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(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)(IGHAT)結(jié)合了先進(jìn)煤氣化技術(shù)(IGCC)和高效的濕空氣透平循環(huán)（HAT）的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)也應(yīng)注意到，其特點(diǎn)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(jìn)入工程試驗(yàn)階段，則有必要對(duì)其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究。由于IGHAT系統(tǒng)中，蒸汽輪機(jī)、余熱鍋爐、壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)馔钙?/p>

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(duì)IGHAT關(guān)鍵部件——?dú)饣癄t和飽和器進(jìn)行理論建模及穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真研究，搭建飽和器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究討論其傳熱傳質(zhì)及氣液流動(dòng)性能，并對(duì)本文建立的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　為實(shí)現(xiàn)上述研究目的，本文工作從以下幾個(gè)方面展開(kāi):
　　針對(duì)Shell爐的工藝特點(diǎn)，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(dòng)特性

3、，以質(zhì)量守恒、動(dòng)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(dòng)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(kāi)了相關(guān)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均存在較長(zhǎng)的慣性響應(yīng)時(shí)間，其中，氣側(cè)參數(shù)響應(yīng)時(shí)間較短，渣側(cè)參數(shù)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。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(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。發(fā)現(xiàn)，灰渣的比熱容對(duì)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(duì)各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

5、影響較大。
　　針對(duì)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(dòng)特性，根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)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(dòng)方向分段并分別進(jìn)行建模，在Simulink平臺(tái)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性行為。<

6、br>　　對(duì)飽和器模型進(jìn)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(jī)組設(shè)計(jì)工況，在高參數(shù)工況下對(duì)飽和器模型展開(kāi)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(dòng)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(xì)分析討論了不同進(jìn)口參數(shù)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律。動(dòng)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(duì)進(jìn)口參數(shù)上擾動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律。設(shè)計(jì)仿真工況下，

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