第1章绪论


第1章
绪论
以提高物质和能量综合利用效率以及减少污染物排放排放为目的，将传统上以煤为原料、分别单独生产电力和化工品的工艺过程有机耦合在一起，所形成的新型电力和洁净燃料联合生产系统称为多联产多联产（能源）系统。由于煤气化煤气化过程产生的合成气合成气是联产过程的源头和必备条件，因此又将其称为“基于煤气化煤气化的多联产系统”。
本章将从多联产系统产生的背景、基本构成、概念、特征和研究内容等方面对多联产系统进行简要介绍。
1.1多联产系统产生的背景
1.1多联产系统产生的背景
1.1.1我国能源面临的挑战

在过去的30多年里，伴随着经济高速发展，我国能源需求快速增长，对能源供给与环境生态提出了巨大挑战，主要表现在以下五个方面［1］。
（1） 能源需求量巨大且快速增长，供应能力紧张。尽管近年来能源需求快速增长、绝对消耗量已居世界第二位［2］，但由于人口基数大，我国人均能源消耗尚处于刚接近世界人均值的水平。可以预见，随着经济的进一步发展，人均能源消耗和能源消费总量还将进一步增长，资源短缺和供应能力不足的问题可能会长期困扰我国的经济发展。
（2） 液体燃料短缺，高度依靠进口，能源安全能源安全堪忧。近年来，我国汽车保有量持续增加，导致我国液体燃料需求强劲增长。2009年，我国消费原油及成品油共4.04亿t，净进口量为2.19亿t，石油对外依存度对外依存度已超过50%［2］。由于自产石油量基本稳定，石油对外依存度对外依存度未来还会继续增加，我国能源安全能源安全面临严峻挑战。
（3） 环境污染严重。伴随能源消耗增长，环境问题也日益严峻。中国大气污染的特点在于： 燃煤造成的氮氧化物氮氧化物、二氧化硫和烟尘等仍是常规污染物常规污染物的主要来源，但在许多大都市，交通已超过燃煤成为氮氧化物氮氧化物排放的主要来源。
（4） 温室气体温室气体排放量巨大而且迅速增加。近年来随着能源消耗的增长，我国CO2排放量迅速增长。尽管人均排放排放量大约与世界人均水平持平，但就绝对数量而言，我国已与美国一道成为世界上温室气体温室气体排放总量最大的两个国家。显而易见，随着国际社会减排CO2的呼声日益高涨，我国在温室气体温室气体减排方面将遭受愈来愈大的压力。
（5） 快速城镇化城镇化对能源及其基础设施基础设施的巨大需求。在现今的农村，还有相当数量的农民没有得到良好的能源服务，日益富裕起来的农民需要更多、更方便和更清洁的能源供应。与此同时，我国城镇化城镇化率以每年约一个百分点的速度增长［3］，这就意味着每年都有超过1000万的人口进入能源消费水平更高的城镇生活。显然，农村和小城镇能源需求的增长，将对能源供应的数量、品种以及基础设施基础设施建设构成巨大的挑战。
1.1.2多联产多联产是综合解决我国能源挑战的重要途径
不难看出，上述能源挑战均和煤炭有着千丝万缕的联系，具体体现在： 一方面，煤炭是我国一次能源供应的主体，当前的份额约为70%［4］，未来二三十年内很可能还会维持50%以上的份额，因此是我国能源供应中不可或缺的基础能源； 另一方面，煤炭自身的性质以及大量利用又是导致环境污染和温室气体温室气体排放等诸多问题的主要原因之一。因此，能否把煤炭利用的这篇大文章做好是应对我国能源挑战的战略性和重点问题，其中，选择和发展能够综合、高效、洁净地利用煤炭的技术是关键。
基于煤气化煤气化的多联产系统正是一条煤炭综合、高效、洁净利用的先进技术路线，是综合解决上述五大挑战的重要途径和关键技术［5］，表现为： 
（1） 多联产可以生产多种产品并提高煤炭利用效率，有助于缓解能源供需矛盾和液体燃料短缺。多联产在发电的同时，还可以大规模地生产甲醇甲醇、二甲醚二甲醚、费托合成油（FT油）等清洁替代燃料替代燃料以及化工品和城市煤气城市煤气等，在提高煤炭利用效率的同时，有效扩展了煤炭的利用范围，有助于补充和缓解液体燃料的需求和供应压力。
（2） 多联产能有效降低煤炭利用中的污染物和温室气体温室气体排放，满足未来社会对环保和温室气体温室气体减排更严格的要求。一方面，煤气化煤气化系统的合成气合成气净化环节可以有效地脱除各种常规污染物常规污染物； 另一方面，工艺过程中可以以较小的增加成本捕捉高浓度、高压的CO2，满足未来减排CO2的需要。
（3） 多联产系统的实质是多种不同类型产品生产过程的优化耦合。优化耦合后的系统不仅可以实现电力与高附加值化工产品的联产联产，有效地降低各产品的成本，而且还可以灵活地调节多个产品之间的“峰谷”差，使得整体系统的经济效益始终维持在高水平。
特别值得指出的是： 除了以煤为原料以外，多联产系统还能以天然气、渣油渣油、石油焦石油焦和生物质生物质等为原料，尤其适合利用和处理高硫煤高硫煤、高硫石油焦。在发展适当技术的条件下，也可以实现上述原料的协同利用。
本书主要关注于以煤气化煤气化为“龙头”的多联产系统，因此除特殊说明以外，以下简称的“多联产”或“多联产系统”均指基于煤气化煤气化的多联产多联产系统。
1.1.3多联产是 IGCCIGCC的延续和发展
在众多清洁煤发电技术中，整体煤气化煤气化联合循环（IGCC）一直被认为是高效和最清洁的［6］。然而，现实中，IGCC技术尚存在投资成本高，运行费用高，运行可靠性和可用性较低等问题，因此，在世界范围内IGCC发展的速度并不快［7］。
随着环保要求的日益提高，汞、可吸入颗粒物可吸入颗粒物以及温室气体温室气体的排放备受关注，而基于煤气化煤气化的煤炭利用技术的环保优势越来越明显。基于煤气化煤气化的多联产技术力图把化工产品生产和煤气化发电整合在一起，这不仅继承了IGCCIGCC的环保优势，又改善了其经济性差的缺点，因此是改善基于煤气化的煤炭综合利用技术的重要途径［8］。
一般地说，多联产相对于IGCC的经济性改善体现在以下几方面： 
（1） 多联产所用的气化炉气化炉容量容量约等于原本生产同样电力和化学品所需要的两个单独气化炉的容量容量之和。而煤气化部分占单独产品生产系统中的投资比例一般均超过50%，因此，规模效益可以大大改善整个系统的投资经济性，这也是多联产提高经济性的主要价值所在； 
（2） 化工和电力两种甚至多种产品的联合生产，使得不同产品的生产数量和生产时间可以实现一定的调剂，从而保证投资成本最高的煤气化煤气化系统始终工作在额定负荷下，进而保证投资回收； 
（3） 化工产品和电力生产流程间可以通过物质和能量的集成耦合，实现更高的能量利用效率； 
（4） 多联产还有利于提高系统可靠性和可用率，原因在于，IGCC由于投资成本高的缘故，不得不增添很多设备来利用一切可利用的能量，结果不仅导致投资成本高，而且导致系统复杂和可靠性降低。例如为利用粗煤气显热而设置的粗煤气和干净煤气的热交换器，经常因为磨损而不得不切除。多联产因为同时生产电力和高附加值化工产品，具有较高的经济性，因此，在是否通过增加设备来追求系统的效率上具有更大的选择余地。
1.2多联产系统的基本构成及概念
1.2多联产多联产系统的基本构成及概念
多联产系统如图1.1所示，其基本组成包括三部分： 合成气合成气制备和净化段，化工合成段以及燃气蒸汽联合循环发电段。


图1.1以合成气合成气源为核心的多联产能源系统


用于制备合成气合成气的燃料包括煤炭、重油、生物质生物质、石油焦石油焦、废弃物，甚至天然气等。这些原料在合成气合成气发生器（使用煤炭时为煤气化炉）中与气化剂反应生成以H2和CO为主的合成气，之后经过净化设备去除其中的粉尘以及H2S等物质，并可以把硫化物硫化物转化为高附加值的单质硫。值得一提的是，由于CO2在净化净化所用溶剂中的溶解度较高，因此净化过程中可以顺便收集一部分高纯度的CO2，使得多联产系统具有以较低的成本捕捉CO2的天然优势，这为未来应对温室气体温室气体减排问题提供了条件和途径。
为了满足后续工艺的要求，合成气在经过除尘处理后往往需要进行变换反应，将部分CO变换为H2，以实现合适的H2/CO比例。在需要H2作为输出产品时，甚至可以将CO完全转化为H2和CO2并分离，从而实现H2的生产和CO2的捕捉。
化工合成段的产品可以是甲醇甲醇、二甲醚二甲醚、费托液体、乙醇或其他燃料和化工产品。和传统单一生产相应产品的系统相比，其特点是可以采用合成气一次通过的运行方式（即合成反应器出口的未反应气不再循环回反应器入口）或减少循环量（即增大驰放气驰放气的份额），从而简化了系统、降低了运行能耗。
燃气蒸汽联合循环发电段和IGCCIGCC中的发电段基本相同。上述三部分因连接方式的不同，可以分为串联和并联两种基本布置方式： 当发电系统只燃用来自化工合成段的尾气时，称为串联布置串联布置； 当发电用的燃料一部分来自化工合成段的尾气，另一部分直接来自合成气制备工段时，称为并联布置并联布置。
图1.1表示三个部分间的宏观联系。实际上，各部分间还存在着大量的物质和能量的交换和耦合关系（如部分空分入口空气来自燃气轮机燃气轮机压气机压气机等），构成一个有机集成的系统。多联产系统效率的发挥和各部分间物质和能量的优化优化集成紧密相关。
还需要指出的是，多联产系统尚无统一的定义。一种意见着重于强调多种产品的产出，即在同一个厂内同时生产电力、热能、城市煤气城市煤气、可综合利用的灰渣等多种产品时，就可以认为是多联产多联产。另一种意见则强调化工生产和电力生产的有机关联。
在此谈及的多联产采用第二种意见，并借鉴热电联产热电联产的概念对多联产作如下定义［9］： 利用已参与化工合成后的合成气再去发电的利用方式称为（化工电力）多联产。在此定义下，可以规范如下的认识： 
（1） 只有进入化工合成反应器参与了化工合成，而其中未转换的尾气被抽出去下游发电工段参与发电的那部分合成气成为“联产合成气”。串联系统中，全部的合成气均为联产联产合成气。
（2） 在并联系统中，只有分流到化工合成段参与合成的那部分合成气是联产合成气，而直接通往发电工段燃烧发电的那部分合成气，不是联产合成气，其本质是电力分产。
（3） 在传统化工生产过程中，如果驰放气驰放气用于发电，本质上也是化工电力多联产。只不过因为发电的量小，而被称为余能利用。在此涉及的多联产，一般指发电量与化工产品的产量具有相当的水平。但具体的比例如何，目前尚无定论，需进一步研究。
1.3多联产系统的特征及涉及的研究内容
1.3多联产系统的特征及涉及的研究内容
多联产系统是一种区别于传统热力系统的现代热力系统。与传统热力系统“以化石燃料为原料，以动力和热能（包括冷能）为产品，内部过程以热力循环为核心，主要涉及物理能的转化”的基本特点相比，多联产系统的新特征主要包括： 
（1） 在系统输出产品方面，多联产系统不仅有传统热力产品（动力、热能等）和冷能、灰渣等多种易得产品的简单联供，而且向与燃料和化工产品的联合生产的方向发展。在温室气体温室气体日益成为关注热点的情况下，高浓度CO2实际上也成为多联产系统的重要产品。
（2） 在系统的内部过程和学科内容方面，对于多联产系统而言，物理能的高效转换过程不再是唯一的核心内容，化学能和物理能的综合梯级利用梯级利用以及热力过程和化工过程的耦合和集成正在成为主要的研究内容。此外，由于任何技术科学都不可避免地以发展为实用、商业化技术为最终目的，与多联产系统在使用周期内的运行、维护、可靠性、可用率等相关的科学问题，以及关联技术性能和投资造价成本以及最终产品成本的经济性评价方法也是多联产系统研究中的重要内容。因此，多联产系统的研究需要在热科学理论尤其是工程热力学工程热力学的基础上，融合系统工程、控制工程、信息技术以及技术经济学等学科的理论、手段和方法。
（3） 在研究对象的层次和规模方面，多联产系统的规模日趋扩大，成为真正意义上的复杂巨系统。传统热力系统一般包括过程、设备和系统三个层次。系统层次的规模最终表现为生产单一或少数产品的各自为政的工厂。出于提高能源利用效率和实现循环经济循环经济的目的，多联产系统的规模在向纵向和横向两个方向扩展。纵向是以能源梯级利用为特征的单厂生产过程的延长和扩展； 横向是单个工厂向生态工业园区的演变。
结合上述多联产的特征，多联产系统需要加强研究的科学问题主要涵盖以下五个方面： 
（1） 多联产系统仿真和建模建模。多联产系统的庞大性和复杂性导致系统硬件联调试验在设计阶段不可能实现，因此有必要建立包含各种设备机理性数学模型在内的仿真工具平台，通过开展系统特性和系统优化优化研究，来验证各种多联产系统设计方案的合理性。
（2） 多联产系统的特性和设计规律。作为一类新型热力系统，对多联产系统的研究需要从复杂和繁多的子过程特性规律中简化和提炼出系统层次研究需要的主要规律和特性，并将其按照重要程度、因果关系和先后次序组合设计成满足系统特性研究需要的过程和部件模型。除部件层次的建模建模、分析和优化优化的一般科学问题外，还需要对多联产系统动态特性和规律进行研究，包括多联产系统动态模型的特殊建模方法，描述热工质压力和流量耦合特性的热工流体网络流体网络建模和求解方法，非线性、大延迟、非同性复杂热力系统的全工况描述方法等。
（3） 多联产系统综合分析方法与评价准则。与传统热力系统不同的是，多联产系统是一种多输入、多输出的热力系统，传统的分析方法与评价准则不再适用，需要研究和建立一套适用于多联产系统的科学合理的多产品、多准则、多目标的分析方法与评价准则。
（4） 典型多联产系统的建模与分析。通过对多联产系统具体案例的研究，展示多联产系统的流程设计和集成思路，分析多联产系统在效率、环境特性和经济性方面的优缺点。
（5） 多联产系统的实施前景分析。多联产系统的研究范围不仅包括单一技术系统，而且应扩展到城市、区域甚至国家层面。因此，需要从资源、技术和经济等多角度、多层面地探讨实施多联产系统的时间、空间和技术路线，分析多联产系统实施过程可能面临的挑战和应对措施。
参 考 文 献
参 考 文 献


［1］倪维斗，陈贞，李政.我国能源现状及某些重要战略对策［J］.中国能源，2008，30(12)： 59.

［2］BP Statistical Review of World Energy［R］，June，2010.

［3］中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2010［R］.北京： 中国统计出版社，2010.

［4］国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2009［R］.北京： 中国统计出版社，2010.

［5］倪维斗，郑洪弢，李政，等.多联产系统： 综合解决我国能源领域五大问题的重要途径［J］.动力工程，2003，23(2)： 22452251.

［6］U.S.DOE/Office of Fossil Energy，NETL (National Energy Technology Laboratory).Major environmental aspects of gasificationbased power generation technologies： Final Report ［R］.2002.

［7］焦树建.关于目前世界上IGCC发展情况与趋势的评论［J］.燃气轮机技术，2004，17(3)： 15.

［8］冯静，倪维斗，曹江，等.多联产配置是推进我国IGCC系统发展的重要途径［J］.燃气轮机技术，2007，20(4)： 15.

［9］李政.以合成气源为核心的多联产技术.《中国电气工程大典》第 4 卷《火力发电工程》第13 篇第7章［M］. 北京： 中国电力出版社，2009.



第2章多联产系统仿真工具平台


第2章
多联产系统仿真工具平台
多联产多联产系统规模大、构成复杂，导致系统硬件联调试验在设计阶段不可能实现。在一定的软件工具平台上，把代表多联产系统部件及内在过程的数学模型组合、连接在一起，构成能够模拟多联产系统特性的系统模型，从而进行各种系统配置方案和参数方案的模拟试验，这不失为一种事半功倍的方法。这种包含各种多联产部件模型并能开展系统特性模拟和分析的软件工具平台称为“多联产系统仿真工具平台”。
根据实现手段和方法的不同，可将多联产系统仿真工具平台划分为两大类： 一类是自开发型平台，即利用通用底层开发环境（如C++等），从最基础的模块开始进行平台的研发工作，以获得不受专业软件限制的仿真平台仿真平台； 另一类是组合型平台，即以具备不同专长的专业软件或平台为基础（如擅长化工过程模拟的AspenAspen Plus、适合燃气蒸汽联合循环模拟的GT PRO等），通过建立不同平台间的接口并进行模型模块和功能扩展，开发出适合多联产系统模拟仿真的工具平台。
本章首先概括了多联产系统仿真平台仿真平台的功能需求，在此基础上提出了多联产仿真工具平台的软件设计架构，之后介绍了两个多联产仿真平台仿真平台的开发案例——基于底层算法的自开发型工具平台和基于专业商业化软件AspenAspen Plus与GT PRO联合的组合型工具平台。
2.1多联产系统仿真平台的架构
2.1多联产系统仿真平台仿真平台的架构
多联产系统是一个庞大的耦合型系统，其中涉及多学科多领域的内容，因此其仿真平台也必然具备以上特点。对于这样的大型系统仿真平台建设，必须结合仿真对象的特点进行详细的前期系统规划，才能达到预期的功能目标。系统架构是大型仿真平台的建设基础，系统架构的科学性、正确性将直接决定平台的整体表现和功能。由于该部分内容的特殊地位和敏感性，目前在各类文献中很少有系统的介绍，对于多联产这个新的能源系统而言，相关资料更是一片空白，所以对其进行系统研究和知识提炼是平台建设的首要任务，同时也是最为重要的环节之一。
要构建一个完整的仿真系统，首先应该研究的内容是这个系统所要面向的对象、要解决的问题、它所需具备的功能，进而结合对象本身的一些重要特征来确定系统的实际架构。因此一个完整的平台研发过程应该遵循如图2.1所示的流程关系： 


图2.1平台研制流程


多联产系统的庞大性，面向对象的组合不定性，要解决问题的多样性，以及对象特征的特殊性，导致系统架构的确定异常困难。本章将遵循以下思路来确定仿真平台仿真平台的系统架构： 首先将探讨对于一般的能源系统仿真平台，其架构如何确定，应该包括哪些通用的模块和构件，用于达到何种求解目的； 然后结合多联产能源系统的特点，分析系统本身所具有的关键特征和与常规能源系统的区别，挖掘问题内涵和本质，从中提炼出平台所需解决的问题并加以分类，决定平台所需具备的功能，并且在此基础上最终确定平台架构和组成，形成系统设计的核心思想。
2.1.1仿真平台系统结构的规划与确定
当前任何一种能量系统都是由若干设备按一定的流程组合在一起的，将其中的设备抽象为独立的单元，用数学语言进行描述，再使用抽象的流程线代表各个设备之间的关系，用拓扑逻辑图进行描述，这就将整个实际系统抽象成为一个可定性定量描述的模拟系统，然后再利用一定的手段，通常是计算机，将数学描述和逻辑结构转化为机器语言，在一定的已知条件下进行求解计算，并根据不同的需要将结果用不同的形式形象地表现出来，这就完成了一个仿真过程，如图2.2所示。


图2.2系统仿真过程


实际仿真系统定义包含的范围非常广，既可以是对单个设备单元的模拟，也可以是对很多设备单元组成的复杂系统的模拟； 既可以是动态的模拟，也可以是平衡态或变工况变工况的模拟。而其中通过计算机在系统流程级别上进行的仿真和模拟，就是通常所说的流程模拟流程模拟（flowsheeting simulation）。流程模拟是随着计算机技术在工程领域的广泛应用而产生和发展的一种计算机仿真技术。其目的是建立、或者应用已建立的、能够精确地描述整个系统的数学模型，应用计算机对数学模型求解，得到该系统的全部信息，如系统内各物流的组成及状态，各单元设备的状态变量等。流程模拟技术在系统设计、优化优化及控制中具有不可或缺的重要地位，可以认为如果没有流程模拟技术就不可能得到技术先进合理、生产成本优化的系统方案，因此该技术被认为是21世纪解决动力工程问题的关键技术之一［1］。
2.1.2处理问题分类
从是否引入时间因子的角度，可以将仿真问题粗略划分为动态、静态和变工况变工况三大类。而其中动态问题还可以根据实时标准进一步划分为非实时、准实时、实时和超实时四类。根据求解目的可以将问题划分为模拟问题、设计问题、优化优化问题和综合问题。根据研究对象可以将问题划分为单元对象和复杂系统两类，如图2.3所示。以下对这几种类型问题及其对应算法进行简单的说明。