韓 濤,江 蓉,賈振宇,倪宏偉*,廖海燕,賴勇杰,張金生,曹 峻

[1.神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100025; 2.四川空分設(shè)備(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川簡陽641400]

1 前 言

為應(yīng)對溫室效應(yīng)引發(fā)的氣候變化 ,發(fā)展碳捕集 與封存技術(shù)(Carbon capture, utilization and storage, CCUS)刻不容緩。相較于其他CCUS技術(shù) , 富氧燃 燒具有成本低、易于現(xiàn)有機(jī)組改造等優(yōu)勢,被認(rèn)為是最有可能大規(guī)模推廣和商業(yè)應(yīng)用的 CCUS 技術(shù)之一[1]。為降低富氧燃燒系統(tǒng)能耗,國內(nèi)外許多學(xué)者 從空分系統(tǒng)單元優(yōu)化、富氧燃燒系統(tǒng)集成優(yōu)化等方 面開展了相關(guān)研究[2-5]。制氧單耗低、動態(tài)響應(yīng)快的 低能耗富氧空分技術(shù)是降低富氧燃燒電站能耗和成 本的關(guān)鍵因素。四川空分對用于富氧燃燒空分系統(tǒng) 的新型三塔流程進(jìn)行了分析優(yōu)化,單位制氧能耗較 常規(guī)空分工藝降低8%～10%[6-7]。富氧燃燒燃煤電廠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求,負(fù)荷變化范圍和變化速 率較大,一般變負(fù)荷范圍在30%～100%,變負(fù)荷速 率高于3%/min, 因此空分系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)能力是 影響燃煤電廠高效運(yùn)行的重要因素之一。根據(jù) 350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷需求,對配套 的低純氧空分系統(tǒng)的變負(fù)荷調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了研究。

2 350MWe富氧燃燒空分系統(tǒng)及變負(fù)荷要求

用于富氧燃燒的空分系統(tǒng),其裝置供氧量需要隨發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為30%～100%,且要求在50%～100%時,變負(fù)荷速率不低于5%/min;在30%～50%時,變負(fù)荷速率不低于3%/min。機(jī)組最大連續(xù)出力工況的氧氣耗量按100%負(fù)荷增大10%考慮。發(fā)電機(jī)組典型工況下的氧氣耗量及變負(fù)荷要求如表1及表2所示。

表1 發(fā)電機(jī)組變負(fù)荷工況對應(yīng)的氧氣量

表2 機(jī)組全年不同負(fù)荷運(yùn)行小時數(shù)

根據(jù)350MWe富氧燃煤電廠機(jī)組最大連續(xù)出力工況的耗氧量要求,需配置2套氧氣產(chǎn)量規(guī)模為85 000 Nm3/h 的空分裝置。為了滿足主冷凝蒸發(fā)器的安全排放要求,同時便于不同工況下的氧產(chǎn)量的調(diào)節(jié),液氧產(chǎn)量設(shè)計為1500 Nm3/h。表3為單套空分裝置規(guī)格技術(shù)指標(biāo)。

表3 350MWe富氧燃燒低純氧空分裝置產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

采用四川空分開發(fā)的從空氣中制取低純度氧氣的相關(guān)專利技術(shù)[8],350 MWe富氧燃燒空分系統(tǒng)的新型三塔空分流程如圖1所示。按表3中產(chǎn)品參數(shù),氧純度為97%時,通過模擬計算可得低純氧空分系統(tǒng)的制氧單耗為0.3405 kW·h/Nm3-O2,單耗較常規(guī)雙塔空分流程降低約12%,節(jié)能效益顯著。

1.自潔式過濾器;2.空氣壓縮機(jī);3.空氣壓縮機(jī)末級;4.空氣冷卻塔;5.水冷塔;6.常溫水泵;7.低溫水泵;8.純化器;9.蒸汽加熱器;10.電加熱器;11.增壓透平膨脹機(jī);12.增壓后冷卻器;13.主換熱器;14.過冷器;15.上塔;16.下塔;17.輔助下塔;18.主冷凝蒸發(fā)器;19.輔冷凝蒸發(fā)器;20.液氧自增壓器;21.放空消音器

3 350MWe富氧燃燒空分系統(tǒng)變負(fù)荷特性分析及優(yōu)化

綜合考慮空壓機(jī)、膨脹機(jī)、精餾塔等空分系統(tǒng)主要設(shè)備的調(diào)節(jié)范圍及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求,空分裝置整體變負(fù)荷范圍通常為75%～105%[9]。目前,空分系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)一般有以下幾種方式[10]:空分裝置自動變負(fù)荷、多設(shè)備并聯(lián)配置、氧氮互換[11]、液氧后備增壓汽化調(diào)節(jié)、增加液化裝置、氣體放散等?；?50MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組對配套空分系統(tǒng)的變負(fù)荷范圍達(dá)30%～100%、變負(fù)荷速率不低于3%/min的調(diào)節(jié)要求,采用上述方式中的一種往往不能滿足要求,因此需要采用多種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行空分系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)。

3.1 富氧燃燒空分系統(tǒng)變負(fù)荷總體調(diào)節(jié)方案

350MWe富氧燃燒低純氧空分系統(tǒng)的變負(fù)荷調(diào)節(jié)方案如圖2所示?？諌簷C(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍一般為75%～105%,單套空分系統(tǒng)若在低于75%工況下穩(wěn)定運(yùn)行需要采用多臺空壓機(jī)并聯(lián)。根據(jù)30%～100%的變負(fù)荷需求,確定富氧燃燒空分系統(tǒng)的變負(fù)荷總體調(diào)節(jié)方案如下:

圖2 350MWe富氧燃燒空分系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)示意圖

1.當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷需求在50%工況以下時,運(yùn)行單套空分系統(tǒng);對于30%～50%變負(fù)荷工況,單套空分采用空壓機(jī)并聯(lián)的方式,實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下空壓機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷需求在50%～100%工況時,運(yùn)行兩套空分系統(tǒng)。

3.通過氧氣及液氧產(chǎn)量的優(yōu)化調(diào)節(jié),進(jìn)行空分系統(tǒng)變負(fù)荷。

4.氧氮互換和后備系統(tǒng)用于空分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速變負(fù)荷。

5.對于突發(fā)的供氧負(fù)荷變化,以裝置的穩(wěn)定運(yùn)行為主,短時間內(nèi)可采用大量放散或后備系統(tǒng)大量汽化來實(shí)現(xiàn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)節(jié)方案。

3.2 氧產(chǎn)量優(yōu)化調(diào)節(jié)用于空分系統(tǒng)變負(fù)荷

根據(jù)350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組負(fù)荷特性,調(diào)節(jié)各工況下液氧及氧氣產(chǎn)品的比例,在低負(fù)荷運(yùn)行時減少氧氣產(chǎn)量,生產(chǎn)更多的液氧儲存;空分負(fù)荷提高氧氣量不足時,儲存的液氧用于補(bǔ)充,如圖3所示。通過合理地調(diào)節(jié)分配氧產(chǎn)量,可以減少變負(fù)荷時氧氣的放散量,降低各變負(fù)荷工況下的空分系統(tǒng)能耗。

圖3 氧產(chǎn)量優(yōu)化調(diào)節(jié)用于空分系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)示意圖

結(jié)合表3中空分裝置性能參數(shù),按照不同負(fù)荷運(yùn)行時間,空分裝置在發(fā)電機(jī)組各工況下穩(wěn)定運(yùn)行時,在30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的氧產(chǎn)量優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)見表4。從表4中可知,優(yōu)化各工況的氧產(chǎn)量后,每日液氧總產(chǎn)量能夠補(bǔ)充100%工況下氧氣量的不足。100%～50%工況下空分系統(tǒng)空壓機(jī)負(fù)荷均相對減少,空分系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗降低約9%。

表4 氧產(chǎn)量的優(yōu)化調(diào)節(jié)用于350MWe富氧燃燒空分系統(tǒng)變負(fù)荷

3.3 空分系統(tǒng)氧氮互換快速變負(fù)荷方案

350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組需要快速變負(fù)荷,要求空分系統(tǒng)變負(fù)荷速率不低于3%/min,選取液氧自增壓器中液氧與下塔經(jīng)過冷器后的一部分液氮進(jìn)行氧氮互換調(diào)節(jié)。當(dāng)供氧負(fù)荷由A變化至B時,空分裝置在工況穩(wěn)定的情況下,綜合考慮需氧量、液氧、液氮貯罐中 液體量,采取注氮取氧或注氧取氮。氧氮互換的調(diào)節(jié) 需要配置后備系統(tǒng)用于液氧的儲存及汽化調(diào)節(jié)。

后備系統(tǒng)根據(jù)350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組最大連續(xù)出力工況的純氧需求量,空分系統(tǒng)液氧后備系統(tǒng)的液氧泵及汽化器總設(shè)計處理量為180 000 Nm3/h,保證空分裝置突然停車時有效供氧。

根據(jù)表4變負(fù)荷工況氧產(chǎn)量的優(yōu)化結(jié)果,空分系統(tǒng)全天有足夠的液氧滿足氧氮互換需求。當(dāng)空分系統(tǒng)負(fù)荷變化較大時(如從30%快速變?yōu)?00%),應(yīng)聯(lián)合采用氧氮互換和液氧后備系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式以達(dá)到快速變負(fù)荷的要求,如圖4所示。

圖4 注氧取氮氧氮互換變負(fù)荷調(diào)節(jié)示意圖

表5列出了典型的工況變化時,氧氮互換系統(tǒng)的液氧、液氮匹配情況。液氧、液氮流量可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

表5 典型變負(fù)荷工況的氧氮互換

4 結(jié) 論

1.針對350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組的氧耗量及變負(fù)荷特性,配置空分裝置時,綜合考慮變負(fù)荷工況的需求確定裝置的氧氣及液氧產(chǎn)量,有利于各工況氧產(chǎn)量的優(yōu)化調(diào)節(jié)。

2.基于350MWe富氧燃燒發(fā)電機(jī)組變負(fù)荷范圍達(dá)30%～100%、變負(fù)荷速率不低于3%/min的要求,需要采用多臺空壓機(jī)并聯(lián)、氧氮互換及液氧后備系統(tǒng)等多種方法結(jié)合進(jìn)行空分系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)。

3.通過合理優(yōu)化各變負(fù)荷工況下的液氧及氧氣產(chǎn)量,100%～50%工況下空分系統(tǒng)空壓機(jī)負(fù)荷均相 對減少,空分系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗降低約9%。

4.富氧燃燒空分系統(tǒng)變負(fù)荷速率不低于3%/min,可采用氧氮互換的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的連續(xù)調(diào)節(jié)。