ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１１．１０．００２
ＩＧＣＣ空气分离系统对厂用电耗率的影响
陈超 河北电力勘测设计研究院，河北省石家庄市，０５００３１Ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ＩＧＣＣ Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｔｈｅ Ａｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＣｏｓｔＣｈｅｎ Ｃｈａｏ Ｈｅｂｅｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００３１， Ｃｈｉｎａ摘 要整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（ＩＧＣＣ）电站中的空气分离系统方案的选择十分重要，要考虑到其对ＩＧＣＣ电站厂用电耗率、燃气轮机的做功能力、燃气轮机的ＮＯｘ控制系统以及整体电站的调节灵活性的影响。本文主要介绍了在整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（ＩＧＣＣ）方案中常选用的三种空气分离系统，并对这三种空气系统在ＩＧＣＣ的厂用电耗率方面进行了比较，同时提出了自己的一些改进的措施。关键词ＧＣＣ；空分系统；厂用电耗率；燃气轮机ＡｂｓｔｒａｃｔＩｔ’ｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ＩＧＣＣ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａｉｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｓｔ， ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｗｏｒｋ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ， ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＮＯｘ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＩＧＣＣ． Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅｕｓｅｆｕｌ ｔｏ ＩＧＣＣ， ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅｍ ａｔ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ｏｆｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｂｒｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｍｉｎｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓＩＧＣＣ； Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ； Ｐｏｗｅｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｃｏｓｔ；Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ引言
众所周知：在以氧气为汽化剂的ＩＧＣＣ电站中，必须设置“空气分离系统”——简称为“空分系统”，目的在于为煤的气化炉提供所需的汽化剂——氧气［１］。目前，在ＩＧＣＣ电站中采用的制氧空分系统有以下三种方案，即：的空分系统、部分整体化空分系统、完全整体化空分系统。在实际生产中这三种空分系统对于１ＧＣＣ电站的厂用电耗率有很大
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的影响。本文中将对其影响关系进行分析。
系统所需要的压缩空气全部是从燃气轮机的压
气机中抽取的。ＩＧＣＣ电站中不再设置专门的空分压缩机单独向空分系统供应压缩空气。由于现代燃气轮机的压缩比都比较高，因而完全整体化的空分系统一定是高压的空分系统。空分后获得的压力为０．６ＭＰａ左右的氮气，再经增压后，将回注到燃气轮机中去参与循环。
“部分整体化空分系统”是指：在ＩＧＣＣ电站中仍然装有一台专门设置的空分压缩机，该压缩机既可以是低压缩比 （压缩空气的压力为０．６ＭＰａ左右） 的，也可以是高压缩比 （压缩空气的压力大约为１．２～１．６ＭＰａ）的。不过，由该压缩机供给空分系统的压缩空气之质量流率，不再像“空分系统”那样是所需空分空气质量流率的１００％，而是减少为所需空分空气质量流率的３０％～７０％。空分系统所缺的那部分空气质量流率（即所需空分空气质量流率的７０％～３０％）由燃气轮机的压气机来补给。由燃气轮机的压气机向空分系统补给的空气质量流率的百分数（７０％～３０％）则称为“部分整体化空分系统”的“部分整体化率”。当“部分整体化空分系统”中采用了低压缩比的空分压缩机时，空分所得的氮气压力很低（大约为０．１０５ＭＰａ左右），一般不再把氮气进一步增压回注燃气轮机系统。反之，当空分系统采用高压缩比的空分压缩机时，空分所得的压力较高的氮气，通常宜再增压后回注到燃气轮机中去，参与燃气轮机
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的循环过程。
２ ＩＧＣＣ的厂用电耗率与空分系统方案的关系
通过表１当中数据我们可以看出：
表１ 不同空分系统方案与厂用电耗率关系表
１ 空分系统分类及定义
“的空分系统”是指：制氧空分所需的压缩空气完全是由一台专门设置的空分压缩机供给的，空气全部从大气环境中抽取，经过该空分压缩机的增压和冷却后，供到按深冻原理工作的空分系统中去制取氧气和氮气。当空分压缩机提供的压缩空气之压力为０．６ＭＰａ左右时，空分后获得的氧气和氮气的压力大约为０．１０５ＭＰａ左右，这种空分系统称为低压的空分系统。当空分压缩机的压缩比与燃气轮机中压气机的压缩比相当，而接近于１２～１６时，空分后获得的氧气和氮气压力大约为０．６ＭＰａ左右，这种空分系统则称为高压空分系统。为了充分利用空分所得的氮气的压力能。在高压空分系统中获得的氮气经增压后．一般都回注到燃气轮机中去参与循环做功过程。由低压空分系统中获得的氮气则一般并不回注燃气轮机，否则回注氮气所需耗费的压缩功将会非常大，并且不经济。
“完全整体化的空分系统”是指；空分
Ｃｏｏｌ Ｗａｔｅｒ电站采用了较为老式的分压的空分系统，空分压缩机的效率不高，在低压氮气体不通过增压回注的前提下，厂用电效率为２０％。Ｗａｂａｓｈ Ｒｉｖｅｒ电站中也采用了分压的空分系统，低压的氮气体不通过增压回注燃气轮机，但由于采用了三级中间冷却式离心式空压机使得空分系统的电耗率大幅度地减少，因而降低了厂用电耗率。Ｔａｍｐａ电站中把空分后获得的氮气在增压后回注燃气轮机，但选用的空分系统是高压的因而空压机的耗功较多，再加上对空分之后的氧气和氮气的再增压，使得厂用电耗率高达２１．１９％。
在部分整体化空分系统中，由于空分系统所需的３５％～５１％的空气是来自效率较高的燃气轮机压气机中抽取的，其余部分的空气量则是由一台专设的可以采取中间冷却的离心式空压机来提供。所以使得空分系统的耗功率会大幅度地下降。考虑到空分后所获得的氮气之回注要求，因而专设的离心式空压机多采用高压的。即使如此，相对于高压的氮气要回注的空分系统来说，其全厂的厂用电耗率可以降低到１２％～１３％的水平。显然，部分整体化率越高，厂用电耗率有可能减少得越多。
当选用完全整体化的空分系统时，由于空分所需的空气全部从燃气轮机的压气机中抽取（其压缩效率虽然比较高，但级间的空气无法中间冷却——即压缩耗功量仍然相当大），总的来说．是可以减少厂用电耗率的。目前在氮气回注的前提下，可以把完全整体化空分的ＩＧＣＣ电站的厂用电耗率控制在１０％～ｌ１％
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左右。
综上所述，ＩＧＣＣ电站的空分系统方案的选择对于厂用电耗率是有较大影响的，所以应慎重选取。在选择空分系统的时候应充分考虑到其调节性能。尽管完全整体化空分系统方案的厂用电耗率最低，目前大多数ＩＧＣＣ电站并不建议采用，原因在于它的可调节特性差。
３ 改进措施
在ＩＧＣＣ电站中空分系统通过空分压缩机的增压和冷却分离氮气和氧气，但是采用这种空分方法的厂用电耗率较高。同种工作条件和要求下，液氧泵所消耗的功率较氧压机所消耗的功率小。如果在空气分离流程中加入液氧泵，利用液氧泵将主冷凝器中的液氧抽出和加压达到所需要的压力，代替大型增压设备，这样将会减少ＩＧＣＣ电站当中的厂用电量，从而
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达到降低厂用电耗率的效果。
４ 结束语
目前空分设备仍然是一种高能耗的设备，有人提出变压吸附法、薄膜渗透法，希望能够取代空压分离技术。但由于这两种方法尚处于起步阶段，无法满足ＩＧＣＣ电站的大型化，因而在ＩＧＣＣ电站这一领域没有得到使用。
随着科学技术的发展，不久的将来一定
下转第２３页－１７－表２ 电机启动分析结果
上接第１７页会出现更加经济有效易大型化的空气分离技术。这无疑将减少ＩＧＣＣ电站的投资，降低厂用电量耗率，提高其经济性，为这一新兴产业注入新的活力。
图４ 电机动态模型
２．２ 结果分析
本文分别对两台电机不同的启动方式进行分析。
（１）两台电机同时启动，在ＥＴＡＰ中设置两台电机在２ｓ时启动，１０ｓ时电机逐步加载至满载状态，各母线的电压降如图５所示。
３ 结论
准确的大电机启动分析对海洋平台电力系统设计具有重要意义，相比静态分析，大电机动态启动分析可以更详细准确得描述大电机启动过程。本文结合电力系统仿真分析软件ＥＴＡＰ及其电机启动分析程序，详细介绍了电机动态启动分析过程，并对渤海某平台项目实例进行建模和大电机动态启动分析，进行了不同启动方式的比较和选择。
图５ 两台电机同时启动时母线电压降
（２）两台电机间隔８ｓ启动，在ＥＴＡＰ中设置一台电机在２ｓ时启动，另一台电机在１０ｓ时启动，２０ｓ时电机逐步加载至满载状态，各母线的电压降如图６所示。
图６ 两台电机间隔８ｓ启动时母线电压降
（３）两台电机间隔８ｓ星三角启动，在ＥＴＡＰ中设置两台电机均为星三角启动，星三角切换时间为８ｓ，在２ｓ时一台电机启动，１８ｓ时另一台电机开始启动，４０ｓ时电机逐步加载至满载状态，电机启动过程中各母线的电压降如图７所示。
图７ 两台电机间隔８ｓ星三角启动时母线电
压降
通过以上分析可知，三种情况下电机均能正常启动，但两台电机直接启动时母线电压降较大，最大达到接近２０％，两台电机间隔８ｓ星三角启动时对系统的影响最小，并且启动设备简单，投资较小。三种情况下电机启动结果总结如表２所示。
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