IGCC能源計(jì)劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動(dòng)力模型

1、 igcc能源計(jì)劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動(dòng)力模型 摘要 一個(gè)整體汽化聯(lián)合循環(huán)設(shè)備對于化石燃料來說，像煤和重精煉廠的殘?jiān)?，開創(chuàng)了高效循環(huán)結(jié)合進(jìn)程，如此一個(gè)設(shè)備因此擁有一個(gè)關(guān)鍵的與能量聯(lián)結(jié)的相關(guān)單元，例如，一個(gè)蒸氣渦輪和關(guān)鍵進(jìn)程中的重要組成部分，在目前的問題中，他們都是空氣分離設(shè)備，特別是在需求載荷改變的時(shí)段，相關(guān)的一些部件的不同反應(yīng)都可能會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的大流量波動(dòng)，低溫精餾塔作為空氣分離設(shè)備的核心，強(qiáng)烈地影響著系統(tǒng)的運(yùn)輸行為，熱效應(yīng)時(shí)塔的上部被充滿，在前面的論文中也緊密地調(diào)查過這種包裝結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到這種目的，一個(gè)塔的動(dòng)力模型已經(jīng)被開發(fā)出來，它可以用來描述和研究大流量波動(dòng)的壓力動(dòng)力，對于

2、那些不可控制的塔的運(yùn)輸行為的壓力動(dòng)力問題也已經(jīng)被分析和討論過了。塔壓對于干擾的反應(yīng)有兩個(gè)時(shí)間范圍，短期反應(yīng)，持續(xù)時(shí)間一般為100200秒，它在液體動(dòng)力學(xué)中的運(yùn)輸行為中占主導(dǎo)作用，并且它已被詳細(xì)地討論過了，而長期的反應(yīng)是在非線性動(dòng)力學(xué)中占主要地位，這種反應(yīng)的時(shí)間很大程度上取決于干擾的方向和強(qiáng)度，持續(xù)的時(shí)間一般為一萬秒到幾萬秒。 簡介 鑒于未來co2貿(mào)易以及更加嚴(yán)厲的應(yīng)對于氮的氧化物，二氧化硫和汞的排放物等的環(huán)境規(guī)則，能源電力市場將會(huì)被改變，特別是co2貿(mào)易已經(jīng)作為一個(gè)新的指標(biāo)，它超越了燃料和投資費(fèi)用，在未來的可獲利能源中扮演著一個(gè)新的角色。 雖然通過增加天然氣點(diǎn)火聯(lián)合循環(huán)設(shè)備，某種特定的co2的

3、排放將會(huì)顯著地減少，但天然氣是眾多燃料中最昂貴的一種，同時(shí)也可以在此成功合理地利用化學(xué)工業(yè)中的人造燃料，煤和其他化石燃料的使用，將仍然會(huì)主導(dǎo)能源市場，并且新應(yīng)急技術(shù)不得不被嚴(yán)肅地考慮以提高能源的高效性和co2的清除能力。在這篇文章中，我們可以看到，igcc是一種最有前途的選擇，它可以滿足這些要求，在歐美示范設(shè)備用已經(jīng)論證了它操作上的可行性，igcc由汽化，空氣分離，氣體凈化和聯(lián)合循環(huán)等單元組成，并且它為像煤和精煉廠的殘?jiān)@樣的固體燃料提供了一個(gè)高效聯(lián)合循環(huán)過程，關(guān)于這方面操作經(jīng)驗(yàn)的例子，已經(jīng)由tait,mcdonald,和holt等人在近期的調(diào)查報(bào)告中給出了。 為了提高igcc能源設(shè)備的整體效

4、率，并減少能源的凈損耗，空氣分離單元需要選擇性地與蒸氣渦輪相結(jié)合，依據(jù)此相結(jié)合的程度，蒸氣渦輪萃取提供空氣分離單元所需要的一些或者全部的空氣，為減少壓力損失，空氣分離設(shè)備和蒸氣渦輪機(jī)之間的任何額外的參數(shù)都應(yīng)該被忽略，因此，大流量蒸氣從渦輪壓縮機(jī)進(jìn)入空氣分離單元和渦輪燃燒室，這些單元是依據(jù)現(xiàn)場的壓力的不同而嚴(yán)格定義了的，當(dāng)改變蒸氣渦輪載荷時(shí)，渦輪燃燒室的壓力也會(huì)發(fā)生變化，使用標(biāo)準(zhǔn)的渦輪控制器，不期望的大流量波動(dòng)在雙重單元之間也會(huì)發(fā)生，這種波動(dòng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)觀察到了，此時(shí)，igcc設(shè)備也會(huì)遭受低頻率和顯著的操作影響。 低溫精餾塔，作為空氣分離單元的核心，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)運(yùn)輸行為，這種影響作用在第一步中已

5、經(jīng)被闡述過了，此塔屬于整體加熱的雙型塔， 塔內(nèi)下部分是塔盤，上部分是填料，當(dāng)前在低溫空氣分離的領(lǐng)域的研究受到手頭參考書目的限制，在2000年，reffel研究這種低溫整體加熱塔的進(jìn)程改變，發(fā)明了一種多元靈活可變的控制方案，可以達(dá)到更好的凈化控制目的。zhu等人為氮的蒸餾開發(fā)了低溫蒸餾塔的動(dòng)力模型，它是基于非線性波動(dòng)理論的，并且對于那些大范圍的操作，他也開發(fā)了一種可產(chǎn)生滿意預(yù)測的模擬器，在2002年，egoshi為研究動(dòng)力空氣分離塔的設(shè)計(jì)建立了一個(gè)詳細(xì)的靜態(tài)模型，這種模型已經(jīng)被發(fā)展成為了填料塔，早在2000年就有人用實(shí)驗(yàn)的方式建立了許多運(yùn)輸模型。 然而，如果空氣分離單元在一種能源設(shè)備中廣泛地應(yīng)用

6、，那么對塔壓動(dòng)力的理解就顯得很重要了，根據(jù)skogestad的理論，一個(gè)模型要考慮到所有物質(zhì)成分以及內(nèi)在的能量動(dòng)力平衡，對于塔的壓降，這種平衡可以很好的描述這種作用，hanke近期發(fā)表過與此塔模型有關(guān)的論文，塔內(nèi)低部分的盤塔流體力學(xué)計(jì)算已經(jīng)被分析過了，并且還分析過了它的短暫過程，這樣的論文的發(fā)表在整體加熱蒸餾塔的上層部分呈現(xiàn)了一個(gè)填料裝置的動(dòng)力模型，所有的方程和必要的參數(shù)都將會(huì)在下面被介紹，在沒有安裝任何控制器的情況下，塔內(nèi)的瞬態(tài)反應(yīng)和結(jié)果將會(huì)在第三章呈現(xiàn)和討論。 2 精餾塔的模型 正如上面所提到過的，動(dòng)力精餾塔常常被設(shè)計(jì)成填料塔，本部分將會(huì)呈現(xiàn)此填料塔的一種動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，這種模型可以描敘塔內(nèi)

7、的動(dòng)力，因此，它是由總物質(zhì)，各成分物質(zhì)以及內(nèi)在的能量的動(dòng)態(tài)平衡方程所組成的，如果平衡方程被公式化，液體的分離關(guān)系和蒸氣流量也將包含其中，可以用一組代數(shù)方程來描述壓降，液體流量，蒸氣流量，相交平衡和工作介質(zhì)的物理屬性，有了這些參數(shù)，我們就可以建立模型了。 平衡方程和假設(shè)條件將會(huì)包含并呈現(xiàn)在第一部分中，水力模型將在第二部分被介紹，工作介質(zhì)通過能量狀態(tài)方程來描述，這將會(huì)在第三部分被呈現(xiàn)，在最后一部分，底部的再沸器會(huì)被簡單地介紹。 2.1 一般假定和平衡方程 由于連續(xù)介質(zhì)和熱量在塔內(nèi)進(jìn)行著液態(tài)和氣態(tài)的傳遞，填料塔模型一般由一系列的不同方程所構(gòu)成，然而，大多數(shù)的填料塔都已經(jīng)被模型化了，這種對階段模型的研

8、究和結(jié)論是在對真實(shí)塔的觀測上而開發(fā)的，但由于填料塔在獲得大量傳輸數(shù)據(jù)方面非常困難，因此這種模型也被產(chǎn)生過很多質(zhì)疑如果沒有做出任何的假定，甚至一個(gè)細(xì)節(jié)化了的塔的階段模型，它用在目前的實(shí)際工作中會(huì)顯得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。進(jìn)一步簡化，特別關(guān)注的塔的動(dòng)力模型在接下來的部分會(huì)被討論。根據(jù)這些假定并且考慮到一種理論，物料和能量平衡方程可以公式化，其物料公式為： 能量公式： 2.2 動(dòng)力模型 對于上述方程，用額外的方程計(jì)算液體和氣體流量很有必要，考慮到動(dòng)力裝料和壓降就很顯然了，流量反應(yīng)對于初始的塔反應(yīng)中扮演著很重要的角色，因此在本研究中，不能夠目前的工作，動(dòng)力模型被應(yīng)用，它描述了液體成分和壓降在結(jié)構(gòu)包裝中改變載荷的

9、最大點(diǎn)，在這個(gè)流量范圍內(nèi)，在低蒸氣流量速率的條件下，填料塔可以看成幾乎獨(dú)立，這種假定似乎很合理，因?yàn)樵谶@種載荷之下，沒有液體的活動(dòng)發(fā)生。 mackowiak研究液體成分而不是研究液體流量的方法是基于力平衡的，忽略了粘性力，重力等。根據(jù)這些假定和后面一面一些重新整理的方程，液體流量可以用以下公式來計(jì)算： 為了計(jì)算蒸氣流量，動(dòng)量方程也可以被應(yīng)用，內(nèi)在的變形力，如同蒸氣流的重力也可以被忽略，因此，動(dòng)量守恒方程可變形為：在該方程中，對于壓降的表達(dá)是很有必要的，mackowiak的模型對于壓降的研究是基于蒸氣流通過一個(gè)空的管道的環(huán)境條件的，它可在同樣的假定條件下計(jì)算液體流量： 在動(dòng)量守恒方程中插入一個(gè)壓

10、降表達(dá)式，導(dǎo)致了下面蒸氣流量的方程： 對于一個(gè)塔設(shè)備，動(dòng)力模型的應(yīng)用取決于液體和蒸氣流，因此，假定一些特殊的參數(shù)是必要的，這要看調(diào)料的屬性了。2.3 物理屬性和氣液平衡 ，這樣的變量，例如壓力，蒸氣成分，液體成分，密度和焓等，它們在熱動(dòng)力學(xué)中都有嚴(yán)格的定義，對于動(dòng)力空氣分離，我們可以在許多不同的著作中找到不同的研究方法。例如，zhu等人研究了減階模型中相關(guān)物質(zhì)的揮發(fā)性。rofel和egoshi研究氣液平衡時(shí)用過peng-robinsen方程，一項(xiàng)關(guān)于空氣和氮?dú)猓鯕夂蜌鍤獾幕旌衔飫?dòng)力屬性的報(bào)告已由lemmon等人發(fā)表過. 在本工作中，為了描述中介空氣的工作狀態(tài)，有關(guān)n2-ar-o2混合物的be

11、nder方程被很好的運(yùn)用，這種模型的建立是從前面修改過的方程中建立起來的，它體現(xiàn)了研究液體領(lǐng)域的精確性。這種模型可以允許計(jì)算氣液平衡，同時(shí)在一個(gè)較大的固有范圍內(nèi)卡可以可靠的預(yù)測持續(xù)的能量和體積屬性。而這個(gè)范圍我們一般取為t=76380k, p=126par。2.4 雙層再沸器濃縮系統(tǒng)在第一副圖中可以看到，也被介紹過，精餾塔是一個(gè)整體加熱的蒸餾塔，它分高壓塔和低壓塔兩部分組成。這兩部分也構(gòu)成了再沸器濃縮系統(tǒng)，它將在第三副圖中被簡化。不同塔之間的不同用如此方法已被設(shè)計(jì)考慮到頂部低塔的氫氣能夠到達(dá)底部的高塔。而被液化。某種壓縮機(jī)出口壓力，決定了高壓塔的壓力。并且某一最大溫度的限制也決定了高壓塔前部氫

12、氣的純度。為達(dá)到這一極限溫度，在塔的上層可以利用一較低的壓力來提高某種水坑氧氣的純度。一些簡單的模型描述了此種聯(lián)合動(dòng)力空氣的濃縮再沸器設(shè)備，換熱器壁的熱量儲(chǔ)存能力，也會(huì)被忽略，因?yàn)樗潜容^較小的熱量流量，這種熱量流量一般是由填料塔的底部產(chǎn)生的。3 模擬結(jié)果結(jié)論性的方程系統(tǒng)由160個(gè)普通不同的方程和40個(gè)復(fù)雜的代數(shù)方程組成，并且它們已被移植到了matlab/s模擬環(huán)境中。高純度的蒸餾塔可以展示高的非線性行為，例如較大反應(yīng)的滯后，或者強(qiáng)大的獨(dú)立系統(tǒng)對于磁場和干擾方向的反應(yīng)。rose在1950第一次討論過這一效果。h.wang對此給了一個(gè)較好的報(bào)告，在非線性被動(dòng)理論的幫助下闡明了這種作用，目前的模型

13、也顯示此非線性行為。為了簡便的討論這一現(xiàn)象，非線性波動(dòng)理論被應(yīng)用于結(jié)果的評估學(xué)中。原始的發(fā)展成為多種成分的套色板。在當(dāng)今許多分離問題中，非線性波動(dòng)理論已被廣泛應(yīng)用。它對于動(dòng)力模型的開發(fā)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助?；舅悸肥菨饪s或溫度可被看作一種不變形狀的波。每一波都有自己固有的波速。它基本主要取決于波動(dòng)l/v比例和振幅。如果流速被此種方法被調(diào)整，那么波速等于零,這種波占據(jù)塔的中層。這種穩(wěn)定平衡狀態(tài)，并且可以最大效率的分離，如果流速太低或太高，波速將會(huì)趨于零，波將會(huì)直上或直下的傳播直到到達(dá)塔的末端，波在此會(huì)被阻止，這種作用叫做浪費(fèi)的塔端作用。3.1 靜態(tài)的外觀在第一步中，靜態(tài)外形已被討論過，

14、這些外形為研究動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。已如原始的討論，在此工作中，低壓塔的行為在沒有安裝任何控制器下被獨(dú)立的調(diào)查分析過。塔間模擬交換作用，在第一步中被忽略掉了。圖4顯示了精餾塔的模擬部分的選擇模擬安裝，該塔有3個(gè)進(jìn)氣口和2個(gè)出氣口，因第二個(gè)進(jìn)氣口在塔的頂部是液態(tài)氮，它來自高壓塔的頂部，并且服務(wù)于塔的液體逆流。為了彌補(bǔ)動(dòng)力損失，出口物料流量，頂部氮?dú)?和底部氧氣都是產(chǎn)品。它們彼此孤立開來，就是為了減少整體能量的消耗。 為了定義塔的圖像，圖5顯示了重力作用下液相下塔靜態(tài)外形。此塔可被分為兩部分：精餾部分和抽錠脫膜部分。分析動(dòng)力行為使用非線性波動(dòng)理論，這種分別區(qū)就顯得尤為重要了。模擬這種塔來描述運(yùn)輸

15、行為，塔頂部的液態(tài)氮的填料焓被改變在0.1秒內(nèi)，由-105kj/kg-120kj/kg,所有其他的進(jìn)口變量都保持不變，塔的反應(yīng)發(fā)生在兩個(gè)不同的時(shí)間段，流量和液體成分變化的反應(yīng)需要很長時(shí)間，前者為短期動(dòng)力反應(yīng)，并且與塔的液體動(dòng)力相關(guān)，而成分和溫度需要長期的動(dòng)力監(jiān)測。3.2.1 短期行為 填料塔的減少的描述將會(huì)增加塔的頂部的額外的制冷引擎，它可以用于額外蒸氣的壓縮，因此，這一時(shí)期塔的頂部壓強(qiáng)有所降低，其他部位不同壓力之間保持著低范圍的增加，這種增加了的壓力會(huì)導(dǎo)致蒸氣流量的加速，同時(shí)它也會(huì)反過來影起塔內(nèi)壓力的增加，而對蒸氣流量和壓力的反應(yīng)的不同主要取決于塔的壓力改變能力和對蒸氣流量改變的抵制力，并且

16、它是很快的。圖8和圖9顯示了壓力不同的兩個(gè)蒸氣流量的臨近階段。（附圖） 液體流量不能被改變在一個(gè)較短的時(shí)間里，但是，這種液態(tài)流速的反應(yīng)相當(dāng)于噴流管的射流作用，在不同的時(shí)期，液體成分不斷的被增加以獲得較大的流速。 最后物料的成分變化也會(huì)影響塔體內(nèi)壓力變化，當(dāng)每個(gè)時(shí)期成分的變化或多或少不受溫度變化的影響時(shí)，底部溫度不會(huì)變化到一個(gè)非常嚴(yán)重的后果，正如上述所討論過的，底部溫度取決于傳送到塔的熱流量，如果所有進(jìn)口物料流量和他們的焓保持不變，那么底部的溫度也不會(huì)改變，因此，底部物質(zhì)成分隨壓力的改變而改變，其他的盤塔也遵循這一規(guī)則。3.2.2 長期的行為 塔的液體動(dòng)力在150秒后會(huì)自然的退去，這可以看成是短

17、期動(dòng)力的結(jié)束，結(jié)果會(huì)改變l/v速率和塔的形狀。在這一節(jié)的開頭已經(jīng)提到過，這種液體動(dòng)力可以看做是具有一定速率的波，它的大小主要取決于l/v 速率和波的振幅，這兩個(gè)變量都因短期動(dòng)力的結(jié)果而發(fā)生改變，因此，波速時(shí)刻發(fā)生變化，這種波速變化的波可以傳播得更遠(yuǎn)。，接下來，在非線性波動(dòng)理論的幫助下，這種長期的動(dòng)力將會(huì)被很好的分析。 波在精餾段按照一次方式進(jìn)行改變以致于波會(huì)傳播得更遠(yuǎn)，在第一步中，波在脫除段被激發(fā)以至于運(yùn)動(dòng)速率會(huì)下降，5000秒后，脫除段的物料成分將發(fā)生改變，這種成分的改變將會(huì)反過來影響波向上傳播，并且會(huì)在塔的末端被阻止，波此時(shí)在精餾段內(nèi)達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，在300000秒后，波鎖定在精

18、餾段的中部。 結(jié)論和觀點(diǎn)：前面我們展現(xiàn)了低溫空氣分離的調(diào)料塔的動(dòng)力模型，這種模型的設(shè)計(jì)主要是為弄清在短期和長期動(dòng)力作用下，塔內(nèi)的動(dòng)力行為，為了描述這種代表性的作用，該模型詳細(xì)化了的豐富經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)被研究出來了，它是由總物料，組分物質(zhì)和內(nèi)在能量的動(dòng)力平衡而組成，工作介質(zhì)的能量狀態(tài)已由被修正過的bender方程計(jì)算出來了，這個(gè)模型是由模塊所構(gòu)成的，因此它適合不同的塔形和不同的物質(zhì)系統(tǒng)，在2.2章節(jié)中所給出的方程可以簡單地被堰方程所代替，同時(shí)其中還有盤塔的壓降更正，工作介質(zhì)的物質(zhì)模型在2.3章節(jié)中也會(huì)被同樣的給出。該低溫精餾塔模型提供并呈現(xiàn)了一些合理的結(jié)論，非線性作用的影響，時(shí)常發(fā)生在可以高濃度提純的精餾塔內(nèi)，例如一些不均勻的動(dòng)力波動(dòng)也可以觀察得到，對于干擾的作用，塔內(nèi)壓力的反應(yīng)有兩個(gè)不同的時(shí)間段，短期的反應(yīng)，一般持續(xù)100200秒，它與塔內(nèi)液態(tài)動(dòng)力的運(yùn)輸行為有著密切的聯(lián)系，這一點(diǎn)在前面已經(jīng)被詳細(xì)地討論過了，而長期反應(yīng)和濃度的非線性動(dòng)力關(guān)系密切，反應(yīng)持續(xù)的時(shí)間很大程度上取決于干擾的方向和強(qiáng)度，