燃用低熱值合成氣燃氣輪機性能特點(diǎn)及優(yōu)化

第32卷第9期電力建設VoL 32. No 9·742011年9月Electric Power ConstructionSep, 2011中圖分類(lèi)號:TK47文獻標志碼:A文章編號:10007229(2011)09-0074-04燃用低熱值合成氣燃氣輪機性能特點(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(gè)IGCC系統的發(fā)電效率,電站技術(shù)經(jīng)濟heavy oil, which used in the IGCC( integration generation性能的影響很大。目前,燃氣輪機基本都是以天然氣combined cycle is syngas with main compositions of H, and或重油作為燃料進(jìn)行設計的,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燃氣輪機的燃料為煤氣化產(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需要對燃氣輪機進(jìn)行適當的硬件改造,另一方面需要analyzed, and then some measures to improve the performance of重新設定燃氣輪機的運行工況點(diǎn),以滿(mǎn)足燃用低熱值gas turbine introduced合成氣的要求。本文將初步分析燃氣輪機燃用低熱KEYWORDS: integration generation combined cycle(IGcC);值合成氣時(shí),燃氣輪機主要系統性能的變化特點(diǎn),在gas turbine; syngas; performance characteristics此基礎上介紹一些可行的調節措施以改善燃氣輪機摘要:目前,燃氣輪機基本都是以天然氣或重油作為燃料進(jìn)行運行的性能,滿(mǎn)足電站穩定運行的要求。設計的而在GcC電站中供給燃氣輪機的燃料為煤氣化產(chǎn)生1燃機燃用低熱值合成氣問(wèn)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,一方面需要對燃氣輪機進(jìn)行適當的硬件改造,另一方面相比天然氣,由于合成氣的成分復雜,且熱值較需要重新設定燃氣輪機的運行工況點(diǎn)以滿(mǎn)足燃用低熱值合低,燃氣輪機燃用合成氣時(shí),將面臨一些新的問(wèn)題。成氣的要求。文章初步分析了燃氣輪機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(shí),燃氣輪機主要系統性能的變化特點(diǎn),并介紹了相應的應對大的差別,因此燃氣輪機燃用合成氣時(shí),首先需要考措施,以滿(mǎn)足燃氣輪機穩定運行的要求。慮燃料燃燒的問(wèn)題,包括燃燒穩定性、燃燒產(chǎn)物中關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);燃氣輪機;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(zhù)火0引言下限比較高,因此當合成氣中含有較多的CO時(shí),點(diǎn)火會(huì )比較困難。這就要求合成煤氣燃燒器應具備點(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(shí)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(cháng)度,以延長(cháng)CO的停留時(shí)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)相結合的先降低尾氣中CO排放。進(jìn)動(dòng)力系統,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(shí)比較容易實(shí)現CO2分離回積流量的30%),H在空氣中燃燒時(shí)具有火焰傳播收所以越來(lái)越受到人們的關(guān)注。GCC系統從大的速度快反應活性強、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(dòng)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(dòng)力部分主要包氣很難在傳統的燃用V凵中國煤化工像定括燃氣輪機余熱鍋爐、蒸汽輪機等發(fā)電及輔助設備。燃燒,目前主要采用擴CNMHG然料燃氣輪機作為IGC發(fā)電系統的重要組成單元,燃燒的穩定性。而在擴散燃燒方式下,由于H2與空第9期張建府燃用低熱值合成氣燃氣輪機性能特點(diǎn)及優(yōu)化75氣當量燃燒時(shí)絕熱火焰溫度較高,相比天然氣高約機運行要求的設計工況點(diǎn)。燃氣輪機正常運行應150℃,局部燃燒溫度高,易導致燃燒產(chǎn)物中氮氧化同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)限制條件,燃用富氫合成氣時(shí),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,因此需要采取適當的措施來(lái)控制富氫合成氣擴(1)壓氣機喘振限制。散燃燒時(shí)的NO,排放量?？晒┻x擇的方法按作用機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(lèi)熱值為35MJ/m3,而摻混N2后的富氫合成氣,其熱1)通過(guò)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(shí)為了行水蒸氣飽和或往燃燒室噴水等措施來(lái)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。通常燃氣輪機燃用天然氣時(shí),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(shí),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%,其結果使得壓氣機第2種方法設備投資高能耗高,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系統脫增大。壓氣機喘振裕度減小,系統運行的安全性大為硫環(huán)節提出了很高的要求。因此,現有的IGCC示范降低。電站均采用第1類(lèi)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(guò)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,受轉子、葉對燃料進(jìn)行稀釋,能夠同時(shí)降低富氫合成氣的反應活片等機械強度的限制,需要對燃氣輪機輸出功率進(jìn)行性及燃燒產(chǎn)物中的NO2排放?？刂?以保證燃氣輪機的安全運行。燃用低熱值合成氣時(shí),燃機的輸出功率通常為燃用天然氣時(shí)額定功率的110%~115%,如西門(mén)子SGT5-2000E型燃機其燃用天然氣時(shí)的額定功率為160MW,而燃用合成2號柴油氣時(shí)其額定功率為7MW。同時(shí)在設計時(shí),可考慮200}cH增大轉子、葉片等機械強度。擴散火焰(3)透平葉片材料耐高溫限制。目前大型電站燃氣輪機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燃料在空氣中擴散燃燒時(shí)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。燃氣輪機燃用低熱值合戈氣時(shí)燃燒室出口煙氣量相燃機設備制造商對燃氣輪機燃用富氫合成氣的比燃燒天然氣時(shí)高增了熱煙氣與透平葉片之間的相關(guān)研究結果表明,隨著(zhù)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。因此適當提的增大,煙氣中NO4含量逐漸降低,同時(shí)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(guò)采用往富氫合成氣中摻混N2的方式控制長(cháng)透平高溫葉片的使用子命。NO,排放時(shí),燃料熱值將隨N2摻混比例的不同而變化。隨著(zhù)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(guò)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,造成燃氣輪機系統性能發(fā)生變化,主要包括壓(c)膜式冷卻(d發(fā)汗冷卻氣機與透平之間流量匹配關(guān)系的變化,燃機輸出功圖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(guò)分析燃機的系統變化特點(diǎn),重新設定滿(mǎn)足燃76電力建設第32卷2優(yōu)化措施燃油回油上節中總結了燃氣輪機燃用富氫合成氣時(shí)的主值班燃料氣汽或水要特點(diǎn)包括壓氣機與透平之間流量匹配關(guān)系的變擴散燃燒燃料氣化,燃機輸出功率的變化等。此時(shí)需要采取適當的措施以滿(mǎn)足燃氣輪機運行的要求(1)從壓氣機出口抽取適當比例的空氣,增加壓噴蒸汽噴水縮機級數或擴大透平通流能力,以協(xié)調壓氣機與透平預混燃料氣助燃空氣之間的流量匹配關(guān)系,使壓氣機保持一定的喘振裕度。目前,在西班牙及荷蘭的IGCC電站中,主要采外旋流器內旋流器用了整體化空分配置的策略,即從燃氣輪機壓氣機出口抽取適當比例的空氣供給空分系統,這樣做可以省燃料氣/空混合物燃油擴熱燒腿新氣去空分單元的空壓機設備投資,又能使燃機壓氣機不圖3西門(mén)子組合燃燒器經(jīng)過(guò)改造即可運行,但是也帶來(lái)了IGCC電站啟動(dòng)及ig. 3 Structure of Siemens combustor變負荷調節困難的問(wèn)題。在GE燃機燃用低熱值煤氣的應用中,則大多釆用過(guò)擴大燃機透平通流能力配1617l81920合調節燃機入口導葉的方法;而應用于國內天津IGCC示范電站的西門(mén)子SGT5-2000E(LC)型燃用合成氣燃機采取了在SGT5-2000E型燃機的壓氣機增加1級的措施,即在原SGT5-2000型燃機壓氣機的第10級后增加1級,使得壓氣機級數由原來(lái)的16級增加至17級。該措施使得壓氣機設計工況點(diǎn)遠離喘振邊界,提高了設計工況點(diǎn)的喘振裕度,使運行工況點(diǎn)落在安全穩定的工作區內。2)燃燒器的改進(jìn)。在IGCC電站中,燃氣輪機的啟動(dòng)和低負荷運行時(shí)燃用天然氣或柴油,當負荷65%時(shí)切換到燃用合成氣。這就要求燃氣輪機采用雙燃料燃燒器,既能單獨燃燒天然氣或柴油,又能單獨燃燒低熱值合成氣,還能同時(shí)燃燒柴油和合成氣。天津IGCC示范電站中燃氣輪機燃燒器在原有的SGT5-2000E型燃機擴散燃燒器的基礎上進(jìn)行了改(a)主視圖進(jìn),如圖33所示,使得燃燒器能穩定地燃用低熱值合成氣。通過(guò)改進(jìn)使燃燒器能適應常規燃機筒型燃燒室的燃燒而不用對筒型燃燒室進(jìn)行改動(dòng)。筒型燃燒室結構如圖43所示,燃燒器安裝在燃燒室的頂部,每個(gè)燃燒室帶有8個(gè)同樣的燃燒器。壓氣機來(lái)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(guò)一次空氣環(huán)形空間14和16進(jìn)入到燃調空氣稀釋孔;6一內部部件;7—人孔;8—觀(guān)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(guò)氣出口;10—電動(dòng)執行器;11-壓氣機排氣處環(huán)形空間;12—調可調空氣稀釋孔5進(jìn)入燃燒筒,冷卻燃燒煙氣,起到節環(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燃燒室及后續透平熱部件的作用?？烧{空氣稀18-燃油回油管線(xiàn);19—燃料擴散燃燒進(jìn)氣口;20燃料預混燃釋孔帶有可調環(huán)12,通過(guò)可調環(huán)調節孔面積的大小燒進(jìn)氣口。來(lái)調節一次空氣和冷卻空氣的分配比例,以便燃機在圖4西門(mén)子S"V凵中國煤化工Fig. 4 Structure低負荷運行時(shí),維持穩定的空氣和燃料比例,使得燃CNMHGSiemens sMvI燒溫度穩定,燃燒效果較好第9期張建府:燃用低熱值合成氣燃氣輪機性能特點(diǎn)及優(yōu)化(3)由于燃用合成氣時(shí),燃氣流量增加(燃氣輪performance when firing coal-derived syngas[ J]. Transactions of the機輸出功率增大),因此需要增大轉子、葉片等的機ASME,1992,4(2):380-385械強度。[3]張守輝,王爽,俞立凡,等.V94.2燃燒室結構特點(diǎn)[冂].發(fā)電設備,2008,22(6):4734773結語(yǔ)[4]岳晨,史翊翔,蔡寧生,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統空分單元集成特性[].中國電機工程學(xué)報,2010,30(32):1-7G℃C電站中燃氣輪機燃用低熱值合成氣時(shí),由[5]陳曉利吳少華,李振中等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統變工況特于合成氣燃料成分復雜,熱值低,因此需要重新匹配性研究[冂].中國電機工程學(xué)報,2009,29(14):6-11壓氣機透平流量關(guān)系,改進(jìn)燃燒器以滿(mǎn)足燃機運行的[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)系統變工況特性[冂].中國電機工程學(xué)報,2010,30(23);8-13要求。為天津IGCC電站提供的燃氣輪機,通過(guò)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增加1級壓縮級,改進(jìn)雙燃料燃燒器,增強型的數值模擬[].中國電機工程學(xué)報,2007,27(26):23-29轉子葉片機械強度等多項措施,使得燃氣輪機能夠滿(mǎn)8]焦樹(shù)建GC技術(shù)發(fā)展的回顧與展望[J]電力建設,200,30足燃用低熱值合成氣的需要。(1):1-74參考文獻收稿日期:2011-05-26修回日期:2011-07-18作者簡(jiǎn)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(責任編輯:何鸝)中國煤化工CNMHG