Ｊｕｎｅ ２０１１ ２２・ ・化肥设计 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ 第４９卷第３期 ２０１１年６月 基于ＩＧＣＣ电站空分系统的选型与配置 林发现、，张宗飞 （１．河南开祥化工有限公司，河南义马４７２３００；２．中国五环工程有限公司，湖北武汉４３０２２３） 摘要：ＩＧＣＣ电站空分系统的选型与配置包括空分系统的整体化程度、大型空压机和增压机的驱动方式、空分装 置的规模和系列数等要素。分析了的、部分整体化以及完全整体化等３种空分系统的优缺点，推荐采用部分 整体空分系统；讨论了驱动大型空压机和增压机的蒸汽轮机、燃气轮机以及电动机等３种驱动方式的利弊，建议采 用电机驱动；针对大型ＩＧＣＣ项目空分装置的配置，建议在可靠性的前提下，以大型化和系列数较少为宜。 关键词：ＩＧＣＣ电站空分装置；选型；配置；整体化率；大型空压机和增压机驱动方式；空分装置规模与系列数 中图分类号：ＴＢ６５７．１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—８９０１（２０１１）０３—００２２一ｏ３ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｉｒ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＧＣＣ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＬＩＮ Ｆａ・ｘｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ—ｆｅｉ （１．Ｋａｉｘｉａｎｇ Ｃｈｅｍｗａｌ・Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，Ｙ／ｍａ Ｈｅｎａｎ ４７２３００ Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｗｕｈｕａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３０２２３ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＩＧＣＣ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ・ｓｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｄ ｂｏｏｓｔｅｒ，ｍａｉｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ｎｕｍｂｅｒ ｅｔｃ．ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ．Ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ，ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ａｎｄ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａａｉｌａｌｙ ｉｎ— ｔｅｇｒａｔｅ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ａｄｏｐｔ；ｈａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅｓ ｏｆｒ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ， ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｍｏｔｏｒ ｅｔｃ．ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｌｒａｇｅ—ｓｉｚｅｄ ｂｏｏｓｔｅｒｓ，ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｕｓｅ； ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｃｏｎｆｉｕｇｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｄ［ＧＣＣ ｐｒｏｊｅｃｔ．ｉｔ ｗａｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｌｅｓｓ ＳｅｌＶｅｓ ｎｕｍｂｅｒ ｗａｓ ｎｌ０ｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ｐｒｅｓｕｐｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｏｆ ＩＧＣＣ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ。ｓｉｚｅｄ ａｉｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｎａｄ ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｄ ｂｏｏｓｔｅｒ； ａｉｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｔ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ｎｕｍｂｅｒ 整体煤气化联合循环（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｓｆｉｃａｔｉｏｎ 系统。由于ＩＧＣＣ电站具有与通常的化工装置或是 Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ，简称ＩＧＣＣ）是将煤气化技术和高 炼钢厂不同的特殊性，因此在空分系统的选择上需 效联合循环发电技术相结合的一种先进供能系统， 要考虑以下主要因素：①整体化程度；②大型空压 具有环保（脱硫率９８％、ＮＯ 排放为常规电站的 机和大型增压机驱动方式；③空分规模大型化的成 １０％、粉尘排放基本为零）、节水（为常规电站的１／３ 熟度以及空分规模和系列数选择。笔者以下针对 —１／２）、可多联产、煤种适应性广和效率高等优点， 现有ＩＧＣＣ电站的实际情况，对空分系统选型配置 特别是今后可与ＣＯ 回收技术结合，是最有可能实 的３要素进行重点分析，以期为ＩＧＣＣ电站的空分 现无温室气体排放的洁净煤气化技术 Ｊ。目前世 系统设计方案的选择提供依据。 界上已经投入商业运行的ＩＧＣＣ电站约２Ｏ余座，国 外成功示范的纯发电ＩＧＣＣ电站有Ｔａｍｐａ、Ｎｕｏｎ、 １ 空分系统整体化程度 ＷａｂａｓｈＲｉｖｅｒ和Ｐｕｅｒｔｏｌｌａｎｏ电站等。国内目前有多 １．１空分系统方案 个ＩＧＣＣ电站正在规划中，但真正意义上正在建设 目前，在ＩＧＣＣ电站采用的制氧空分系统主要 的只有华能绿色煤电天津ＩＧＣＣ电站，预计于２０１ １ 有的空分系统、部分整体化空分系统和完全整 年投入运行。 体化空分系统心 等３种方案。 ＩＧＣＣ整个系统主要由气化岛部分和动力岛部 分组成，其中气化岛部分又包括空气分离系统（以 作者简介：林发现（１９６３年一），男，河南原阳人，１９８２年毕业于郑州 下简称“空分系统”）、煤气化系统和净化系统３大 工学院化工系，高级工程师，从事化工生产技术管理工作。 第３期 林发现等基于ＩＧＣＣ电站空分系统的选型与配置 ・２３・ （１）的空分系统。是指制氧空分所需的 压缩空气完全由１台专门设置的空分压缩机供给， 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，经过深冷分离氧气和氮气。 （２）完全整体化的空分系统。是指空分系统 所需要的压缩空气全部是从燃气轮机的空气压缩 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。 （３）部分整体化空分系统。是指在ＩＧＣＣ电站 中仍然装有１台专门设置的空分压缩机，但由该压 缩机供给空分系统的压缩空气之质量流率，不再像 空分系统那样为所需空分空气质量流率的 １００％，而是减少了部分质量流率，空分系统所缺的 那部分空气质量流率则由燃气轮机的空气压缩机 来补给。由燃气轮机的空气压缩机向空分系统补 给的空气质量流率的百分数则称为“部分整体化空 分系统”的“部分整体化率”。 １．２电站基本信息 国外４座ＩＧＣＣ示范电站基本信息见表１。表１ 中所示空分等级是指当空分压缩机提供的压缩空 气压力为０．６ ＭＰａ左右时，空分后获得的氧气和氮 气的压力大约为０．１０５ ＭＰａ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 气轮机中空气压缩机的压缩比相当，而接近于１２～ １６时，空分后获得的氧气和氮气压力大约为 ０．６ ＭＰａ左右，这种空分系统则称为高压空分系统。 表１ 国外ＩＧＣＣ示范电站基本信息 由表１可以看出，在效率方面，采用整体化空分 系统的Ｎｕｏｎ电站和Ｐｕｅｒｔｏｌｌａｎｏ电站在厂用电耗率方 面明显低于采用空分Ｔａｍｐａ电站；采用低压空 分的Ｗａｂａｓｈ电站由于不考虑氮气的回注，在厂用电 耗率上明显低于同样采用空分的Ｔａｍｐａ电站。 １．３特性比较 尽管采用完全整体化空分系统的厂用电耗率 较低，但其特性并不十分理想，主要来自以下３ 个方面。 （１）启动。由于采用整体空分，空分系统不单 独设置空压机，其启动需要在燃气轮机处于正常运 行状态才能启动，但在ＩＧＣＣ电站中，正常情况下， 空分系统给煤气化供氧气后产出煤气经净化后才 能给燃气轮机供气，整体空分会使得开车期间用于 燃气轮机的燃气（通常以天然气为主）消耗较大，且 在空分系统启动的长达２～３天过程中，燃气轮机的 运行都会受到空分系统的影响。 （２）低负荷。由于燃气轮机压气机中供空分 的空气流量必须减少，使得燃气初温降低从而影响 ＩＧＣＣ的效率。 （３）氧气稳定性。在较低负荷下，由于空分系 统的压力会较小，从而很难保证供煤气化所用氧气 浓度稳定在设计值附近。 １．４配置建议 基于以上原因，考虑到部分整体化空分的效率 比空分高，同时其低负荷开车的形式可避免对 燃气轮机压气机的影响。部分整体化率对于ＩＧＣＣ 的效率有一定影响，通常与合成煤气和设计工况所 定的大气温度ｔ有关。根据研究表明：设计工况的 大气温度取值越高，部分整体化率应选择得越小； 当设计工况的大气温度值选定后，如果ＩＧＣＣ电站 中的燃气轮机选择热值较低的煤气时，空分系统的 部分整体化率应选得比较高 。 ２大型空压机和增压机驱动方式 空分压缩机、增压机设备的驱动可以由电动 机、蒸汽轮机或燃气轮机驱动。当空分采用电动机 驱动时，空压机和增压机通常分别通过２台电机驱 动。当空分采用蒸汽轮杌／燃气轮机驱动时，空压 机和增压机可通过１台蒸汽轮机／燃气轮机同轴驱 动。目前ＩＧＣＣ电站空分中的大型压缩机组通常采 用电驱动方式，这与化工行业中空分主要采用汽驱 的方式有所不同，原因如下。 （１）投资成本。蒸汽轮机驱动的投资成本高 于电动机驱动的投资成本，而电动机驱动具有清 洁、维护量小等优点，在空分压缩设备驱动市场占 据主导地位。 （２）能量利用效率。由于化工行业生产需要， 装置中通常会设置锅炉，全厂有不同等级的蒸汽管 网供化工装置内部使用。在此情况下，与采用电驱 ・２４・ 化肥设计 ２０１１年第４９卷 相比，由于不存在能量的二次转化，所以空分系统 的压缩机采用汽驱的驱动效率要高于电驱。但在 ＩＧＣＣ电站中，燃气轮机的发电过程中，并没有经过 煤转化成蒸汽再转化成电的过程，所以从能量效率 上看，ＩＧＣＣ电站中并不存在用蒸汽驱动和电驱动 谁更节能的问题。 （３）运行可靠性。采用电驱和蒸汽驱动均具有 较高的可靠性，需要说明的是，对于电驱动而言，目前 世界上异步电动机功率一般小于２０ ＭＷ，已运行的 国产异步电动机最大容量为１８ ＭＷ，可制造容量为 ２５ ＭＷ的异步电动机；同步电动机功率一般大于２０ ＭＷ，已经制造的同步电动机最大功率可达７０ ＭＷ。 （４）业绩。目前国外成功示范的４座纯发电 ［ＧＣＣ电站Ｔａｍｐａ、Ｎｕｏｎ、ＷａｂａｓｈＲｉｖｅｒ和Ｐｕｅｒｔｏｌｌａｎｏ 电站的空分压缩机装置均采用电动机驱动方式 ］。 ３空分规模和系列数 对于大型ＩＧＣＣ项目而言，空分装置还需要考 虑单套空分规模和系列数。目前引进空分装置的 最大成熟制氧能力约１００ ０００ ｉｎ ／ｈ，在该规模下，空 分装置技术应用成熟，业绩较多。国外空分装置成 套供应商的主要典型业绩见表２。国产空分装置目 前已有运行的单套最大制氧能力为５８ ０００ Ｉｎ ／ｈ，空 分供应商为杭氧股份有限公司，用户为内蒙古大唐 多伦煤基烯烃项目。 表２国外空分成套供应商的主要典型业绩 供应商名称 用户 项目地点单套制氧能时间 以国内某项目为例，根据装置用户要求，空分能 力（氧气量）为３４８ ０００ ＩＴＩ ／ｈ，在此前提下，可以考虑 选择４套８７ ０００ ｒｆｌ。／ｈ的方案或６套５８ ０００ ｍ ／ｈ的 方案。某ＩＧＣＣ项目空分装置的规模和系列数比较 见表３。 表３某ＩＧＣＣ项目空分装置的规模和系列数比较 由表３可见，在相同制氧能力和可靠性的的前 提下，方案１在占地、投资上均要优于方案２，表明 宜采用单套规模较大和系列数较小的空分系统，但 并非单套规模越大越好，若采用更大规模的空分来 减少空分套数则在技术上存在风险。所以，对于空 分装置系列数的选择，应在空分装置可靠性的前提 下向大型化配置，以节省投资、运行维护费用以及 人力资源。 ４ 结论 （１）在ＩＧＣＣ电站中采用的制氧空分系统有３ 种方案，即的空分系统、部分整体化空分系统 以及完全整体化空分系统。现有运行ＩＧＣＣ电站情 况表明：①如采用完全整体化空分系统，其特 性不够理想；②的空分效率较低；③部分整体 化空分既可以比空分效率高，同时也可以采用 低负荷开车的形式避免对燃气轮机压气机的影响， 所以被推荐采用。 （２）在空分系统大型空压机和增压机驱动方 式上，通过对投资成本、能量利用效率、运行可靠性 和运行业绩等方面的比较，建议采用电驱方式。 （３）对于空分装置系列数的选择，应在空分装 置可靠性的前提下向大型化配置，以节省投资、运 行维护费用及人力资源。 参考文献： ［１］徐强，曹江．整体煤气化联合循环（ｉＧｃｃ）特点综述及产业化前 景分析［Ｊ］．锅炉技术，２００６，３７（６）：１—９． ［２］吕泽华，赵士杭．空分系统集成度对ＩＧＣＣ系统性能的影响［Ｊ］． 燃气轮机技术，２０００，１３（１）：２８—３２． ［３］中国ＩＧＣＣ技术研究项目ＩＧＣＣ技术考察报告［Ｒ］．亚洲开发银 行，１９９８． ［４］戚利利．整体煤气化联合循环动力岛及系统特性研究［Ｊ］．煤炭 燃烧，２０１０，１６（５）：６８—７２． ［５］焦树建．论ＩＧＣＣ的空分系统［Ｊ］．燃气轮机技术，１９９８，１１ （４）：ｉ一１２． ［６］郑振安．煤气化技术应用的新领域——ＩＧｃｃ［Ｊ］．化肥设计， ２００６，４４（５）：３． 收稿日期：２０１１－０４－２１
