Оптимизационные исследования парогазовой установки с газификацией угля и высокотемпературным подогревом дутьевого воздуха

Abstract

Актуальность. Парогазовые установки с газификацией угля рассматриваются как одно из перспективных направлений развития теплоэнергетических установок на органическом топливе. Интерес к этому направлению объясняется большими природными запасами угля и минимальными вредными выбросами в атмосферу при сжигании генераторного газа. Для улучшения процесса газификации в основном используется воздух, обогащённый кислородом, что является достаточно затратным мероприятием и ведёт к удорожанию установки. Другим способом повышения калорийности генераторного газа является подача в газогенератор воздуха, нагретого до высокой температуры (1000 °С и более). Традиционные трубчатые рекуперативные теплообменники не позволяют осуществить такой подогрев. Единственный реальный способ нагрева воздуха до указанного уровня температур - это использование регенеративных теплообменников периодического действия с керамической засыпкой. Цель: выбор рациональной технологической схемы парогазовой установки c внутрицикловой газификацией угля с использованием высокотемпературного дутьевого воздуха, определение оптимальных параметров цикла и конструктивных параметров отдельных элементов; а также проведение оптимизационных исследований установки по критериям экономической и энергетической эффективности и определение условий конкурентоспособности для исследуемой парогазовой установки. Методы. Сложные теплосиловые системы, включая парогазовые установки, характеризуются многообразием процессов, протекающих в их элементах. Такие установки возможно эффективно исследовать лишь с помощью методов математического моделирования и оптимизации. При проведении оптимизационных исследований использован методический подход, разработанный в ИСЭМ СО РАН для сопоставления эффективности сложных теплоэнергетических установок. Он основан на совместной оптимизации параметров цикла и конструктивных параметров отдельных элементов. Результаты. Проведены оптимизационные технико-экономические исследования парогазовой установки с внутрицикловой газификацией угля. Рассматривалась установка как с использованием высокотемпературного воздуха, подогреваемого в системе керамических теплообменников периодического действия, так и без такого подогрева. Показано, что подача нагретого до высокой температуры воздуха в газогенератор не приводит к значительному улучшению технико-экономических показателей парогазовой установки с газификацией угля, но позволяет получить более калорийный генераторный газ при сопоставимых значениях КПД и цены электроэнергии.

Relevance. Integrated gasification combined-cycle plants are considered as one of the promising directions for development of thermal power plants using fossil fuel. Interest in this area is explained by large natural reserves of coal and minimal harmful emissions into the atmosphere during generator gas combustion. The air enriched with oxygen is mainly used to improve gasification, which is quite expensive and leads to an increase in the cost of the installation. Another way to increase the calorific value of the generator gas is to supply air heated to a high temperature (1000 °C or more) into the gasifier. The conventional tubular recuperative heat exchangers do not allow such heating. The only real way to heat the air to the specified temperature level is to use the regenerative heat exchangers of batch operation with ceramic backfilling. The aim of the study is to make a rational choice of the flow chart of integrated gasification combined-cycle plant with the use of the air preheated to the high temperature, to find optimal cycle parameters and design parameters of individual elements, and to perform the optimization researches according to the criterions of minimum electricity price and energy efficiency for estimation of competitive conditions for the considered integrated gasification combined-cycle plant. Methods. Complex heat and power systems, including integrated gasification combined-cycle plant, are characterized by the diversity of processes occurring in their elements. The only way for effective studies of these systems is using the methods of mathematical modeling and optimization. А methodical approach developed at ISEM SB RAS was used to compare the efficiency of thermal power plantswhen carrying out optimization studies in this work. It is based on the joint optimization of cycle parameters and design parameters of individual elements. Results. The authors have carried out technical and economical optimization studies of integrated gasification combined cycle plant. The facility was considered both with the use of high-temperature air heated in a system of ceramic heat exchangers of batch operation, and without such heating. It is shown that the supply of high-temperature heated air to the gas generator does not lead to a significant improvement in the technical and economic parameters of the integrated gasification combined-cycle plant, but it allows obtaining morecalorific gas with comparable values of the energy efficiency and electricity price.