350MWe富氧燃烧空分系统变负荷特性分析及优化

韩 涛,江 蓉,贾振宇,倪宏伟*,廖海燕,赖勇杰,张金生,曹 峻

[1.神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京100025; 2.四川空分设备(集团)有限责任公司,四川简阳641400]

1 前 言

为应对温室效应引发的气候变化 ,发展碳捕集 与封存技术(Carbon capture, utilization and storage, CCUS)刻不容缓。相较于其他CCUS技术 , 富氧燃 烧具有成本低、易于现有机组改造等优势,被认为是最有可能大规模推广和商业应用的 CCUS 技术之一[1]。为降低富氧燃烧系统能耗,国内外许多学者 从空分系统单元优化、富氧燃烧系统集成优化等方 面开展了相关研究[2-5]。制氧单耗低、动态响应快的 低能耗富氧空分技术是降低富氧燃烧电站能耗和成 本的关键因素。四川空分对用于富氧燃烧空分系统 的新型三塔流程进行了分析优化,单位制氧能耗较 常规空分工艺降低8%～10%[6-7]。富氧燃烧燃煤电厂根据电网调度的要求,负荷变化范围和变化速 率较大,一般变负荷范围在30%～100%,变负荷速 率高于3%/min, 因此空分系统的动态调节能力是 影响燃煤电厂高效运行的重要因素之一。根据 350MWe富氧燃烧发电机组的变负荷需求,对配套 的低纯氧空分系统的变负荷调节方法进行了研究。

2 350MWe富氧燃烧空分系统及变负荷要求

用于富氧燃烧的空分系统,其装置供氧量需要随发电机组负荷变化进行调节。350MWe富氧燃烧发电机组负荷调节范围为30%～100%,且要求在50%～100%时,变负荷速率不低于5%/min;在30%～50%时,变负荷速率不低于3%/min。机组最大连续出力工况的氧气耗量按100%负荷增大10%考虑。发电机组典型工况下的氧气耗量及变负荷要求如表1及表2所示。

表1 发电机组变负荷工况对应的氧气量

表2 机组全年不同负荷运行小时数

根据350MWe富氧燃煤电厂机组最大连续出力工况的耗氧量要求,需配置2套氧气产量规模为85 000 Nm3/h 的空分装置。为了满足主冷凝蒸发器的安全排放要求,同时便于不同工况下的氧产量的调节,液氧产量设计为1500 Nm3/h。表3为单套空分装置规格技术指标。

表3 350MWe富氧燃烧低纯氧空分装置产品技术指标

采用四川空分开发的从空气中制取低纯度氧气的相关专利技术[8],350 MWe富氧燃烧空分系统的新型三塔空分流程如图1所示。按表3中产品参数,氧纯度为97%时,通过模拟计算可得低纯氧空分系统的制氧单耗为0.3405 kW·h/Nm3-O2,单耗较常规双塔空分流程降低约12%,节能效益显著。

1.自洁式过滤器;2.空气压缩机;3.空气压缩机末级;4.空气冷却塔;5.水冷塔;6.常温水泵;7.低温水泵;8.纯化器;9.蒸汽加热器;10.电加热器;11.增压透平膨胀机;12.增压后冷却器;13.主换热器;14.过冷器;15.上塔;16.下塔;17.辅助下塔;18.主冷凝蒸发器;19.辅冷凝蒸发器;20.液氧自增压器;21.放空消音器

3 350MWe富氧燃烧空分系统变负荷特性分析及优化

综合考虑空压机、膨胀机、精馏塔等空分系统主要设备的调节范围及系统运行的稳定性要求,空分装置整体变负荷范围通常为75%～105%[9]。目前,空分系统变负荷调节一般有以下几种方式[10]:空分装置自动变负荷、多设备并联配置、氧氮互换[11]、液氧后备增压汽化调节、增加液化装置、气体放散等。基于350MWe富氧燃烧发电机组对配套空分系统的变负荷范围达30%～100%、变负荷速率不低于3%/min的调节要求,采用上述方式中的一种往往不能满足要求,因此需要采用多种方法相结合的方式进行空分系统变负荷调节。

3.1 富氧燃烧空分系统变负荷总体调节方案

350MWe富氧燃烧低纯氧空分系统的变负荷调节方案如图2所示。空压机的负荷调节范围一般为75%～105%,单套空分系统若在低于75%工况下稳定运行需要采用多台空压机并联。根据30%～100%的变负荷需求,确定富氧燃烧空分系统的变负荷总体调节方案如下:

图2 350MWe富氧燃烧空分系统变负荷调节示意图

1.当发电机组负荷需求在50%工况以下时,运行单套空分系统;对于30%～50%变负荷工况,单套空分采用空压机并联的方式,实现低负荷下空压机的稳定运行。

2.当发电机组负荷需求在50%～100%工况时,运行两套空分系统。

3.通过氧气及液氧产量的优化调节,进行空分系统变负荷。

4.氧氮互换和后备系统用于空分系统实现快速变负荷。

5.对于突发的供氧负荷变化,以装置的稳定运行为主,短时间内可采用大量放散或后备系统大量汽化来实现装置稳定运行的调节方案。

3.2 氧产量优化调节用于空分系统变负荷

根据350MWe富氧燃烧发电机组负荷特性,调节各工况下液氧及氧气产品的比例,在低负荷运行时减少氧气产量,生产更多的液氧储存;空分负荷提高氧气量不足时,储存的液氧用于补充,如图3所示。通过合理地调节分配氧产量,可以减少变负荷时氧气的放散量,降低各变负荷工况下的空分系统能耗。

图3 氧产量优化调节用于空分系统变负荷调节示意图

结合表3中空分装置性能参数,按照不同负荷运行时间,空分装置在发电机组各工况下稳定运行时,在30%～100%负荷范围内的氧产量优化调节数据见表4。从表4中可知,优化各工况的氧产量后,每日液氧总产量能够补充100%工况下氧气量的不足。100%～50%工况下空分系统空压机负荷均相对减少,空分系统整体运行能耗降低约9%。

表4 氧产量的优化调节用于350MWe富氧燃烧空分系统变负荷

3.3 空分系统氧氮互换快速变负荷方案

350MWe富氧燃烧发电机组需要快速变负荷,要求空分系统变负荷速率不低于3%/min,选取液氧自增压器中液氧与下塔经过冷器后的一部分液氮进行氧氮互换调节。当供氧负荷由A变化至B时,空分装置在工况稳定的情况下,综合考虑需氧量、液氧、液氮贮罐中 液体量,采取注氮取氧或注氧取氮。氧氮互换的调节 需要配置后备系统用于液氧的储存及汽化调节。

后备系统根据350MWe富氧燃烧发电机组最大连续出力工况的纯氧需求量,空分系统液氧后备系统的液氧泵及汽化器总设计处理量为180 000 Nm3/h,保证空分装置突然停车时有效供氧。

根据表4变负荷工况氧产量的优化结果,空分系统全天有足够的液氧满足氧氮互换需求。当空分系统负荷变化较大时(如从30%快速变为100%),应联合采用氧氮互换和液氧后备系统调节方式以达到快速变负荷的要求,如图4所示。

图4 注氧取氮氧氮互换变负荷调节示意图

表5列出了典型的工况变化时,氧氮互换系统的液氧、液氮匹配情况。液氧、液氮流量可以根据实际需要进行调整。

表5 典型变负荷工况的氧氮互换

4 结 论

1.针对350MWe富氧燃烧发电机组的氧耗量及变负荷特性,配置空分装置时,综合考虑变负荷工况的需求确定装置的氧气及液氧产量,有利于各工况氧产量的优化调节。

2.基于350MWe富氧燃烧发电机组变负荷范围达30%～100%、变负荷速率不低于3%/min的要求,需要采用多台空压机并联、氧氮互换及液氧后备系统等多种方法结合进行空分系统变负荷调节。

3.通过合理优化各变负荷工况下的液氧及氧气产量,100%～50%工况下空分系统空压机负荷均相 对减少,空分系统整体运行能耗降低约9%。

4.富氧燃烧空分系统变负荷速率不低于3%/min,可采用氧氮互换的方式实现负荷的连续调节。