GE水煤浆气化炉在线率的计算与分析

第5期(总第150期)煤化工No, 5(Total No 150)2010年10月Coal Chemical IndustryOct.2010GE水煤浆气化炉在线率的计算与分析牛苗任孙永斌(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司,北京100120)摘要以GE水煤浆气化炉为代表,根据生产统计数据,采用“逐点计算法”,分别计算了多台气化炉的最大理论在线率,在此基础上,计算出不同可靠性下,多台气化炉的实际在线率。计算方法和结果具有普适性,可用到E-GAS、多喷嘴气化炉备用炉的选择上;对保证一定在线率下备用炉最佳台数的确定提供了依据。关键词水煤浆气化炉在线率可靠性文章编号:10059598(2010)05-001905中图分类号:TQ545文献标识码:A引言1GE(前 Texaco)水煤浆气化技术气流床煤气化装置是IGCC系统的关键设备,它1.1GE煤气化技术直接影响发电效率、系统的可用率、投资和发电成本GE水煤浆气化工艺包括气化炉及辅助系统。气等,其核心技术和关键设备是气化炉。水煤浆加料气化炉包括喷嘴、耐火砖、承压部件等;辅助系统包括煤化炉的共同点是,炉膛由耐火砖砌成,到一定时间必浆输送、灰水处理系统等。运行失常状态指系统在操须停炉维修和更换,而且工艺喷嘴也易被磨损和烧作过程中,偏离了操作规程允许的正常操作参数,而坏,运行周期短,影响到气化炉的在线率。因此,本文造成运行失稳甚至非计划停车。根据一般操作规程及以GE气化炉为代表,计算多台气化炉同时在线的运历史数据分析,系统的运行失常状态主要表现为:(1)行情况,对保证一定在线率下备用气化炉台数的选择工艺气出口温度过高;(2)碳黑洗涤塔出口工艺气含提供指导尘量超标;(3)气化炉压差波动过大;(4)气化炉激冷为了增加IGCC电站的运行时间,必须提高IGC室液位异常;(5)气化炉炉膛温度异常;(6)因外部系电站的在线率,特别是气化炉的在线率。国外研究的统波动而引起的气化系统运行波动。国内某企业GE计算表明:对于单纯以发电为目标的IGCC电站,为了气化装置8年的停车数据统计及原因分析如表1所获得经济效益,应使气化炉的运行在线率达到92%,示,大约有50%的停车是因气化炉出现了问题。因这就提出是否有必要在IGCC电站中设置备用气化炉此气化炉较其他设备更易发生故障即为系统的薄弱的问题叫(目前单台GE气化炉的在线率为80%-85%)。环节,本文重点对气化炉的在线率进行分析。但是增加备用炉会导致电站比投资费用的增高,究竟表1气化炉非计划停车的数据统计及原因分析%应否设置备用炉以及备用几台合适,尚需进行综合经济评估后才能确定2。从目前气化炉的运行情况看,气化原因设备故障电气故障仪表故障工艺失调其他原因在釆用水煤浆气化技术的煤化工、煤基多联产、IGCC50.0026.369.244.628.151.63多联供方案中,为了确保化工生产过程的连续性,设置备用气化炉是必要的。12GE气化炉中的关键部件1.2.1耐火砖收稿日期:201005-03GE气化炉型为单级、下吹、喷流式,水煤浆质量作者简介:牛苗任(1979—),男,2002年毕业于河北工业分数为60%-70%,氧气纯度约为95%,运行温度约为大学化工工艺专业,工程师,现从事煤气化、GC的研发1350℃,煤与氧反应生成粗合成气和熔渣。高温粗合及工程设计。成气向下流入辐射废锅/激冷室。激冷气化炉是圆柱化工2010年第5期形加压容器,内衬耐火材料,由上部燃烧室和下部激供足够资料,以便估算出一个、两个或多个可比较的冷室组成,中间有激冷环,连接下降管。气化炉燃烧室系统结构的差别。设备的可靠性可用多种方法表示,的工况是高温、高压、强还原性气氛以及酸性熔渣冲通常采用的最基础、最重要的方法是可用率(在线率)。蚀,并随着频繁开停车而不断地出现温度、压力波动,在线率被定义为在一个特定点上及时发现一个系统因此耐火砖在一个较短时间内(6个月24个月)就会具有一定功能状态的概率。本文在线率(Xx)按式(1)毁坏。耐火砖的磨损很显然与燃烧温度和熔渣性质计算:X=1,2,3,4,……n,代表有X台气化炉在运行有关,但经验表明,也与气化率有关。近年来,虽然X=每年X台气化炉累积运行时间(d)×100%(1)不断对耐火砖进行改进,但随着生产量的加大,耐火砖寿命还是会逐步下降1。根据某工厂实际运行经验,表2列出了具有代表1.2.2喷嘴性的激冷流程气化炉的运行统计情况。对于辐射废锅工艺喷嘴是GE气化炉的心脏,端部结构示意图流程只是将气化炉下部连接的激冷室取代为辐射锅见图1,为同心三套管形式。水煤浆及氧化剂通过工炉,气化炉的运行状况还是与激冷流程相同的,因此,艺喷嘴进入气化炉反应室,发生气化反应。无论是中表2中的数据对于废锅流程同样具有代表性。根据表心氧还是水煤浆及外氧的流通面积均需要满足各自2还可以得出单台气化炉的一个生命周期(如下页图介质的流量要求,在供应压力允许的情况下,力争达2所示),在全炉耐火砖更换完毕之后气化炉开始下到必要的混合和雾化效果。但中心氧的比例有一定限轮新的循环。下页图3为6台气化炉开车情况下的制,一般为总氧量的8%-20%(体积分数),最佳是12%示意图,首先运行1炉,以后每间隔60d,开车运行1左右,其余均作为外氧。由于喷嘴长期处于高温下台气化炉,直至6台气化炉全部开车运行。工作,易受到硫化腐蚀和固体进料冲蚀,或者由于安不考虑其他工艺、设备、仪表引起的非计划停车装加工缺陷(如焊接质量低、喷嘴头不同心等),使喷仅考虑气化炉本身的计划停车,本文分别计算了单台嘴头被扭曲,雾化程度变差,从而导致合成气组成波炉、2台炉、3台炉、4台炉、5台炉和6台炉,6种情况动很大,气化效率下降。因此喷嘴的设计、制造安装下项目生命周期内(20a)的运行工况。以6台气化炉及更换尤为重要。为例,计算过程如下:以“d”为单位,采用“逐点计算法”:从1炉开始运行的第1天进行计算,计算步长为365d,即往后计算至第365天,结果为第1组数据;再从1炉开始运行的第2天进行计算,往后计算至第366天,结果为第2组数据;以此类推,计算至NEvAE20a,因此共有T365×20=7300组数据。在这T组数据中,由于第1年为气化炉陆续开车阶段,假定为非稳定生产阶段,因此除去前300组数据,从第301组数据开始到第7300组数据结束,共有7000组数据l—中心氧通道2—水煤浆通道3—外氧通道统计出最差工况、最优工况,并对这7000组数据求4一水冷盘管5一冷却夹套出平均工况。这里需要指出的是,整个气化工艺是一图1GE工艺喷嘴端部结构示意图个高度耦合的系统,电气故障、仪表故障、工艺失调以及其他原因均可能引起非计划停车。与稳定运行相关2计算方法与讨论的是可靠性,其考察的是生产的整体水平,而不仅仅关注高峰值。由于这里计算仅考虑气化炉本身的计划可靠性分析以概率论为基础,其计算结果带有统停车,因此计算结果是最大理论在线率。“逐点计算计性。尽管可靠性的计算缺乏确定的特性,但它能提法适用性强,对数据点的数量没有限制,并且由于对表2工艺计算条件修喷嘴更换拱顶(渣口)耐火拱顶(渣口)更换全炉耐火砖全炉耐火砖开车寿命/d时间/d砖时间(含烘炉)/d火砖寿命/h时间(含烘炉)/d寿命/h间隔/d80004216000602010年10月牛苗任等:GE水煤浆气化炉在线率的计算与分析-21正更正更更换拱顶更正更正更正和排渣口更换全炉气化炉开始耐火砖行嘴行耐火砖新的循环●●●图2单台气化炉的生命周期●●●●●●5°妒●●●●●图36台气化炉开车情况示意图每天都作为起始点进行计算,因此计算的工况最完整,统计结果最精确。取前3000组数据作图,具有代表性的气化炉运行情况如图4和图5所示,可以看出,从第1年往后,气化炉运行有明显的周期性。气化炉燃烧室内衬耐火材料的寿命是制约装置运行周期的关键因素。对于确定的装置,气化炉喷嘴和耐火砖的寿命是一定的,到期必须停炉更换,根据生产实际需要,合理安排开车间隔天数对多台气化炉的运行计划检修等非常重要。050010001500200025003000计算组数/组3炉在线一合-2炉在线9-1炉在线一-0炉在线250图53台气化炉运行情况停车的统计事故发生概率为(1-P),P值由气化工艺各子系统及设备故障发生概率的历史运行数据来确定,与实际操作和管理水平等有很大关系。由于各台气化炉的运行是相互独立的,在任何时刻每台气化炉050010001500200025003000运行的可靠性都为P,且只有正常和故障两种情况计算组数/组因此K台气化炉运行的可靠性Bx满足二项分布的0-2炉在线一-1炉在线一x-0炉在线条件,可用式(3)进行计算。K台气化炉运行的实际可图42台气化炉运行情况用率Ax可用式(4)进行计算。根据计算出的最大理论在线率,气化炉的实际在Brv=b(k, N, P)=CP(1-P)N-k线率可用式(2)进行计算实际可用率=最大理论在线率×可靠性(2)∑[;∑)∑[x(∑6m;p)]设单台气化炉运行的可靠性为P(0.8