第32卷第9期電力建設(shè)VoL 32. No 9·742011年9月Electric Power ConstructionSep, 2011中圖分類號:TK47文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10007229(2011)09-0074-04燃用低熱值合成氣燃?xì)廨啓C(jī)性能特點(diǎn)及優(yōu)化張建府(中國華能綠色煤電有限公司,北京市,10008)Performance Characteristics and Optimization ofGas Turbine for Firing Low-heating Value SyngasZHANG Jianfu(GreenGen Corporation, Beijing 100098, China)ABSTRACT: The fuel for gas turbine is normally natural gas or其性能對整個IGCC系統(tǒng)的發(fā)電效率,電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)heavy oil, which used in the IGCC( integration generation性能的影響很大。目前,燃?xì)廨啓C(jī)基本都是以天然氣combined cycle is syngas with main compositions of H, and或重油作為燃料進(jìn)行設(shè)計(jì)的,而在IGCC電站中供給CO. The variations of composition and heating value of fuel willlead to the requirement of some modifications for gas turbine燃?xì)廨啓C(jī)的燃料為煤氣化產(chǎn)生的低熱值合成氣,其主and the reset of operating condition points. In the paper,the要成分是H2和CO。由于燃料特性的變化,一方面characteristics of gase for firing syngas are firstly需要對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠布脑?另一方面需要analyzed, and then some measures to improve the performance of重新設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn),以滿足燃用低熱值gas turbine introduced合成氣的要求。本文將初步分析燃?xì)廨啓C(jī)燃用低熱KEYWORDS: integration generation combined cycle(IGcC);值合成氣時,燃?xì)廨啓C(jī)主要系統(tǒng)性能的變化特點(diǎn),在gas turbine; syngas; performance characteristics此基礎(chǔ)上介紹一些可行的調(diào)節(jié)措施以改善燃?xì)廨啓C(jī)摘要:目前,燃?xì)廨啓C(jī)基本都是以天然氣或重油作為燃料進(jìn)行運(yùn)行的性能,滿足電站穩(wěn)定運(yùn)行的要求。設(shè)計(jì)的而在GcC電站中供給燃?xì)廨啓C(jī)的燃料為煤氣化產(chǎn)生1燃機(jī)燃用低熱值合成氣問題分析的低熱值合成氣,其主要成分是H2和CO。由于燃料特性的變化,一方面需要對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠布脑?另一方面相比天然氣,由于合成氣的成分復(fù)雜,且熱值較需要重新設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)以滿足燃用低熱值合低,燃?xì)廨啓C(jī)燃用合成氣時,將面臨一些新的問題。成氣的要求。文章初步分析了燃?xì)廨啓C(jī)燃用低熱值合成氣由于合成氣與天然氣在空氣中的燃燒特性有較時,燃?xì)廨啓C(jī)主要系統(tǒng)性能的變化特點(diǎn),并介紹了相應(yīng)的應(yīng)對大的差別,因此燃?xì)廨啓C(jī)燃用合成氣時,首先需要考措施,以滿足燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。慮燃料燃燒的問題,包括燃燒穩(wěn)定性、燃燒產(chǎn)物中關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);燃?xì)廨啓C(jī);合成氣;性能特點(diǎn)NO2排放控制等doi:10.3969/j.isn1000-7229.2011.09.018(1)合成氣中CO的含量較高。由于CO的著火0引言下限比較高,因此當(dāng)合成氣中含有較多的CO時,點(diǎn)火會比較困難。這就要求合成煤氣燃燒器應(yīng)具備點(diǎn)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( integration generation火迅速、燃燒效率高的特點(diǎn);同時需增大燃燒橫斷面combined cycle,GCC)發(fā)電是一種將氣化技術(shù)、合成積、增加燃燒室長度,以延長CO的停留時間,有助于氣凈化技術(shù)與高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的先降低尾氣中CO排放。進(jìn)動力系統(tǒng),因其可以廣泛地利用各種固體燃料,具(2)合成氣中H2的含量較高(約占粗合成氣體備優(yōu)越的環(huán)保性能,同時比較容易實(shí)現(xiàn)CO2分離回積流量的30%),H在空氣中燃燒時具有火焰?zhèn)鞑ナ账栽絹碓绞艿饺藗兊年P(guān)注。GCC系統(tǒng)從大的速度快反應(yīng)活性強(qiáng)、容易引起回火、容易發(fā)生振蕩燃方面可以分為氣化部分與動力部分。氣化部分主要燒等特點(diǎn),因此,H2含量較高的合成氣(富氫合成包括空分單元、氣化單元凈化單元;動力部分主要包氣很難在傳統(tǒng)的燃用V凵中國煤化工像定括燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)等發(fā)電及輔助設(shè)備。燃燒,目前主要采用擴(kuò)CNMHG然料燃?xì)廨啓C(jī)作為IGC發(fā)電系統(tǒng)的重要組成單元,燃燒的穩(wěn)定性。而在擴(kuò)散燃燒方式下,由于H2與空第9期張建府燃用低熱值合成氣燃?xì)廨啓C(jī)性能特點(diǎn)及優(yōu)化75氣當(dāng)量燃燒時絕熱火焰溫度較高,相比天然氣高約機(jī)運(yùn)行要求的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行應(yīng)150℃,局部燃燒溫度高,易導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中氮氧化同時滿足多個限制條件,燃用富氫合成氣時,需要物排放量偏高,不同燃料燃燒NO,排放特性如圖1重點(diǎn)考慮如下限制所示,因此需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂聘粴浜铣蓺鈹U(kuò)(1)壓氣機(jī)喘振限制。散燃燒時的NO,排放量。可供選擇的方法按作用機(jī)富氫合成氣的熱值比天然氣熱值低(如天然氣理的不同主要分為2大類熱值為35MJ/m3,而摻混N2后的富氫合成氣,其熱1)通過往富氫合成氣中摻混N2等惰性氣體,進(jìn)值約為6M/m3,僅為天然氣熱值的1/6),此時為了行水蒸氣飽和或往燃燒室噴水等措施來降低絕熱火向燃燒室提供同樣的燃料化學(xué)能,需要往燃燒室通人焰溫度,控制熱力型NO的產(chǎn)生量。更多的燃料。通常燃?xì)廨啓C(jī)燃用天然氣時,燃料約為2)加裝燃燒后催化還原凈化裝置。在催化劑的進(jìn)入燃燒室空氣量的2%,而燃用合成氣時,其燃料作用下,煙氣中的NO2被還原成N2o約為進(jìn)入燃燒室空氣量的12%,其結(jié)果使得壓氣機(jī)第2種方法設(shè)備投資高能耗高,且要求煙氣中與透平之間的流量匹配關(guān)系發(fā)生變化,透平入口壓力的含硫量極低,以避免催化劑中毒,對IGCC系統(tǒng)脫增大。壓氣機(jī)喘振裕度減小,系統(tǒng)運(yùn)行的安全性大為硫環(huán)節(jié)提出了很高的要求。因此,現(xiàn)有的IGCC示范降低。電站均采用第1類方法對燃燒產(chǎn)物的NO2排放量進(jìn)(2)軸系扭矩限制行控制。通過往燃料中摻混惰性氣體N2水蒸氣等由于透平流量的增大,軸系扭矩增大,受轉(zhuǎn)子、葉對燃料進(jìn)行稀釋,能夠同時降低富氫合成氣的反應(yīng)活片等機(jī)械強(qiáng)度的限制,需要對燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率進(jìn)行性及燃燒產(chǎn)物中的NO2排放?？刂?以保證燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行。燃用低熱值合成氣時,燃機(jī)的輸出功率通常為燃用天然氣時額定功率的110%~115%,如西門子SGT5-2000E型燃機(jī)其燃用天然氣時的額定功率為160MW,而燃用合成2號柴油氣時其額定功率為7MW。同時在設(shè)計(jì)時,可考慮200}cH增大轉(zhuǎn)子、葉片等機(jī)械強(qiáng)度。擴(kuò)散火焰(3)透平葉片材料耐高溫限制。目前大型電站燃?xì)廨啓C(jī)的透平入口氣體溫度T235024002450250025502600絕熱燃燒溫度在1200℃以上,而透平一級靜葉的金屬材料所能承受的最高溫度僅為800℃左右。為了防止葉片超溫,圖1燃料在空氣中擴(kuò)散燃燒時的NO,排放性能Fig. 1 Performance of NO, emission需要綜合采用葉片空氣冷卻技術(shù)及熱障涂層保護(hù)技different fuels in diffusion flame術(shù),目前使用及研究中的各種冷卻技術(shù)如圖2所示。燃?xì)廨啓C(jī)燃用低熱值合戈氣時燃燒室出口煙氣量相燃機(jī)設(shè)備制造商對燃?xì)廨啓C(jī)燃用富氫合成氣的比燃燒天然氣時高增了熱煙氣與透平葉片之間的相關(guān)研究結(jié)果表明,隨著富氫合成氣中N2摻混比例傳熱,影響透平高溫葉的使用壽命。因此適當(dāng)提的增大,煙氣中NO4含量逐漸降低,同時往燃料中噴高葉片冷卻空氣量,或降低透平進(jìn)氣溫度,有助于延注水蒸氣可進(jìn)一步降低NO排放。通過采用往富氫合成氣中摻混N2的方式控制長透平高溫葉片的使用子命。NO,排放時,燃料熱值將隨N2摻混比例的不同而變化。隨著N2的稀釋程度增大,富氫合成氣的單位質(zhì)量熱值將逐漸降低,在IGCC電站中,通常凈化(a)對流冷卻(b)沖擊冷卻單元出口的合成氣熱值約為10MJ/m3,經(jīng)過N2等惰性氣體稀釋后,其熱值降至6MJ/m3左右。由于富氫合成氣的成分、熱值相比天然氣有較大的變化,造成燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能發(fā)生變化,主要包括壓(c)膜式冷卻(d發(fā)汗冷卻氣機(jī)與透平之間流量匹配關(guān)系的變化,燃機(jī)輸出功圖24種V凵中國煤化工率的變化及透平葉片冷卻性能的變化等(2),因此需Fig 2 FourCNMHG要通過分析燃機(jī)的系統(tǒng)變化特點(diǎn),重新設(shè)定滿足燃76電力建設(shè)第32卷2優(yōu)化措施燃油回油上節(jié)中總結(jié)了燃?xì)廨啓C(jī)燃用富氫合成氣時的主值班燃料氣汽或水要特點(diǎn)包括壓氣機(jī)與透平之間流量匹配關(guān)系的變擴(kuò)散燃燒燃料氣化,燃機(jī)輸出功率的變化等。此時需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詽M足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的要求(1)從壓氣機(jī)出口抽取適當(dāng)比例的空氣,增加壓噴蒸汽噴水縮機(jī)級數(shù)或擴(kuò)大透平通流能力,以協(xié)調(diào)壓氣機(jī)與透平預(yù)混燃料氣助燃空氣之間的流量匹配關(guān)系,使壓氣機(jī)保持一定的喘振裕度。目前,在西班牙及荷蘭的IGCC電站中,主要采外旋流器內(nèi)旋流器用了整體化空分配置的策略,即從燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口抽取適當(dāng)比例的空氣供給空分系統(tǒng),這樣做可以省燃料氣/空混合物燃油擴(kuò)熱燒腿新氣去空分單元的空壓機(jī)設(shè)備投資,又能使燃機(jī)壓氣機(jī)不圖3西門子組合燃燒器經(jīng)過改造即可運(yùn)行,但是也帶來了IGCC電站啟動及ig. 3 Structure of Siemens combustor變負(fù)荷調(diào)節(jié)困難的問題。在GE燃機(jī)燃用低熱值煤氣的應(yīng)用中,則大多釆用過擴(kuò)大燃機(jī)透平通流能力配1617l81920合調(diào)節(jié)燃機(jī)入口導(dǎo)葉的方法;而應(yīng)用于國內(nèi)天津IGCC示范電站的西門子SGT5-2000E(LC)型燃用合成氣燃機(jī)采取了在SGT5-2000E型燃機(jī)的壓氣機(jī)增加1級的措施,即在原SGT5-2000型燃機(jī)壓氣機(jī)的第10級后增加1級,使得壓氣機(jī)級數(shù)由原來的16級增加至17級。該措施使得壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振邊界,提高了設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的喘振裕度,使運(yùn)行工況點(diǎn)落在安全穩(wěn)定的工作區(qū)內(nèi)。2)燃燒器的改進(jìn)。在IGCC電站中,燃?xì)廨啓C(jī)的啟動和低負(fù)荷運(yùn)行時燃用天然氣或柴油,當(dāng)負(fù)荷65%時切換到燃用合成氣。這就要求燃?xì)廨啓C(jī)采用雙燃料燃燒器,既能單獨(dú)燃燒天然氣或柴油,又能單獨(dú)燃燒低熱值合成氣,還能同時燃燒柴油和合成氣。天津IGCC示范電站中燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器在原有的SGT5-2000E型燃機(jī)擴(kuò)散燃燒器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改(a)主視圖進(jìn),如圖33所示,使得燃燒器能穩(wěn)定地燃用低熱值合成氣。通過改進(jìn)使燃燒器能適應(yīng)常規(guī)燃機(jī)筒型燃燒室的燃燒而不用對筒型燃燒室進(jìn)行改動。筒型燃燒室結(jié)構(gòu)如圖43所示,燃燒器安裝在燃燒室的頂部,每個燃燒室?guī)в?個同樣的燃燒器。壓氣機(jī)來的(b)俯視圖壓縮空氣進(jìn)入燃燒室主要分為一次空氣和冷卻空氣,1-燃燒器組件2平臺3一對角旋流器;4-承壓外套;5—可一次空氣通過一次空氣環(huán)形空間14和16進(jìn)入到燃調(diào)空氣稀釋孔;6一內(nèi)部部件;7—人孔;8—觀察孔;9—高溫天燒組件,提供燃料燃燒的空氣,冷卻空氣則主要通過氣出口;10—電動執(zhí)行器;11-壓氣機(jī)排氣處環(huán)形空間;12—調(diào)可調(diào)空氣稀釋孔5進(jìn)入燃燒筒,冷卻燃燒煙氣,起到節(jié)環(huán);13-火焰探測器;14—次空氣的環(huán)形空間;15—火焰筒;16—一次空氣的環(huán)形空間;17-燃油供給管/吹掃空氣供給管保護(hù)燃燒室及后續(xù)透平熱部件的作用?？烧{(diào)空氣稀18-燃油回油管線;19—燃料擴(kuò)散燃燒進(jìn)氣口;20燃料預(yù)混燃釋孔帶有可調(diào)環(huán)12,通過可調(diào)環(huán)調(diào)節(jié)孔面積的大小燒進(jìn)氣口。來調(diào)節(jié)一次空氣和冷卻空氣的分配比例,以便燃機(jī)在圖4西門子S"V凵中國煤化工Fig. 4 Structure低負(fù)荷運(yùn)行時,維持穩(wěn)定的空氣和燃料比例,使得燃CNMHGSiemens sMvI燒溫度穩(wěn)定,燃燒效果較好第9期張建府:燃用低熱值合成氣燃?xì)廨啓C(jī)性能特點(diǎn)及優(yōu)化(3)由于燃用合成氣時,燃?xì)饬髁吭黾?燃?xì)廨唒erformance when firing coal-derived syngas[ J]. Transactions of the機(jī)輸出功率增大),因此需要增大轉(zhuǎn)子、葉片等的機(jī)ASME,1992,4(2):380-385械強(qiáng)度。[3]張守輝,王爽,俞立凡,等.V94.2燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[冂].發(fā)電設(shè)備,2008,22(6):4734773結(jié)語[4]岳晨,史翊翔,蔡寧生,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)空分單元集成特性[].中國電機(jī)工程學(xué)報,2010,30(32):1-7G℃C電站中燃?xì)廨啓C(jī)燃用低熱值合成氣時,由[5]陳曉利吳少華,李振中等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)變工況特于合成氣燃料成分復(fù)雜,熱值低,因此需要重新匹配性研究[冂].中國電機(jī)工程學(xué)報,2009,29(14):6-11壓氣機(jī)透平流量關(guān)系,改進(jìn)燃燒器以滿足燃機(jī)運(yùn)行的[6]陳曉利,吳少華,李振中,等整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)三壓再熱底循環(huán)系統(tǒng)變工況特性[冂].中國電機(jī)工程學(xué)報,2010,30(23);8-13要求。為天津IGCC電站提供的燃?xì)廨啓C(jī),通過采取71周使虎,匡建平,周志軍,等粉煤氣化爐噴嘴受熱分折和渣層模對壓氣機(jī)增加1級壓縮級,改進(jìn)雙燃料燃燒器,增強(qiáng)型的數(shù)值模擬[].中國電機(jī)工程學(xué)報,2007,27(26):23-29轉(zhuǎn)子葉片機(jī)械強(qiáng)度等多項(xiàng)措施,使得燃?xì)廨啓C(jī)能夠滿8]焦樹建GC技術(shù)發(fā)展的回顧與展望[J]電力建設(shè),200,30足燃用低熱值合成氣的需要。(1):1-74參考文獻(xiàn)收稿日期:2011-05-26修回日期:2011-07-18作者簡介[1] Moliere M. Hydrogen-fueled gas turbines: Status and prospects張建府(1984),男,工程師,工學(xué)碩士,從事lGCC電站的技術(shù)研[C J/Presentation at 2nd CAME-GTnce. Bled發(fā)工作,E-mail:jf.zhang@greengen.com.cn。Slovenia. 2004[2]Johnson M S. Prediction of gas turbine on-and off-design(責(zé)任編輯:何鸝)中國煤化工CNMHG