下的优化决策变量、状态参数、过程参数和性能参数进行了对比,分析了引起这些差异的本质原因。 在采暖季,系统能量综合利用系数、日经济收益、联合循环热效率和热电联产子系统能量综合利用系数的优化值分别为83.4%、63.21万元/天、44.37%和64.52%。在非采暖季,系统能量综合利用系数、日经济收益、联合循环热效率和热电联产子系统能量综合利用系数的优化值分别为71.04%、56.66万元/天、45.68%和36.88%。 最后对比分析了采暖季和非采暖季在不同优化目标时的性能差异,分析结果表明,在采暖季,供暖实现了能量的合理梯级利用,其系统能量综合利用系数和热电联产子系统能量综合利用系数都较非采暖季高;在非采暖季,蒸汽循环排汽压力和温度较低,蒸汽循环热效率和联合循环热效率较采暖季高;以系统能量综合利用系数、日经济收益、热电联产子系统能量综合利用系数为优化目标,采暖季的日经济收益较非采暖季高。 【关键词】：整体煤气化 多联产 性能分析 优化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM611.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-34
• 1.1 课题的研究背景及意义11-13
• 1.2 课题的国内外研究进展13-32
• 1.2.1 多联产研究动态13-17
• 1.2.2 IGCC系统研究及相关进展17-32
• 1.3 本文的研究内容32-34
• 第二章 整体煤气化多联产系统集成理论及能量梯级利用34-54
• 2.1 整体煤气化多联产系统集成的基本概念34-37
• 2.2 整体煤气化煤气、热和电多联产系统的理论建模37-41
• 2.2.1 多联产系统的功能模块37-41
• 2.3 多联产系统能量转换与利用41-51
• 2.3.1 化学能与物理能的综合梯级利用41-44
• 2.3.2 空气分离过程的基本方程44-47
• 2.3.3 煤气化过程化学能基本方程47-49
• 2.3.4 燃气与蒸汽动力循环能量基本方程49-51
• 2.3.5 脱硫方程51
• 2.4 多联产系统性能系数51-53
• 2.4.1 碳转化率51
• 2.4.2 多联产系统能量综合利用系数51-52
• 2.4.3 冷煤气效率52
• 2.4.4 燃气蒸汽联合循环热效率52
• 2.4.5 热电联产子系统能量综合利用系数52
• 2.4.6 多联产系统日经济净收益52-53
• 2.5 小结53-54
• 第三章 整体煤气化多联产系统流程模拟与性能分析54-75
• 3.1 整体煤气化多联产系统采暖季流程简介54-58
• 3.2 多联产系统稳态流程模拟及求解方法58-60
• 3.3 整体煤气化煤气、热和电多联产系统算例分析60-74
• 3.3.1 采暖季流程模拟结果与系统性能分析60-66
• 3.3.2 非采暖季流程模拟结果与系统性能分析66-71
• 3.3.3 采暖季和非采暖季性能差异71-74
• 3.4 小结74-75
• 第四章 操作变量对整体煤气化多联产系统的性能影响75-100
• 4.1 多联产系统操作变量的确定75
• 4.1.1 敏感性分析75
• 4.2 敏感性分析结果75-98
• 4.2.1 采暖季75-98
• 4.3 小结98-100
• 第五章 整体煤气化多联产系统的优化100-135
• 5.1 多联产系统优化100-101
• 5.1.1 优化模型100-101
• 5.2 优化模型求解方法101-104
• 5.3 优化结果及分析104-134
• 5.3.1 采暖季104-117
• 5.3.2 非采暖季117-130
• 5.3.3 采暖季和非采暖季不同优化目标时的性能差异130-134
• 5.4 小结134-135
• 第六章 结论与展望135-138
• 6.1 结论135-136
• 6.2 展望136-138
• 参考文献138-145
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况145-146
• 致谢146-148
• 附录A:非采暖季敏感性分析148-164
• A.1 操作变量对系统状态参数的影响148-152
• A.2 操作变量对系统过程参数的影响152-156
• A.3 操作变量对系统性能的影响156-164
• 附录B:主要符号说明164

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