天津IGCC示范电站工程机组调峰运行能力分析

李伟 陈文福 王伟臣 刘卫平 张宇 张应田

（1天津电力调度通信中心，天津市，300010；2天津电力科学研究院，天津市，300384）

引言

全球气候问题越来越引起人们的高度关注，以低能耗、低排放、低污染为特征的“低碳经济”成为全球政治经济博弈的热点。我国电力供应主要以煤电为主，为降低煤烟型污染，大力发展燃煤技术是提高煤炭使用效率、减少污染、经济可行的研究方向。IGCC发电技术既具有联合循环的高效率，又解决了燃煤发电带来的环境污染问题。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展现状

198 4年美国Cool Water工程是世界上第1个正式运行成功的完整的IGCC电站，总容量为100 MW。1987年由DOC化学公司在美国路易斯安那州建成投运的LGT 1 IGCC示范电站，容量为160 MW。这2个示范电站的试运成功，使专家们坚信原煤经气化、脱硫、净化制成合成气后，作为先进的燃气蒸汽联合循环发电中的洁净燃料是一条可行的、高效节能、低污染的洁净煤发电途径。

目前，世界上已投入商业运行的250 MW以上的IGCC电站有美国的Wabash River(260 MW)和Tampa(250 MW)、荷兰的Demkolec(253 MW)和西班牙的Puertollano(300 MW)等5座。

1.2 国内发展现状

IGCC现已具备一定商业发电规模，拥有趋于成熟的工业化优势，有望成为煤电的主要形式。为了适应“低碳环保”的需要，也为了我国提高煤电的发电效率，国家三部委于“八五”期间成立了IGCC专家小组，有计划的安排IGCC研究课题，为IGCC技术设备的国产化打下基础。

华能天津IGCC电厂是世界上第六座、国内第一座250 MW级的IGCC示范电站，它的投产，标志“绿色煤电”在中国正式起航！

2 工艺流程介绍

IGCC是把煤气化和燃气蒸汽联合循环系统有机集成的一种洁净煤发电技术。在IGCC系统中，煤碳经过气化变成中低热值煤气，经净化处理后，通过除掉煤气所含有的硫化物、氮化物、粉尘等杂质，变成干净的气体燃料，送入燃气轮机中，在燃烧室里进行燃烧，煤气燃烧后驱动燃气透平做功发电，利用高温排气在余热锅炉中产生的蒸汽驱动汽轮机做功发电。其原理图如图1所示。

3 华能天津IGCC机组变负荷能力分析

对于IGCC机组的变负荷能力，需要分析各装置的变负荷能力。同时，IGCC发电机组在变负荷运行工况下，系统将会受到气化装置、空分装置等设备安全稳定运行能力的限制。

图1 IGCC原理示意图

3.1 空分装置变负荷情况分析

空分装置采用安全低压、透平膨胀、氮水遇冷、分子筛吸附、内压缩（液氧）的工艺流程。华能天津IGCC项目空分装置采用开封空分集团有限公司的46000Nm3/h空分设备，装置的负荷可调整范围在75%～105%之间。但在较低负荷运行时，由于大型空气压缩机电耗较高，极不经济。对于空分装置，在国内主要在化工装置上，对空分装置的变负荷要求只是匹配后续装置出力即可，无变化率要求，且变负荷过程通过手动来完成。对于熟练操作工人，空分的变负荷能力一般为0.25%～0.5%。

3.2 气化装置变负荷情况

煤气化装置是以煤为原料，将煤转化为合成气的装置。华能IGCC项目气化技术采用国内自主开发的两段式干煤粉气化技术。气化装置在设备设计时候已经考虑了设备变负荷能力，可以长期在较低负荷下运行，其负荷可以在50～110%范围内进行调整，负荷调节速率可以达到2%分钟。

3.3 净化装置变负荷情况

根据两段式干煤粉气化装置制出的合成气压力高、硫含量高、气量大的特点，净化装置采用MDEA工艺。MDEA对H2S有良好的选择性，稳定性好、蒸汽压力低、溶剂损失小、净化装置负荷可以在50～110%范围内进行调整，负荷调节速率可以达到2%/分钟。

3.4 联合循环装置变负荷情况

根据西门子公司技术资料，燃汽机组适用于低热值煤气，负荷调节速率可达3-5%分钟，在不投油助燃的经济情况下，为维持机组稳定运行，负荷应至少维持在50%以上。

3.5 机组变负荷运行的建议

根据以上分析，各部分的负荷调整性能如下：空分装置为0.25～0.5%；气化装置为2%分钟，净化装置为2%分钟，联合循环3-5%分钟，且空分装置最低运行负荷为75%以上。因此，本工程的负荷调节能力主要取决于空分装置变负荷速度，即华能天津IGCC机组运行方式受空分装置变负荷率的限制。当机组负荷在75-100%之间调整，空分装置在手动调整的情况下，变化率可以达到0.25-0.5%/分钟，但由于IGCC系统工艺路线长，空分系统处于整个工艺的首段，即便实现0.25-0.5%/分钟负荷变化率，延迟也是很大的。因此，现阶段此机组适合带基本负荷运行。

4 结论

华能天津IGCC示范电站机组变负荷能力范围小、变负荷速率慢，根据华能天津IGCC机组的特性，目前该机组虽具备投入AGC能力，但AGC调整模式暂定为BLO（严格跟踪基点模式）。且得出以下结论：

1、空分系统是IGCC机组变负荷速率慢及变负荷能力差的主要原因，可以效仿荷兰Demkolec电站，再引进一套50%容量的独立空分系统作为备用，这样不仅提高变负荷速率，提高机组调峰能力，而且开车灵活、控制简单、可靠性高，是目前解决华能天津IGCC机组调峰能力差的可行方法之一。

2、加快新技术的研究，通过对气化技术改进，使空气成为气化剂，这样就可以省去空分系统，直接由空气参与气化反应，从而摆脱空分系统对IGCC机组的约束和限制。而且省去空分系统后，可以大大降低厂用电率，降低发电成本，提高经济效益；减少空分系统后，设备投资相应降低，使IGCC建设投资费用更接近于常规火电，利于今后IGCC技术的推广应用。

3、引入天然气作为备用起源，当合成气不能正常提供时，切换天然气作为燃料，保证对电网供电；当电网需要IGCC机组快速涨出力时，可适当补充天然气作为燃料，以满足电网需求。

4、电网公司不断完善相关经济奖励、补偿规定，对参与电网调峰、为电网做出贡献的机组进行经济补偿，促进并帮助华能天津IGCC电站进行技术创新与改造，提高机组调峰能力，以更好地为电网服务，取得更大的经济效益，为IGCC技术在国内的发展奠定良好的基础。

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