IGCC空氣分離系統有三種方案：①獨立的空分系統;②部分整體化空分系統;③完全整體化空分系統。當“部分整體化空分系統”中採用了低壓縮比的空分壓縮機時，空分所得的氮氣壓力很低(大約為0.105MPa左右)，一般不再把氮氣進一步增壓回注燃氣輪機系統。反之，當空分系統採用高壓縮比的空分壓縮機時，那么，空分所得的、壓力較高的氮氣，通常宜再增壓後回注到燃氣輪機中去，參與燃氣輪機的循環過程。
基本介紹
- 中文名：IGCC空氣分離系統
- 外文名：IGCC air separation system
- 學科：能源工程
- 領域：新能源
- 簡稱：IGCC
- 類型：空氣分離系統
簡介,獨立空分系統的調控特性,部分整體化空分系統的調控特性,完全整體化空分系統的調控特性,
簡介
眾所周知:在以氧氣為氣化劑的IGCC電站中，必須設定“空氣分離系統”(以後簡稱為“空分系統”)，以便製取煤的氣化爐所需的氣化劑—氧氣。目前，在IGCC電站中採用的制氧空分系統有以下三種方案，即:①獨立的空分系統;②部分整體化空分系統;③完全整體化空分系統。
所謂“獨立的空分系統”是指:制氧空分所需的壓縮空氣，完全是由一台專門設定的空分壓縮機供給的，空氣全部從大氣環境中抽取，經過該空分壓縮機的增壓和冷卻後.供到按深凍原理工作的空分系統中去製取氧氣和氮氣。當空分壓縮機提供的壓縮空氣之壓力為0. 6MPa左右時，空分後獲得的氧氣和氮氣的壓力大約為0.105MPa左右，這種空分系統稱為低壓的空分系統。當空分壓縮機的壓縮比與燃氣輪機中壓氣機的壓縮比相當，而接近於12-16時.空分後獲得的氧氣和氮氣壓力大約為0. 6MPa左右，這種空分系統則稱為高壓空分系統。為了充分利用空分所得的氮氣的壓力能，在高壓空分系統中獲得的氮氣經增壓後，一般都回注到燃氣輪機中去參與循環作功過程。由低壓空分系統中獲得的氮氣則一般並不回注燃氣輪機，否則回注氮氣所需耗費的壓縮功會非常大，並不經濟合算。
所謂“完全整體化的空分系統”是指:空分系統所需要的壓縮空氣全部是從燃氣輪機的壓氣機中抽取的，那時.IGCC電站中不再設定專門的空分壓縮機單獨向空分系統供應壓縮空氣。由於現代燃氣輪機的壓縮比都比較高，因而完全整體化的空分系統一定是高壓的空分系統。空分後獲得的壓力為0.6MPa左右的氮氣，經增壓後，將回注到燃氣輪機中去參與循環。
所謂“部分整體化空分系統”是指:在IGCC電站中仍然裝有一台專門設定的空分壓縮機，該壓縮機既可以是低壓縮比的(即壓縮空氣的壓力為0.6MPa左右)，也可以是高壓縮比的(即壓縮空氣的壓力大約為1.2-1.6MPa，它與現代燃氣輪機中由壓氣機提供的壓縮空氣的壓力相當)。不過，由該壓縮機供給空分系統的壓縮空氣之質量流率，不再像“獨立空分系統”者那樣，是所需空分空氣品質流率的10000，而是減少為所需空分空氣品質流率的30%-70%。那時，空分系統所缺的那部分空氣品質流率(即所需空分空氣品質流率的70%-30%)則由燃氣輪機的壓氣機來補給。由燃氣輪機的壓氣機向空分系統補給的空氣品質流率的百分數(7000-3000)則稱為“部分整體化空分系統”的“部分整體化率”。
倘若在“部分整體化空分系統”中所專門設定的那台空分壓縮機是低壓縮比的，即由燃氣輪機的壓氣機提供給空分系統的壓縮空氣的壓力比由這台空分壓縮機提供者高較多時，為了充分利用壓縮空氣的壓力能，應在燃氣輪機壓氣機的抽氣側設定膨脹透平，以便回收部分機械功或電能。
如前所述，當“部分整體化空分系統”中採用了低壓縮比的空分壓縮機時，空分所得的氮氣壓力很低(大約為0.105MPa左右)，一般不再把氮氣進一步增壓回注燃氣輪機系統。反之，當空分系統採用高壓縮比的空分壓縮機時，那么，空分所得的、壓力較高的氮氣，通常宜再增壓後回注到燃氣輪機中去，參與燃氣輪機的循環過程。
實踐表明:上述三種制氧空分系統對於IGCC電站的廠用電耗率,燃氣輪機的作功能力、燃氣輪機的NO:控制系統，以及整個電站調節控制的靈活性都有嚴重的影響。
獨立空分系統的調控特性
目前，多數的空分系統均採用中間冷卻器的離心式壓縮機，甚至還有把入口的空氣溫度冷卻到4.4℃左右再進行壓縮的，這樣可以減少廠用電耗率。一般，只有O2氣的日產量達到2500t/d時，才需要考慮採用軸流一離心式壓縮機。
在獨立的空分系統中，空氣壓縮機通常是恆速運轉的，它利用改變進口可轉導葉的角度來調節空氣的流量，設計時應選一年中空分系統運行時數最多的工況點，作為空分壓縮機的設計點。或者是選取某特定大氣條件下的滿負荷工況點。作為空分壓縮機的設計點。當用進口可轉導葉來調節空氣流量時，空分壓縮機的壓縮比是變化不大的。壓縮機的變工況運行線是比較平坦的，這就是說，在整個變工況範圍內，空分系統中蒸餾塔的壓力變化不大，因而所產O2氣的濃度比較穩定。這是一種高效的運行方式。
部分整體化空分系統的調控特性
在燃氣輪機的工作不受影響的條件下，可以先啟動部分整體化率為50%左右的專設的空分壓縮機，進而可以啟動煤氣化爐和煤氣的淨化系統。當燃氣輪機攜帶一定負荷後，就可以切換用合格的合成煤氣。此後，才能從燃氣輪機的壓氣機中向空分系統抽取壓縮空氣。
專設的空分壓縮機一般也是恆速運行的，也可以用改變進口可轉導葉的角度來調節其流量。但是由於該空分壓縮機的出口與燃氣輪機壓氣機的抽氣口並聯工作，因而在變工況條件下，該壓縮機的壓縮比將同步地取決於燃氣輪機壓氣機的壓縮比。對燃氣輪機來說，當負荷從100%設計工況降低到50%負荷工況時，從燃氣輪機中抽取的壓縮空氣的壓力。大約要降低到壓力額定值的65%左右。進入空分系統的壓縮空氣壓力這種變化關係，將會對空分系統產生以下一些影響，即:
①空分系統中高壓蒸餾塔和低壓蒸餾塔的壓力都會隨負荷的下降而急劇地降低;
②蒸餾塔壓力下降時。液相物質就會加快蒸發.致使N2和O2的蒸汽相物質增多.這樣，就會造成供O2濃度以及回注的N:氣量增加。致使供O2的濃度超出預定的95%±1%的規範要求.為了解決這個矛後，就必須採用先進的APCI控制系統;
③隨著機組負荷的下降，要求供給氣化爐的O2:氣量應該隨之減少，也就是說，必須減少供向空分系統的總空氣流量。但是為了在低負荷工況下儘可能地使燃氣輪機的燃氣初溫維持得高些，以求保證較高的效率，就應該保持從燃氣輪機的壓氣機中抽取的空氣流量基本上恆定不變，而應儘可能地來減少從專設的空分壓縮機中向空分系統供給空氣流量，因而隨著機組負荷的降低，該空分壓縮機將在低壓縮比和低空氣流率的條件下運行，顯然，這種壓縮機的運行線要比獨立空分系統中壓縮機的運行線變陡得很多。一般來說，這種壓縮機的效率不會很高，特別是在低負荷工況下效率會更低。因而必須慎重地選擇這類壓縮機的設計工況點，應該力求把IGCC運行時數最多的工況點設計在壓縮機的壓縮效率為最高的運行點上;
④隨著機組負荷的下降，氣化爐的壓力可以維持不變，或者是下降得要比空分系統的供氣壓力的變化略微緩慢一些，因而在機組的低負荷工況下，空分系統後的N2氣和O2氣的壓縮機，都將在比設計值更高的壓縮比，以及較高的容積流率的條件下運行。必須要求N2氣和O2氣壓縮機能夠適應這種運行特點的變化;
⑤IGCC電站負荷的跟蹤性能將主要受限於空分系統遲延特性的影響。
為了減小在低負荷工況下由於燃氣輪機壓氣機所提供的空氣壓力下降得過多，致使突變負荷時空分系統的O2氣濃度變化過於劇烈，目前，新設計的IGCC電站中趨向於把空分系統設計成為固定壓力條件下的運行方案，即:使空分系統的壓力始終固定在比50%。
負荷時燃氣輪機壓氣機的出口壓力略微低一些的條件下工作。當然，這種方案在負荷大於50%時，由於燃氣輪機壓氣機提供的空氣壓力要比空分系統設計的固定壓力高，因而會損耗一部分所抽壓縮空氣的壓力能。
完全整體化空分系統的調控特性
Buggenum和Puertollano IGCC電站的調試經驗表明:完全整體化空分系統的調控特性是不理想的，其原因有以下幾方面，即:
①空分系統的啟動必須在燃氣輪機處於正常運行的條件下才能開始，因為從燃氣輪機的壓氣機中逐漸向空分系統提供壓縮空氣是空分系統啟動的必要前提，因而在空分系統的啟動過程(長達2-3天)中，燃氣輪機的運行都將受到空分系統運行情況的影響;
②在低負荷工況下，IGCC的效率會下降得比部分整體化空分系統者更加劇烈，這是由於從燃氣輪機壓氣機中供向空分系統的空氣流量必須速減，致使燃氣輪機的燃氣初溫降低得比較多的緣故;
③在50%負荷以下的工況下，空分系統的壓力將減小得更加厲害，致使供向氣化爐的氧氣之濃度更難於穩定在設計值附近。
因而從調控特性的角度去考慮，現在設計的IGCC電站中，已經很少再選用完全整體化空分系統的方案了。
