第5期(總第150期)煤化工No, 5(Total No 150)2010年10月Coal Chemical IndustryOct.2010GE水煤漿氣化爐在線率的計算與分析牛苗任孫永斌(中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司,北京100120)摘要以GE水煤漿氣化爐為代表,根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù),采用“逐點計算法”,分別計算了多臺氣化爐的最大理論在線率,在此基礎上,計算出不同可靠性下,多臺氣化爐的實際在線率。計算方法和結(jié)果具有普適性,可用到E-GAS、多噴嘴氣化爐備用爐的選擇上;對保證一定在線率下備用爐最佳臺數(shù)的確定提供了依據(jù)。關鍵詞水煤漿氣化爐在線率可靠性文章編號:10059598(2010)05-001905中圖分類號:TQ545文獻標識碼:A引言1GE(前 Texaco)水煤漿氣化技術氣流床煤氣化裝置是IGCC系統(tǒng)的關鍵設備,它1.1GE煤氣化技術直接影響發(fā)電效率、系統(tǒng)的可用率、投資和發(fā)電成本GE水煤漿氣化工藝包括氣化爐及輔助系統(tǒng)。氣等,其核心技術和關鍵設備是氣化爐。水煤漿加料氣化爐包括噴嘴、耐火磚、承壓部件等;輔助系統(tǒng)包括煤化爐的共同點是,爐膛由耐火磚砌成,到一定時間必漿輸送、灰水處理系統(tǒng)等。運行失常狀態(tài)指系統(tǒng)在操須停爐維修和更換,而且工藝噴嘴也易被磨損和燒作過程中,偏離了操作規(guī)程允許的正常操作參數(shù),而壞,運行周期短,影響到氣化爐的在線率。因此,本文造成運行失穩(wěn)甚至非計劃停車。根據(jù)一般操作規(guī)程及以GE氣化爐為代表,計算多臺氣化爐同時在線的運歷史數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)的運行失常狀態(tài)主要表現(xiàn)為:(1)行情況,對保證一定在線率下備用氣化爐臺數(shù)的選擇工藝氣出口溫度過高;(2)碳黑洗滌塔出口工藝氣含提供指導塵量超標;(3)氣化爐壓差波動過大;(4)氣化爐激冷為了增加IGCC電站的運行時間,必須提高IGC室液位異常;(5)氣化爐爐膛溫度異常;(6)因外部系電站的在線率,特別是氣化爐的在線率。國外研究的統(tǒng)波動而引起的氣化系統(tǒng)運行波動。國內(nèi)某企業(yè)GE計算表明:對于單純以發(fā)電為目標的IGCC電站,為了氣化裝置8年的停車數(shù)據(jù)統(tǒng)計及原因分析如表1所獲得經(jīng)濟效益,應使氣化爐的運行在線率達到92%,示,大約有50%的停車是因氣化爐出現(xiàn)了問題。因這就提出是否有必要在IGCC電站中設置備用氣化爐此氣化爐較其他設備更易發(fā)生故障即為系統(tǒng)的薄弱的問題叫(目前單臺GE氣化爐的在線率為80%-85%)。環(huán)節(jié),本文重點對氣化爐的在線率進行分析。但是增加備用爐會導致電站比投資費用的增高,究竟表1氣化爐非計劃停車的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及原因分析%應否設置備用爐以及備用幾臺合適,尚需進行綜合經(jīng)濟評估后才能確定2。從目前氣化爐的運行情況看,氣化原因設備故障電氣故障儀表故障工藝失調(diào)其他原因在釆用水煤漿氣化技術的煤化工、煤基多聯(lián)產(chǎn)、IGCC50.0026.369.244.628.151.63多聯(lián)供方案中,為了確?；どa(chǎn)過程的連續(xù)性,設置備用氣化爐是必要的。12GE氣化爐中的關鍵部件1.2.1耐火磚收稿日期:201005-03GE氣化爐型為單級、下吹、噴流式,水煤漿質(zhì)量作者簡介:牛苗任(1979—),男,2002年畢業(yè)于河北工業(yè)分數(shù)為60%-70%,氧氣純度約為95%,運行溫度約為大學化工工藝專業(yè),工程師,現(xiàn)從事煤氣化、GC的研發(fā)1350℃,煤與氧反應生成粗合成氣和熔渣。高溫粗合及工程設計。成氣向下流入輻射廢鍋/激冷室。激冷氣化爐是圓柱化工2010年第5期形加壓容器,內(nèi)襯耐火材料,由上部燃燒室和下部激供足夠資料,以便估算出一個、兩個或多個可比較的冷室組成,中間有激冷環(huán),連接下降管。氣化爐燃燒室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別。設備的可靠性可用多種方法表示,的工況是高溫、高壓、強還原性氣氛以及酸性熔渣沖通常采用的最基礎、最重要的方法是可用率(在線率)。蝕,并隨著頻繁開停車而不斷地出現(xiàn)溫度、壓力波動,在線率被定義為在一個特定點上及時發(fā)現(xiàn)一個系統(tǒng)因此耐火磚在一個較短時間內(nèi)(6個月24個月)就會具有一定功能狀態(tài)的概率。本文在線率(Xx)按式(1)毀壞。耐火磚的磨損很顯然與燃燒溫度和熔渣性質(zhì)計算:X=1,2,3,4,……n,代表有X臺氣化爐在運行有關,但經(jīng)驗表明,也與氣化率有關。近年來,雖然X=每年X臺氣化爐累積運行時間(d)×100%(1)不斷對耐火磚進行改進,但隨著生產(chǎn)量的加大,耐火磚壽命還是會逐步下降1。根據(jù)某工廠實際運行經(jīng)驗,表2列出了具有代表1.2.2噴嘴性的激冷流程氣化爐的運行統(tǒng)計情況。對于輻射廢鍋工藝噴嘴是GE氣化爐的心臟,端部結(jié)構(gòu)示意圖流程只是將氣化爐下部連接的激冷室取代為輻射鍋見圖1,為同心三套管形式。水煤漿及氧化劑通過工爐,氣化爐的運行狀況還是與激冷流程相同的,因此,藝噴嘴進入氣化爐反應室,發(fā)生氣化反應。無論是中表2中的數(shù)據(jù)對于廢鍋流程同樣具有代表性。根據(jù)表心氧還是水煤漿及外氧的流通面積均需要滿足各自2還可以得出單臺氣化爐的一個生命周期(如下頁圖介質(zhì)的流量要求,在供應壓力允許的情況下,力爭達2所示),在全爐耐火磚更換完畢之后氣化爐開始下到必要的混合和霧化效果。但中心氧的比例有一定限輪新的循環(huán)。下頁圖3為6臺氣化爐開車情況下的制,一般為總氧量的8%-20%(體積分數(shù)),最佳是12%示意圖,首先運行1爐,以后每間隔60d,開車運行1左右,其余均作為外氧。由于噴嘴長期處于高溫下臺氣化爐,直至6臺氣化爐全部開車運行。工作,易受到硫化腐蝕和固體進料沖蝕,或者由于安不考慮其他工藝、設備、儀表引起的非計劃停車裝加工缺陷(如焊接質(zhì)量低、噴嘴頭不同心等),使噴僅考慮氣化爐本身的計劃停車,本文分別計算了單臺嘴頭被扭曲,霧化程度變差,從而導致合成氣組成波爐、2臺爐、3臺爐、4臺爐、5臺爐和6臺爐,6種情況動很大,氣化效率下降。因此噴嘴的設計、制造安裝下項目生命周期內(nèi)(20a)的運行工況。以6臺氣化爐及更換尤為重要。為例,計算過程如下:以“d”為單位,采用“逐點計算法”:從1爐開始運行的第1天進行計算,計算步長為365d,即往后計算至第365天,結(jié)果為第1組數(shù)據(jù);再從1爐開始運行的第2天進行計算,往后計算至第366天,結(jié)果為第2組數(shù)據(jù);以此類推,計算至NEvAE20a,因此共有T365×20=7300組數(shù)據(jù)。在這T組數(shù)據(jù)中,由于第1年為氣化爐陸續(xù)開車階段,假定為非穩(wěn)定生產(chǎn)階段,因此除去前300組數(shù)據(jù),從第301組數(shù)據(jù)開始到第7300組數(shù)據(jù)結(jié)束,共有7000組數(shù)據(jù)l—中心氧通道2—水煤漿通道3—外氧通道統(tǒng)計出最差工況、最優(yōu)工況,并對這7000組數(shù)據(jù)求4一水冷盤管5一冷卻夾套出平均工況。這里需要指出的是,整個氣化工藝是一圖1GE工藝噴嘴端部結(jié)構(gòu)示意圖個高度耦合的系統(tǒng),電氣故障、儀表故障、工藝失調(diào)以及其他原因均可能引起非計劃停車。與穩(wěn)定運行相關2計算方法與討論的是可靠性,其考察的是生產(chǎn)的整體水平,而不僅僅關注高峰值。由于這里計算僅考慮氣化爐本身的計劃可靠性分析以概率論為基礎,其計算結(jié)果帶有統(tǒng)停車,因此計算結(jié)果是最大理論在線率。“逐點計算計性。盡管可靠性的計算缺乏確定的特性,但它能提法適用性強,對數(shù)據(jù)點的數(shù)量沒有限制,并且由于對表2工藝計算條件修噴嘴更換拱頂(渣口)耐火拱頂(渣口)更換全爐耐火磚全爐耐火磚開車壽命/d時間/d磚時間(含烘爐)/d火磚壽命/h時間(含烘爐)/d壽命/h間隔/d80004216000602010年10月牛苗任等:GE水煤漿氣化爐在線率的計算與分析-21正更正更更換拱頂更正更正更正和排渣口更換全爐氣化爐開始耐火磚行嘴行耐火磚新的循環(huán)●●●圖2單臺氣化爐的生命周期●●●●●●5°妒●●●●●圖36臺氣化爐開車情況示意圖每天都作為起始點進行計算,因此計算的工況最完整,統(tǒng)計結(jié)果最精確。取前3000組數(shù)據(jù)作圖,具有代表性的氣化爐運行情況如圖4和圖5所示,可以看出,從第1年往后,氣化爐運行有明顯的周期性。氣化爐燃燒室內(nèi)襯耐火材料的壽命是制約裝置運行周期的關鍵因素。對于確定的裝置,氣化爐噴嘴和耐火磚的壽命是一定的,到期必須停爐更換,根據(jù)生產(chǎn)實際需要,合理安排開車間隔天數(shù)對多臺氣化爐的運行計劃檢修等非常重要。050010001500200025003000計算組數(shù)/組3爐在線一合-2爐在線9-1爐在線一-0爐在線250圖53臺氣化爐運行情況停車的統(tǒng)計事故發(fā)生概率為(1-P),P值由氣化工藝各子系統(tǒng)及設備故障發(fā)生概率的歷史運行數(shù)據(jù)來確定,與實際操作和管理水平等有很大關系。由于各臺氣化爐的運行是相互獨立的,在任何時刻每臺氣化爐050010001500200025003000運行的可靠性都為P,且只有正常和故障兩種情況計算組數(shù)/組因此K臺氣化爐運行的可靠性Bx滿足二項分布的0-2爐在線一-1爐在線一x-0爐在線條件,可用式(3)進行計算。K臺氣化爐運行的實際可圖42臺氣化爐運行情況用率Ax可用式(4)進行計算。根據(jù)計算出的最大理論在線率,氣化爐的實際在Brv=b(k, N, P)=CP(1-P)N-k線率可用式(2)進行計算實際可用率=最大理論在線率×可靠性(2)∑[;∑)∑[x(∑6m;p)]設單臺氣化爐運行的可靠性為P(0.8