[科普中国]-IGCC空气分离系统

简介

众所周知:在以氧气为气化剂的IGCC电站中，必须设置“空气分离系统”(以后简称为“空分系统”)，以便制取煤的气化炉所需的气化剂—氧气。目前，在IGCC电站中采用的制氧空分系统有以下三种方案，即:①独立的空分系统;②部分整体化空分系统;③完全整体化空分系统。

所谓“独立的空分系统”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作功过程。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会非常大，并不经济合算。

所谓“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压气机中抽取的，那时.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，经增压后，将回注到燃气轮机中去参与循环。

所谓“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的(即压缩空气的压力为0.6MPa左右)，也可以是高压缩比的(即压缩空气的压力大约为1.2-1.6MPa，它与现代燃气轮机中由压气机提供的压缩空气的压力相当)。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“独立空分系统”者那样，是所需空分空气质量流率的10000，而是减少为所需空分空气质量流率的30%-70%。那时，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%)则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(7000-3000)则称为“部分整体化空分系统”的“部分整体化率”。

倘若在“部分整体化空分系统”中所专门设置的那台空分压缩机是低压缩比的，即由燃气轮机的压气机提供给空分系统的压缩空气的压力比由这台空分压缩机提供者高较多时，为了充分利用压缩空气的压力能，应在燃气轮机压气机的抽气侧设置膨胀透平，以便回收部分机械功或电能。

如前所述，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，那么，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，参与燃气轮机的循环过程。

实践表明:上述三种制氧空分系统对于IGCC电站的厂用电耗率,燃气轮机的作功能力、燃气轮机的NO:控制系统，以及整个电站调节控制的灵活性都有严重的影响1。

独立空分系统的调控特性目前，多数的空分系统均采用中间冷却器的离心式压缩机，甚至还有把入口的空气温度冷却到4.4℃左右再进行压缩的，这样可以减少厂用电耗率。一般，只有O₂气的日产量达到2500t/d时，才需要考虑采用轴流一离心式压缩机。

在独立的空分系统中，空气压缩机通常是恒速运转的，它利用改变进口可转导叶的角度来调节空气的流量，设计时应选一年中空分系统运行时数最多的工况点，作为空分压缩机的设计点。或者是选取某特定大气条件下的满负荷工况点。作为空分压缩机的设计点。当用进口可转导叶来调节空气流量时，空分压缩机的压缩比是变化不大的。压缩机的变工况运行线是比较平坦的，这就是说，在整个变工况范围内，空分系统中蒸馏塔的压力变化不大，因而所产O₂气的浓度比较稳定。这是一种高效的运行方式。

部分整体化空分系统的调控特性在燃气轮机的工作不受影响的条件下，可以先启动部分整体化率为50%左右的专设的空分压缩机，进而可以启动煤气化炉和煤气的净化系统。当燃气轮机携带一定负荷后，就可以切换用合格的合成煤气。此后，才能从燃气轮机的压气机中向空分系统抽取压缩空气。

专设的空分压缩机一般也是恒速运行的，也可以用改变进口可转导叶的角度来调节其流量。但是由于该空分压缩机的出口与燃气轮机压气机的抽气口并联工作，因而在变工况条件下，该压缩机的压缩比将同步地取决于燃气轮机压气机的压缩比。对燃气轮机来说，当负荷从100%设计工况降低到50%负荷工况时，从燃气轮机中抽取的压缩空气的压力。大约要降低到压力额定值的65%左右。进入空分系统的压缩空气压力这种变化关系，将会对空分系统产生以下一些影响，即:

①空分系统中高压蒸馏塔和低压蒸馏塔的压力都会随负荷的下降而急剧地降低;

②蒸馏塔压力下降时。液相物质就会加快蒸发.致使N₂和O₂的蒸汽相物质增多.这样，就会造成供O₂浓度以及回注的N:气量增加。致使供O₂的浓度超出预定的95%±1%的规范要求.为了解决这个矛后，就必须采用先进的APCI控制系统;

③随着机组负荷的下降，要求供给气化炉的O₂:气量应该随之减少，也就是说，必须减少供向空分系统的总空气流量。但是为了在低负荷工况下尽可能地使燃气轮机的燃气初温维持得高些，以求保证较高的效率，就应该保持从燃气轮机的压气机中抽取的空气流量基本上恒定不变，而应尽可能地来减少从专设的空分压缩机中向空分系统供给空气流量，因而随着机组负荷的降低，该空分压缩机将在低压缩比和低空气流率的条件下运行，显然，这种压缩机的运行线要比独立空分系统中压缩机的运行线变陡得很多。一般来说，这种压缩机的效率不会很高，特别是在低负荷工况下效率会更低。因而必须慎重地选择这类压缩机的设计工况点，应该力求把IGCC运行时数最多的工况点设计在压缩机的压缩效率为最高的运行点上;

④随着机组负荷的下降，气化炉的压力可以维持不变，或者是下降得要比空分系统的供气压力的变化略微缓慢一些，因而在机组的低负荷工况下，空分系统后的N₂气和O₂气的压缩机，都将在比设计值更高的压缩比，以及较高的容积流率的条件下运行。必须要求N₂气和O₂气压缩机能够适应这种运行特点的变化;

⑤IGCC电站负荷的跟踪性能将主要受限于空分系统迟延特性的影响。

为了减小在低负荷工况下由于燃气轮机压气机所提供的空气压力下降得过多，致使突变负荷时空分系统的O₂气浓度变化过于剧烈，目前，新设计的IGCC电站中趋向于把空分系统设计成为固定压力条件下的运行方案，即:使空分系统的压力始终固定在比50%。

负荷时燃气轮机压气机的出口压力略微低一些的条件下工作。当然，这种方案在负荷大于50%时，由于燃气轮机压气机提供的空气压力要比空分系统设计的固定压力高，因而会损耗一部分所抽压缩空气的压力能2。

完全整体化空分系统的调控特性Buggenum和Puertollano IGCC电站的调试经验表明:完全整体化空分系统的调控特性是不理想的，其原因有以下几方面，即:

①空分系统的启动必须在燃气轮机处于正常运行的条件下才能开始，因为从燃气轮机的压气机中逐渐向空分系统提供压缩空气是空分系统启动的必要前提，因而在空分系统的启动过程(长达2-3天)中，燃气轮机的运行都将受到空分系统运行情况的影响;

②在低负荷工况下，IGCC的效率会下降得比部分整体化空分系统者更加剧烈，这是由于从燃气轮机压气机中供向空分系统的空气流量必须速减，致使燃气轮机的燃气初温降低得比较多的缘故;

③在50%负荷以下的工况下，空分系统的压力将减小得更加厉害，致使供向气化炉的氧气之浓度更难于稳定在设计值附近。

因而从调控特性的角度去考虑，现在设计的IGCC电站中，已经很少再选用完全整体化空分系统的方案了3。