燃用低热值合成气燃气轮机性能特点及优化

第32卷第9期电力建设VoL 32. No 9·742011年9月Electric Power ConstructionSep, 2011中图分类号:TK47文献标志码:A文章编号:10007229(2011)09-0074-04燃用低热值合成气燃气轮机性能特点及优化张建府(中国华能绿色煤电有限公司,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其性能对整个IGCC系统的发电效率,电站技术经济heavy oil, which used in the IGCC( integration generation性能的影响很大。目前,燃气轮机基本都是以天然气combined cycle is syngas with main compositions of H, and或重油作为燃料进行设计的,而在IGCC电站中供给CO. The variations of composition and heating value of fuel willlead to the requirement of some modifications for gas turbine燃气轮机的燃料为煤气化产生的低热值合成气,其主and the reset of operating condition points. In the paper,the要成分是H2和CO。由于燃料特性的变化,一方面characteristics of gase for firing syngas are firstly需要对燃气轮机进行适当的硬件改造,另一方面需要analyzed, and then some measures to improve the performance of重新设定燃气轮机的运行工况点,以满足燃用低热值gas turbine introduced合成气的要求。本文将初步分析燃气轮机燃用低热KEYWORDS: integration generation combined cycle(IGcC);值合成气时,燃气轮机主要系统性能的变化特点,在gas turbine; syngas; performance characteristics此基础上介绍一些可行的调节措施以改善燃气轮机摘要:目前,燃气轮机基本都是以天然气或重油作为燃料进行运行的性能,满足电站稳定运行的要求。设计的而在GcC电站中供给燃气轮机的燃料为煤气化产生1燃机燃用低热值合成气问题分析的低热值合成气,其主要成分是H2和CO。由于燃料特性的变化,一方面需要对燃气轮机进行适当的硬件改造,另一方面相比天然气,由于合成气的成分复杂,且热值较需要重新设定燃气轮机的运行工况点以满足燃用低热值合低,燃气轮机燃用合成气时,将面临一些新的问题。成气的要求。文章初步分析了燃气轮机燃用低热值合成气由于合成气与天然气在空气中的燃烧特性有较时,燃气轮机主要系统性能的变化特点,并介绍了相应的应对大的差别,因此燃气轮机燃用合成气时,首先需要考措施,以满足燃气轮机稳定运行的要求。虑燃料燃烧的问题,包括燃烧稳定性、燃烧产物中关键词:整体煤气化联合循环;燃气轮机;合成气;性能特点NO2排放控制等doi:10.3969/j.isn1000-7229.2011.09.018(1)合成气中CO的含量较高。由于CO的着火0引言下限比较高,因此当合成气中含有较多的CO时,点火会比较困难。这就要求合成煤气燃烧器应具备点整体煤气化联合循环( integration generation火迅速、燃烧效率高的特点;同时需增大燃烧横断面combined cycle,GCC)发电是一种将气化技术、合成积、增加燃烧室长度,以延长CO的停留时间,有助于气净化技术与高效的联合循环发电技术相结合的先降低尾气中CO排放。进动力系统,因其可以广泛地利用各种固体燃料,具(2)合成气中H2的含量较高(约占粗合成气体备优越的环保性能,同时比较容易实现CO2分离回积流量的30%),H在空气中燃烧时具有火焰传播收所以越来越受到人们的关注。GCC系统从大的速度快反应活性强、容易引起回火、容易发生振荡燃方面可以分为气化部分与动力部分。气化部分主要烧等特点,因此,H2含量较高的合成气(富氢合成包括空分单元、气化单元净化单元;动力部分主要包气很难在传统的燃用V凵中国煤化工像定括燃气轮机余热锅炉、蒸汽轮机等发电及辅助设备。燃烧,目前主要采用扩CNMHG然料燃气轮机作为IGC发电系统的重要组成单元,燃烧的稳定性。而在扩散燃烧方式下,由于H2与空第9期张建府燃用低热值合成气燃气轮机性能特点及优化75气当量燃烧时绝热火焰温度较高,相比天然气高约机运行要求的设计工况点。燃气轮机正常运行应150℃,局部燃烧温度高,易导致燃烧产物中氮氧化同时满足多个限制条件,燃用富氢合成气时,需要物排放量偏高,不同燃料燃烧NO,排放特性如图1重点考虑如下限制所示,因此需要采取适当的措施来控制富氢合成气扩(1)压气机喘振限制。散燃烧时的NO,排放量。可供选择的方法按作用机富氢合成气的热值比天然气热值低(如天然气理的不同主要分为2大类热值为35MJ/m3,而掺混N2后的富氢合成气,其热1)通过往富氢合成气中掺混N2等惰性气体,进值约为6M/m3,仅为天然气热值的1/6),此时为了行水蒸气饱和或往燃烧室喷水等措施来降低绝热火向燃烧室提供同样的燃料化学能,需要往燃烧室通人焰温度,控制热力型NO的产生量。更多的燃料。通常燃气轮机燃用天然气时,燃料约为2)加装燃烧后催化还原净化装置。在催化剂的进入燃烧室空气量的2%,而燃用合成气时,其燃料作用下,烟气中的NO2被还原成N2o约为进入燃烧室空气量的12%,其结果使得压气机第2种方法设备投资高能耗高,且要求烟气中与透平之间的流量匹配关系发生变化,透平入口压力的含硫量极低,以避免催化剂中毒,对IGCC系统脱增大。压气机喘振裕度减小,系统运行的安全性大为硫环节提出了很高的要求。因此,现有的IGCC示范降低。电站均采用第1类方法对燃烧产物的NO2排放量进(2)轴系扭矩限制行控制。通过往燃料中掺混惰性气体N2水蒸气等由于透平流量的增大,轴系扭矩增大,受转子、叶对燃料进行稀释,能够同时降低富氢合成气的反应活片等机械强度的限制,需要对燃气轮机输出功率进行性及燃烧产物中的NO2排放。控制,以保证燃气轮机的安全运行。燃用低热值合成气时,燃机的输出功率通常为燃用天然气时额定功率的110%~115%,如西门子SGT5-2000E型燃机其燃用天然气时的额定功率为160MW,而燃用合成2号柴油气时其额定功率为7MW。同时在设计时,可考虑200}cH增大转子、叶片等机械强度。扩散火焰(3)透平叶片材料耐高温限制。目前大型电站燃气轮机的透平入口气体温度T235024002450250025502600绝热燃烧温度在1200℃以上,而透平一级静叶的金属材料所能承受的最高温度仅为800℃左右。为了防止叶片超温,图1燃料在空气中扩散燃烧时的NO,排放性能Fig. 1 Performance of NO, emission需要综合采用叶片空气冷却技术及热障涂层保护技different fuels in diffusion flame术,目前使用及研究中的各种冷却技术如图2所示。燃气轮机燃用低热值合戈气时燃烧室出口烟气量相燃机设备制造商对燃气轮机燃用富氢合成气的比燃烧天然气时高增了热烟气与透平叶片之间的相关研究结果表明,随着富氢合成气中N2掺混比例传热,影响透平高温叶的使用寿命。因此适当提的增大,烟气中NO4含量逐渐降低,同时往燃料中喷高叶片冷却空气量,或降低透平进气温度,有助于延注水蒸气可进一步降低NO排放。通过采用往富氢合成气中掺混N2的方式控制长透平高温叶片的使用子命。NO,排放时,燃料热值将随N2掺混比例的不同而变化。随着N2的稀释程度增大,富氢合成气的单位质量热值将逐渐降低,在IGCC电站中,通常净化(a)对流冷却(b)冲击冷却单元出口的合成气热值约为10MJ/m3,经过N2等惰性气体稀释后,其热值降至6MJ/m3左右。由于富氢合成气的成分、热值相比天然气有较大的变化,造成燃气轮机系统性能发生变化,主要包括压(c)膜式冷却(d发汗冷却气机与透平之间流量匹配关系的变化,燃机输出功图24种V凵中国煤化工率的变化及透平叶片冷却性能的变化等(2),因此需Fig 2 FourCNMHG要通过分析燃机的系统变化特点,重新设定满足燃76电力建设第32卷2优化措施燃油回油上节中总结了燃气轮机燃用富氢合成气时的主值班燃料气汽或水要特点包括压气机与透平之间流量匹配关系的变扩散燃烧燃料气化,燃机输出功率的变化等。此时需要采取适当的措施以满足燃气轮机运行的要求(1)从压气机出口抽取适当比例的空气,增加压喷蒸汽喷水缩机级数或扩大透平通流能力,以协调压气机与透平预混燃料气助燃空气之间的流量匹配关系,使压气机保持一定的喘振裕度。目前,在西班牙及荷兰的IGCC电站中,主要采外旋流器内旋流器用了整体化空分配置的策略,即从燃气轮机压气机出口抽取适当比例的空气供给空分系统,这样做可以省燃料气/空混合物燃油扩热烧腿新气去空分单元的空压机设备投资,又能使燃机压气机不图3西门子组合燃烧器经过改造即可运行,但是也带来了IGCC电站启动及ig. 3 Structure of Siemens combustor变负荷调节困难的问题。在GE燃机燃用低热值煤气的应用中,则大多釆用过扩大燃机透平通流能力配1617l81920合调节燃机入口导叶的方法;而应用于国内天津IGCC示范电站的西门子SGT5-2000E(LC)型燃用合成气燃机采取了在SGT5-2000E型燃机的压气机增加1级的措施,即在原SGT5-2000型燃机压气机的第10级后增加1级,使得压气机级数由原来的16级增加至17级。该措施使得压气机设计工况点远离喘振边界,提高了设计工况点的喘振裕度,使运行工况点落在安全稳定的工作区内。2)燃烧器的改进。在IGCC电站中,燃气轮机的启动和低负荷运行时燃用天然气或柴油,当负荷65%时切换到燃用合成气。这就要求燃气轮机采用双燃料燃烧器,既能单独燃烧天然气或柴油,又能单独燃烧低热值合成气,还能同时燃烧柴油和合成气。天津IGCC示范电站中燃气轮机燃烧器在原有的SGT5-2000E型燃机扩散燃烧器的基础上进行了改(a)主视图进,如图33所示,使得燃烧器能稳定地燃用低热值合成气。通过改进使燃烧器能适应常规燃机筒型燃烧室的燃烧而不用对筒型燃烧室进行改动。筒型燃烧室结构如图43所示,燃烧器安装在燃烧室的顶部,每个燃烧室带有8个同样的燃烧器。压气机来的(b)俯视图压缩空气进入燃烧室主要分为一次空气和冷却空气,1-燃烧器组件2平台3一对角旋流器;4-承压外套;5—可一次空气通过一次空气环形空间14和16进入到燃调空气稀释孔;6一内部部件;7—人孔;8—观察孔;9—高温天烧组件,提供燃料燃烧的空气,冷却空气则主要通过气出口;10—电动执行器;11-压气机排气处环形空间;12—调可调空气稀释孔5进入燃烧筒,冷却燃烧烟气,起到节环;13-火焰探测器;14—次空气的环形空间;15—火焰筒;16—一次空气的环形空间;17-燃油供给管/吹扫空气供给管保护燃烧室及后续透平热部件的作用。可调空气稀18-燃油回油管线;19—燃料扩散燃烧进气口;20燃料预混燃释孔带有可调环12,通过可调环调节孔面积的大小烧进气口。来调节一次空气和冷却空气的分配比例,以便燃机在图4西门子S"V凵中国煤化工Fig. 4 Structure低负荷运行时,维持稳定的空气和燃料比例,使得燃CNMHGSiemens sMvI烧温度稳定,燃烧效果较好第9期张建府:燃用低热值合成气燃气轮机性能特点及优化(3)由于燃用合成气时,燃气流量增加(燃气轮performance when firing coal-derived syngas[ J]. Transactions of the机输出功率增大),因此需要增大转子、叶片等的机ASME,1992,4(2):380-385械强度。[3]张守辉,王爽,俞立凡,等.V94.2燃烧室结构特点[冂].发电设备,2008,22(6):4734773结语[4]岳晨,史翊翔,蔡宁生,整体煤气化联合循环系统空分单元集成特性[].中国电机工程学报,2010,30(32):1-7G℃C电站中燃气轮机燃用低热值合成气时,由[5]陈晓利吴少华,李振中等.整体煤气化联合循环系统变工况特于合成气燃料成分复杂,热值低,因此需要重新匹配性研究[冂].中国电机工程学报,2009,29(14):6-11压气机透平流量关系,改进燃烧器以满足燃机运行的[6]陈晓利,吴少华,李振中,等整体煤气化联合循环三压再热底循环系统变工况特性[冂].中国电机工程学报,2010,30(23);8-13要求。为天津IGCC电站提供的燃气轮机,通过采取71周使虎,匡建平,周志军,等粉煤气化炉喷嘴受热分折和渣层模对压气机增加1级压缩级,改进双燃料燃烧器,增强型的数值模拟[].中国电机工程学报,2007,27(26):23-29转子叶片机械强度等多项措施,使得燃气轮机能够满8]焦树建GC技术发展的回顾与展望[J]电力建设,200,30足燃用低热值合成气的需要。(1):1-74参考文献收稿日期:2011-05-26修回日期:2011-07-18作者简介[1] Moliere M. Hydrogen-fueled gas turbines: Status and prospects张建府(1984),男,工程师,工学硕士,从事lGCC电站的技术研[C J/Presentation at 2nd CAME-GTnce. Bled发工作,E-mail:jf.zhang@greengen.com.cn。Slovenia. 2004[2]Johnson M S. Prediction of gas turbine on-and off-design(责任編辑:何鹂)中国煤化工CNMHG