IGCC能源計劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動力模型

1、 igcc能源計劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動力模型 摘要 一個整體汽化聯(lián)合循環(huán)設備對于化石燃料來說，像煤和重精煉廠的殘渣等，開創(chuàng)了高效循環(huán)結合進程，如此一個設備因此擁有一個關鍵的與能量聯(lián)結的相關單元，例如，一個蒸氣渦輪和關鍵進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備，特別是在需求載荷改變的時段，相關的一些部件的不同反應都可能會對整個系統(tǒng)產生不必要的大流量波動，低溫精餾塔作為空氣分離設備的核心，強烈地影響著系統(tǒng)的運輸行為，熱效應時塔的上部被充滿，在前面的論文中也緊密地調查過這種包裝結構，為了達到這種目的，一個塔的動力模型已經被開發(fā)出來，它可以用來描述和研究大流量波動的壓力動力，對于

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

3、排放將會顯著地減少，但天然氣是眾多燃料中最昂貴的一種，同時也可以在此成功合理地利用化學工業(yè)中的人造燃料，煤和其他化石燃料的使用，將仍然會主導能源市場，并且新應急技術不得不被嚴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，在歐美示范設備用已經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渣這樣的固體燃料提供了一個高效聯(lián)合循環(huán)過程，關于這方面操作經驗的例子，已經由tait,mcdonald,和holt等人在近期的調查報告中給出了。 為了提高igcc能源設備的整體效

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合，依據此相結合的程度，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，空氣分離設備和蒸氣渦輪機之間的任何額外的參數都應該被忽略，因此，大流量蒸氣從渦輪壓縮機進入空氣分離單元和渦輪燃燒室，這些單元是依據現場的壓力的不同而嚴格定義了的，當改變蒸氣渦輪載荷時，渦輪燃燒室的壓力也會發(fā)生變化，使用標準的渦輪控制器，不期望的大流量波動在雙重單元之間也會發(fā)生，這種波動已經被實驗觀察到了，此時，igcc設備也會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，嚴重影響到系統(tǒng)運輸行為，這種影響作用在第一步中已

5、經被闡述過了，此塔屬于整體加熱的雙型塔， 塔內下部分是塔盤，上部分是填料，當前在低溫空氣分離的領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程改變，發(fā)明了一種多元靈活可變的控制方案，可以達到更好的凈化控制目的。zhu等人為氮的蒸餾開發(fā)了低溫蒸餾塔的動力模型，它是基于非線性波動理論的，并且對于那些大范圍的操作，他也開發(fā)了一種可產生滿意預測的模擬器，在2002年，egoshi為研究動力空氣分離塔的設計建立了一個詳細的靜態(tài)模型，這種模型已經被發(fā)展成為了填料塔，早在2000年就有人用實驗的方式建立了許多運輸模型。 然而，如果空氣分離單元在一種能源設備中廣泛地應用

6、，那么對塔壓動力的理解就顯得很重要了，根據skogestad的理論，一個模型要考慮到所有物質成分以及內在的能量動力平衡，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的論文，塔內低部分的盤塔流體力學計算已經被分析過了，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了一個填料裝置的動力模型，所有的方程和必要的參數都將會在下面被介紹，在沒有安裝任何控制器的情況下，塔內的瞬態(tài)反應和結果將會在第三章呈現和討論。 2 精餾塔的模型 正如上面所提到過的，動力精餾塔常常被設計成填料塔，本部分將會呈現此填料塔的一種動力數學模型，這種模型可以描敘塔內

7、的動力，因此，它是由總物質，各成分物質以及內在的能量的動態(tài)平衡方程所組成的，如果平衡方程被公式化，液體的分離關系和蒸氣流量也將包含其中，可以用一組代數方程來描述壓降，液體流量，蒸氣流量，相交平衡和工作介質的物理屬性，有了這些參數，我們就可以建立模型了。 平衡方程和假設條件將會包含并呈現在第一部分中，水力模型將在第二部分被介紹，工作介質通過能量狀態(tài)方程來描述，這將會在第三部分被呈現，在最后一部分，底部的再沸器會被簡單地介紹。 2.1 一般假定和平衡方程 由于連續(xù)介質和熱量在塔內進行著液態(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成，然而，大多數的填料塔都已經被模型化了，這種對階段模型的研

8、究和結論是在對真實塔的觀測上而開發(fā)的，但由于填料塔在獲得大量傳輸數據方面非常困難，因此這種模型也被產生過很多質疑如果沒有做出任何的假定，甚至一個細節(jié)化了的塔的階段模型，它用在目前的實際工作中會顯得相當的復雜。進一步簡化，特別關注的塔的動力模型在接下來的部分會被討論。根據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 動力模型 對于上述方程，用額外的方程計算液體和氣體流量很有必要，考慮到動力裝料和壓降就很顯然了，流量反應對于初始的塔反應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，動力模型被應用，它描述了液體成分和壓降在結構包裝中改變載荷的

9、最大點，在這個流量范圍內，在低蒸氣流量速率的條件下，填料塔可以看成幾乎獨立，這種假定似乎很合理，因為在這種載荷之下，沒有液體的活動發(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算： 為了計算蒸氣流量，動量方程也可以被應用，內在的變形力，如同蒸氣流的重力也可以被忽略，因此，動量守恒方程可變形為：在該方程中，對于壓降的表達是很有必要的，mackowiak的模型對于壓降的研究是基于蒸氣流通過一個空的管道的環(huán)境條件的，它可在同樣的假定條件下計算液體流量： 在動量守恒方程中插入一個壓

10、降表達式，導致了下面蒸氣流量的方程： 對于一個塔設備，動力模型的應用取決于液體和蒸氣流，因此，假定一些特殊的參數是必要的，這要看調料的屬性了。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，它們在熱動力學中都有嚴格的定義，對于動力空氣分離，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物質的揮發(fā)性。rofel和egoshi研究氣液平衡時用過peng-robinsen方程，一項關于空氣和氮氣，氧氣和氬氣的混合物動力屬性的報告已由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n2-ar-o2混合物的be

11、nder方程被很好的運用，這種模型的建立是從前面修改過的方程中建立起來的，它體現了研究液體領域的精確性。這種模型可以允許計算氣液平衡，同時在一個較大的固有范圍內卡可以可靠的預測持續(xù)的能量和體積屬性。而這個范圍我們一般取為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計考慮到頂部低塔的氫氣能夠到達底部的高塔。而被液化。某種壓縮機出口壓力，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)合動力空氣的濃縮再沸器設備，換熱器壁的熱量儲存能力，也會被忽略，因為它是比較較小的熱量流量，這種熱量流量一般是由填料塔的底部產生的。3 模擬結果結論性的方程系統(tǒng)由160個普通不同的方程和40個復雜的代數方程組成，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，例如較大反應的滯后，或者強大的獨立系統(tǒng)對于磁場和干擾方向的反應。rose在1950第一次討論過這一效果。h.wang對此給了一個較好的報告，在非線性被動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象，非線性波動理論被應用于結果的評估學中。原始的發(fā)展成為多種成分的套色板。在當今許多分離問題中，非線性波動理論已被廣泛應用。它對于動力模型的開發(fā)和控制系統(tǒng)的設計會有很大的幫助?；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l/v比例和振幅。如果流速被此種方法被調整，那么波速等于零,這種波占據塔的中層。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，波速將會趨于零，波將會直上或直下的傳播直到到達塔的末端，波在此會被阻止，這種作用叫做浪費的塔端作用。3.1 靜態(tài)的外觀在第一步中，靜態(tài)外形已被討論過，

14、這些外形為研究動力學提供了一個出發(fā)點。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立的調查分析過。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個進氣口和2個出氣口，因第二個進氣口在塔的頂部是液態(tài)氮，它來自高壓塔的頂部，并且服務于塔的液體逆流。為了彌補動力損失，出口物料流量，頂部氮氣 和底部氧氣都是產品。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。分析動力行為使用非線性波動理論，這種分別區(qū)就顯得尤為重要了。模擬這種塔來描述運輸

15、行為，塔頂部的液態(tài)氮的填料焓被改變在0.1秒內，由-105kj/kg-120kj/kg,所有其他的進口變量都保持不變，塔的反應發(fā)生在兩個不同的時間段，流量和液體成分變化的反應需要很長時間，前者為短期動力反應，并且與塔的液體動力相關，而成分和溫度需要長期的動力監(jiān)測。3.2.1 短期行為 填料塔的減少的描述將會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，這一時期塔的頂部壓強有所降低，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導致蒸氣流量的加速，同時它也會反過來影起塔內壓力的增加，而對蒸氣流量和壓力的反應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蒸氣流量的臨近階段。（附圖） 液體流量不能被改變在一個較短的時間里，但是，這種液態(tài)流速的反應相當于噴流管的射流作用，在不同的時期，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影響塔體內壓力變化，當每個時期成分的變化或多或少不受溫度變化的影響時，底部溫度不會變化到一個非常嚴重的后果，正如上述所討論過的，底部溫度取決于傳送到塔的熱流量，如果所有進口物料流量和他們的焓保持不變，那么底部的溫度也不會改變，因此，底部物質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 塔的液體動力在150秒后會自然的退去，這可以看成是短

17、期動力的結束，結果會改變l/v速率和塔的形狀。在這一節(jié)的開頭已經提到過，這種液體動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，這兩個變量都因短期動力的結果而發(fā)生改變，因此，波速時刻發(fā)生變化，這種波速變化的波可以傳播得更遠。，接下來，在非線性波動理論的幫助下，這種長期的動力將會被很好的分析。 波在精餾段按照一次方式進行改變以致于波會傳播得更遠，在第一步中，波在脫除段被激發(fā)以至于運動速率會下降，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反過來影響波向上傳播，并且會在塔的末端被阻止，波此時在精餾段內達到了一種動態(tài)的平衡狀態(tài)，在300000秒后，波鎖定在精

18、餾段的中部。 結論和觀點：前面我們展現了低溫空氣分離的調料塔的動力模型，這種模型的設計主要是為弄清在短期和長期動力作用下，塔內的動力行為，為了描述這種代表性的作用，該模型詳細化了的豐富經驗已經被研究出來了，它是由總物料，組分物質和內在能量的動力平衡而組成，工作介質的能量狀態(tài)已由被修正過的bender方程計算出來了，這個模型是由模塊所構成的，因此它適合不同的塔形和不同的物質系統(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，同時其中還有盤塔的壓降更正，工作介質的物質模型在2.3章節(jié)中也會被同樣的給出。該低溫精餾塔模型提供并呈現了一些合理的結論，非線性作用的影響，時常發(fā)生在可以高濃度提純的精餾塔內，例如一些不均勻的動力波動也可以觀察得到，對于干擾的作用，塔內壓力的反應有兩個不同的時間段，短期的反應，一般持續(xù)100200秒，它與塔內液態(tài)動力的運輸行為有著密切的聯(lián)系，這一點在前面已經被詳細地討論過了，而長期反應和濃度的非線性動力關系密切，反應持續(xù)的時間很大程度上取決于干擾的方向和強度，