（动力机械及工程专业论文）燃用合成煤气的燃气轮机变工况特性研究.pdf

摘要 燃气轮机联合循环作为一种先进的发电技术，是目前世界上电力生产的主要发 电方式之一。国内已经投运一批燃气轮机联合循环电站，共包括2 5 个电站项目5 9 台燃气轮机发电机组；虽然燃气轮机联合循环发电技术有着广阔的发展前景，但是 从目前国内的情况来看，相当一部分燃用天然气的联合循环电站的发电形势不容乐 观，燃料供应问题成为目前困扰天然气发电的主要因素。 我国是典型的少气多煤国家，在相当长的时间内煤炭将牢牢占据中国一次能源 消费的主要地位。2 0 0 7 年中国煤炭的消费量为2 5 8 亿吨标煤。煤为我国的经济发展 提供了能源保障，但是燃煤带来的环境污染问题不容忽视。燃煤会带来硫氧化物、 氮氧化物、重金属和固体颗粒等污染物的排放以及二氧化碳等温室气体。通过大力 发展洁净煤气化在煤炭中的应用，可有效发挥我国的煤炭资源优势，并减少环境污 染。 这些都为整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电技术的发展提供了可行性和必要 性。我国承担的二氧化碳减排义务和相关政策将决定和制约我国未来发电模式，也 是决定我国i g c c 发展前景的最主要因素。整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电首先 是将煤气化生成中、低热值的合成煤气，然后通过燃气轮机和蒸汽轮机发电，间接 实现了煤在联合循环中作为燃料的应用。不仅具有较高的热效率，而且由于合成气 煤气体积比烟气小很多，因此净化处理也要容易的多，可以实现硫和氮的零排放， 二氧化碳则更容易捕获封存，具有良好的环保性能。 目前全世界共有超过3 6 座i g c c 电站正在运行或在建，总装机容量超过 1 1 0 0 0 m w ，其中己投入商业运行i g c c 电站达到4 0 5 0 m w 。美国、西班牙、荷兰、 意大利、日本、印度等均有i g c c 电站投运，我国也积极发展i g c c 技术，华能绿 色煤电公司建设的近零排放煤基发电示范项目预计将在2 0 1 0 年建成投运。 燃气轮机是i g c c 发电技术的核心设备，由于i g c c 系统和气化工艺的多样性， 并且设计一台燃气轮机是一件繁杂而浩大的工程，所以不可能针对每个i g c c 电站 重新设计一台燃气轮机，使其适应燃用中、低热值的合成煤气。目前通常采用的办 法是对原设计为燃用天然气的燃气轮机进行适当的改造，使之满足燃用合成煤气的 要求。 本文主要内容是研究燃气轮机燃用合成煤气时的变工况特性。对于每一种具体 的燃料，由于其热值和性质不同，改烧该燃料对燃气轮机改造的要求也不尽相同。 针对论文的研究内容和i g c c 中燃气轮机的特殊性，本文主要作了以下工作： 1 、选取p g 9 3 5 1 f a 燃气轮机作为研究对象，收集、整理了大量不同工况的电 厂实际运行数据，推算出燃气轮机压气机运行工况特性。计算分析了在不同热值 上海发电设备成套设计研究院硕士学位论文 燃料条件下p g 9 3 5 1 f a 应用的适用性及其热经济性。 2 、计算了燃气的热力性质。得出不同元素和不同组分的燃料在燃烧后产生的 燃气的热力性质，以自编程序完成计算过程。 3 、完成了燃气轮机机组循环计算建模，根据电厂实际运行数据建立了在有可 转导叶作用下的压气机特性，结合燃烧室透平的特性计算，组成了简单循环下燃气 轮机特性建模。 4 、通过燃气轮机燃用不同热值的合成煤气计算得出：使用热值1 0 4 7 6k j k g 以 上的合成煤气只需调整压气机的进口导叶( 静叶) ；当合成煤气热值低至4 2 4 0 k j k g 时，除调整压气机进口导叶外还需旁通压气机排气即能满足透平的通流能力，保证 机组能安全运行。这些都为常规的联合循环改造成i g c c 提供有用的参考数据。 关键词：i g c c 变工况特性热经济性燃气轮机合成煤气 i i a b s t r a c t g a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l e ，a sa na d v a n c e dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , i so n eo f t h em a i np o w e rg e n e r a t i o nm e t h o d si nt h ew o r l dn o w a d a y s t h e r ea r ea l r e a d yan u m b e r o fg a st u r b i n ec o m b i l l e dc y c l ep o w e rp l a n t sp u t t e di n t oo p e r a t i o ni nc h i n a , i n c l u d i n g2 5 p o w e rp l a n tp r o j e c t sa n d5 9g a st u r b i n eu n i t s a l t h o u g ht h eg a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l e p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sp r o m i s i n gp r o s p e c t ，b u tt h e s i t u a t i o n so fp o w e r g e n e r a t i o no fq u i t ean u m b e ro fn a t u r a lg a sf i r e dc o m b i n e dc y c l ep o w e rp l a n t sb e c o m e l e s so p t i m i s t i ct h a nt h ep r e s e n ts i t u a t i o ni nc h i n aa st h ef u e ls u p p l yb e c o m e sam a j o r f a c t o ra f f e c t i n gt h en a t u r a lg a sp o w e rg e n e r a t i o n c h i n ai sr i c hi nc o a la n dl e a ni ng a s i nar a t h e rl o n gp e r i o d ，c o a lw i l lh o l daf i r m p o s i t i o ni nc h i n a sc o n s u m p t i o np r i m a r ye n e r g y c h i n ac o n s u m e d2 5 8b i l l i o nt o n so f s t a n d a r dc o a li n2 0 0 7 c o a lh a ss e c u r e de n e r g ys u p p l yt oc h i n a se c o n o m yd e v e l o p m e n t ， b u tt h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o nc a u s e db yd i r e c tc o a lc o m b u s t i o ni sn o tn e g l i g i b l e s u l f e r o x i d e s ，n i t r o g e no x i d e s ，h e a v ym e t a l s ，s o l i dp a r t i c l e sa n do t h e rp o l l u t a n t sa r eg e n e r a t e d f r o mc o a lc o m b u s t i o n ，a sw e l la sg r e e n - h o u s eg a sl i k ec a r b o nd i o x i d ee t c b yi n c r e a s i n g t h ep r o p o r t i o no fc l e a ng a s i f i c a t i o np r o c e s si nt h eu s a g eo fc o a l ，c h i n a sa d v a n t a g ei n c o a lr e s o u r c ec a nb ef u r t h e ra n de f f e c t i v e l yu t i l i z e dw h i l em i t i g a t i n gt h ei m p a c to n e n v i r o n m e n t a l lo ft h o s ep r o v i d eaf e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yi n d e v e l o p i n gt h ei n t e g r a t e d g a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ( i g c c ) p o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y t h ec o m m i t m e n t s o u rc o u n t r yh a st a k e ni nc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o nr e d u c t i o na n dr e l e v a n tp o l i c i e sa n d c o n s t r a i n t sw i l ld e t e r m i n et h eg e n e r a t i o nm o d e lo fo u rc o u n t r yi nt h ef u t u r e ，b u ta l s oi s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a tw i l ld e c i d et h ef u t u r ei g c cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y i na l li n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ( i g c c ) p r o c e s s ，c o a li sf i r s tc o n v e r t e di n t o s y n g a so fm e d i u mo rl o wh e a tv a l u e ，f o l l o w e dp o w e rg e n e r a t i o nt h r o u g ht h eu s eo fg a s t u r b i n ea n ds t e a mt u r b i n e ，r e a l i z i n gt h ei n d i r e c tu s eo fc o a la sf u e li nt h ec o m b i n e dc y c l e n o to n l yi g c ce n j o y sh i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c y , b u ta l s ot h es y n g a ss t r e a mi sm u c h s m a l l e ri nv o l u m et h a nt h ef l u e g a si nc o m m o np r o c e s sa n dt h e r e f o r ee a s yf o rc l e a n i n g t r e a t m e n t t h a ti st os a y , z e r oe f f l u e n to fs u lf u ra n dn i t r o g e ni sp o s s i b l eb yi g c c o nt h e o t h e rh a n d ，c a r b o nd i o x i d ec a nb ec a p t u r e da n ds e q u e s t e r e dt os h o we v e nb e t t e r e n v i r o n m e n tp e r f o r m a n c e c u r r e n t l yt h e r ea r em o r et h a n3 6i g c cp o w e rs t a t i o n si no p e r a t i o no ru n d e r c o n s t r u c t i o ni nt h ew o r l d ，w i t ht o t a lc a p a c i t yo f1i0 0 0 m w , 4 0 5 0 m wi g c cp o w e r s t a t i o n sh a sa l r e a d yb e e np u t t e di n t ob u s i n e s so p e r a t i o n t h e s ei g c cp o w e rs t a t i o n sa r e l o c a t e di nu n i t e ds t a t e s ，s p a i n , n e t h e r l a n d s ，i t a l y , j a p a na n di n d i ae t c c h i n ah a sa l s o p o s i t i v e l yd e v e l o p e di g c ct e c h n o l o g y , t h er e a l z e r oe m i s s i o nc o a lb a s e dp o w e r d e m o n s t r a t i o np r o j e c te s t a b l i s h e db yh u a n e n gg r e e n g e nw i l lb ep u t t e di n t oo p e r a t i o ni n 2 0 1 0 g a st u r b i n ei sac o r ed e v i c ei nt h ei g c ct e c h n o l o g yp o w e rg e n e r a t i o n , b e c a u s eo f t h ed i v e r s i t yo fi g c cs y s t e m sa n dg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e d e s i g no fag a s t u r b i n ei sac o m p l i c a t e da n dm a s s i v ep r o j e c t ，s oi ti si m p o s s i b l ef o re a c ho ft h es p e c i f i c c i r c u m s t a n c e so fi g c cp o w e r p l a n tr e d e s i g nag a st u r b i n et of u e l e dw i t ht h es y n g a so f m e d i u ma n dl o wh e a tv a l u ep r o d u c e db yc o a lg a s i f i c a t i o n t h ec u r r e n ta p p r o a c hu s e di s t om a k ea na p p r o p r i a t er e t r o f i to nt h eo r i g i n a ld e s i g no f g a st u r b i n e sf u e l e dw i t hn a t u r a l g a st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fg a st u r b i n eu s i n gt h es y n g a s t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e st h eo f f - d e s i g nc h a r a c t e r i s t i c sw h e ng a st u r b i n e b u m e ds y n g a s f o re a c hs p e c i f i cf u e l ，b e c a u s eo fd i f f e r e n th e a tv a l u ea n dn a t u r e ，t h e r e t r o f i tr e q u i r e m e n t so ft h eg a st u r b i n e sa r en o tt h es a m ea c c o r d i n g l y a i m e do nt h e r e s e a r c hc o n t e n to ft h ep a p e ra n ds p e c i f i c i t yo f g a st u r b i n e si ni g c c ，t h em a i nr e s e a r c h w o r kd o n ei nt h ep a p e rw a sl i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 p a p e rs e l e c t e dt h ep g 9 3 5 1f ag a st u r b i n ea sr e s e a r c ho b j e c ta n dc o l l a t e da l a r g e n u m b e ro fd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fp o w e r p l a n td a t at oc a l c u l a t eo p e r a t i n g c o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a st u r b i n ec o m p r e s s o r t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea p p l i c a b i l i t y a n dt h e r m a le c o n o m yo fp g 9 3 51f au n i tu n d e rt h ed i f f e r e n th e a tv a l u ec o n d i t i o n s 2 i nt h i sp a p e r , ih a v ec o m p i l e dt h ep r o g r a mt oc a l c u l a t et h ec o m b u s t o r g e n e r a t i o n u n d e rd i f f e r e n te l e m e n ta n dd i f f e r e n tc o m p o n e n to ft h ef u e l 3 m a t h m a t i cm o d e l i n go nc o m p r e s s o r 、 c o m b u s t o ra n dt u r b i n eh a v eb e e nd o n ea n d a l lo ft h i sc o n s i s t e dg a st u r b i n es i m p l ec y c l e 4 b a s e do nt h ec a u c u l a t i o no fd i f f e r e n th e a tv a l u es y n g a sf u e l e dg a st u r b i n ew ec a n k n o wt h a t ：w h e nt h el o w e rh e a tv a l u e ( l h v ) o ft h es y n g a su p p e rt h a n10 4 7 6 k j k g ，t h e c o m p r e s s o ri n l e tg u i l d ev a n ea d j u s ta r en e e d e d ；o n c et h el h vo fs y n g a sl o w e rt h a n 4 2 4 0 k j k g ，w eh a v eab y p a s sa i rb l e e db e s i d e sc o m p r e s s o ri n l e tg u i l d ev a n ea d j u s tt o m e e tt h ef l o wp a s s a g ea b i l i t yo ft u r b i n ea n ds a f eo p e r a t i o no ft h eu n i t s a l lo ft h i s p r o v i d e du s e f u lr e f e r e n c ed a t af o rac o n v e n t i o n a lc o m b i n e dc y c l eu n i t sr e t r o f i ti n t o i g c cp o w e r p l a n t s k e yw o r d s ：i g c c ， o f f - d e s i g nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r m o - e c o n o m i cp e r f o r m a n c e ， g a st u r b i n e ， s y n g a s i v 大气温度 大气压力 温度 压力 燃气轮机温比 滞止温度 滞止压力 质量流量 容积流量 定压比热容 定容比热容 比热比 压气机压比 透平压比 压气机内效率 透平内效率 燃烧室效率 压气机压缩比功 透平比功 压气机压缩耗功 透平膨胀功 燃气轮机功率 熵函数 比焓 相对压力 定熵压力函数 压力损失系数 压力保持系数 主要符号说明 乞 见， p f ，。p 吼 勺巳七 瓦 乃 仉 仇 比 坼p名， 阱勿孝f 主要符号说明 燃料系数或可压缩率 燃气质量比 折合转速 折合流量 折合转速比 折合流量比 密度 理想气体常数 通用气体常数 摩尔质量 圆周速度 动叶进口绝对速度 出口的绝对速度 动叶进口气流角 动叶出口气流角 喘振裕度 进口可调导叶( i g v ) 的角度值 氮氧比或比湿度 机械效率 发电机效率 下脚标 0设计点 l压气机进口参数 2压气机出口参数 3 透平进口参数 4 透平出口参数 c 折合参数或修f 值 d 压气机抽气 r e f 参考值 i s o i s o 值或孤立系统 i x 厂 吼一疗一g p r 如 ” q 乞 k 枷j 巩 仉 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得本院或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：銎i 亟 日 期：垒翌堑：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即：我院有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的全部或部分内容， 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后应遵守此规定。 不保密回。 ( 请在以上方框内打“ ) 签名：叠l 互新签名：塑丛日期：型： 1 1研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国燃气轮机联合循环电站的发展状况 燃气轮机联合循环是先进的发电技术，具有供电效率高、比投资低、建设周期 短、启停灵活、污染排放少等优点，是目前世界上电力生产的主要发电方式之一。 从上世纪5 0 年代末，我国由仿制逐步走向了自行设计小功率燃气轮机的道路， 但是由于燃料政策的原因，燃气轮机并没有得到很好的发展。到了上世纪7 0 年代， 我国引进了m s 5 0 0 0 、m s 6 0 0 0 b 和m s 9 0 0 1 e 等一系列国外重型燃气轮机，并组建了 一批燃气轮机调峰电厂，填补了我国大型燃气轮机发电的空白。自从2 0 0 2 年起，国 家发改委实施以市场换技术的重大举措，对规划批量建设的“f ”级燃气轮机电站项 目进行“打捆”式设备招标采购，同时引进先进的“f ”级大型燃气轮机制造技术。迄 今为止，“f ”级燃气轮机自主化依托项目的设备打捆招标已经进行了三批，已经在 上海、广东、福建、浙江、江苏、河南、北京等地区投运一批燃用天然气的燃气轮 机联合循环电站，共包括2 5 个电站项目5 9 台燃气轮机发电机组【1 】；西北和四川等天 然气产地也将建设相当容量的燃气轮机电站。根据预测，至u 2 0 2 0 年我国燃气轮机联 合循环的总装机容量将达至1 6 0 0 0 万千瓦。 但是从目前国内的情况来看，分配给发电用的天然气供应不足，相当一部分燃 用天然气的联合循环电站的发电形势不容乐观，许多电站不得不采用停二保一或停 一保一的方式，来维持一台机组正常运行，燃料供应问题成为目前困扰天然气发电 的主要因素。由煤气化得到的合成煤气是一种理想的替代型燃料。 1 1 2 我国i g c c 技术的展望 我国仍是一个以煤炭为主要燃料的国家，煤炭的储量和开采量均居世界前列。 在气源不足和气价不明朗的情况下，发展以煤为燃料的整体煤气化联合循环( i g c c ) 技术非常具有可行性和必要性。我国承担的二氧化碳减排义务和相关政策将决定和 制约我国未来发电模式，也是决定我国i g c c 发展前景的最主要因素。尽管我国目 前没有减排二氧化碳的承诺义务，但鉴于国际大趋势，我国必须为未来承担减排义 务作好准备。由于发电行业是能源、尤其是煤炭消费大户，未来将成为温室气体减 排的主要承担者。从目前的技术经济水平来看，在煤炭发电行业减排二氧化碳的三 种技术路线中，基于i g c c 的燃烧前脱除技术具有最小的减排成本【i 】。 对于i g c c 的发展规模，目前计划重点发展i g c c 示范电站，数量为3 5 台，单 上海发电设备成套设计研究院硕士学位论文 机容量为2 5 0 m w 和4 0 0 m w ，总容量在1 1 0 1 5 0 万千瓦左右，这些机组拟在2 0 1 5 年 左右实现商业化运行；2 0 2 0 年前，在示范成熟的基础上，大量快速推广，2 0 2 0 年i g c c 总容量将达至j j 2 1 0 0 万千瓦左右，预计会有i g c c + c c s 的示范运行；2 0 3 0 年前，i g c c 应用达到成熟发展期，c 0 2 捕获系统( c c s ) 技术亦成熟和必要，预计2 0 3 0 年总容量 将达到8 0 0 0 万到l 亿千瓦左右【l j 。 我国最早拟建的大型整体煤气化联合循环( i g c c ) 电站是烟台i g c c 电站，但是 由于种种原因，停滞了近1 0 年。随着近年来天然气价格上涨、气源供应不足、环保 压力增大，i g c c 技术再次引起国内企业的关注。中国山东兖矿集团是世界上第一 套i g c c 联产甲醇和醋酸的示范装置，拥有8 0 m w 装机容量，3 0 万吨甲醇和2 2 万吨 醋酸的联产能力。该装置于2 0 0 5 年底建成投运，连续三年实现了稳定的生产，并取 得了良好的经济效益，2 0 0 5 年华能联合其他七家能源企业成立了绿色煤电公司。 2 0 0 6 年6 月国家发改委召开“整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电技术研讨会”以来， 各大型发电公司纷纷涉足i g c c 及多联产行业。目前在中国，共有1 6 套拟在建的 i g c c 或多联产项目，其中福建联合石化将于2 0 0 9 年年中投运，华能绿色煤电预计 将在2 0 10 年建成投运。 2 0 0 9 年3 月2 6 日 2 7 日，首届中国i g c c 多联产高峰论坛在上海隆重召开。会议 借鉴和交流了国外同行业发展经验，对我国能源战略，整体煤气化联合循环( i g c c ) 技术创新，i g c c 项目建设最新进展，多联产方案的设计与优化，以及二氧化碳利 用等多方面进行了深入探讨。 1 2 燃用合成煤气燃气轮机的特点 1 2 1 燃气轮机的特殊性 当燃气轮机燃用合成煤气时，在维持透平前温不变的情况下，由于低热值合成 煤气的流量远大与天然气的流量，组织燃烧困难，所以不能直接使用现有的按燃用 天然气为燃料设计的燃气轮机。在i g c c 系统中，由于采用的气化工艺、系统整体 化率以及给料的千差万别，气化炉产生的合成煤气的煤气性质也随之不尽相同( 见 表4 4 ) ，而且设计一台燃气轮机是一项繁杂而浩大的工程，所以不可能针对每一个 i g c c 电站具体情况重新设计一台燃气轮机。目前通常采用的办法是对原设计的燃 气轮机进行适当的改造，使燃气轮机能够满足的燃用合成煤气的要求。 1 2 2 燃气轮机燃烧系统的改造 通常，可以根据发热量的大小把气体燃料分为三类，即发热量大于 1 5 0 7 m j n m 3 ( 3 6 0 0 k c a l n m 3 ) 的高热值煤气；发热量介于6 2 8 1 5 0 7 m j n m 3 ( 15 0 0 , - 3 6 0 0 k c a l n m 3 ) 的中热值煤气：发热量小于6 2 8 m j n m 3 ( 15 0 0 k c a l n m 3 ) 的 2 第一章绪论 低热煤气。发热量越低的气体燃料，其燃烧过程就越难组织。一般来说，天然气、 油井伴生气和焦炉煤气属于高热值煤气；以氧气为气化剂的合成煤气和转炉煤气为 中热值煤气；以空气为气化剂的合成煤气和高炉煤气为低热值合成煤气。如前所述， 在i g c c 发电系统的燃气轮机中将要以中、低热值合成煤气为燃料。由于中、低热 值合成煤气和天然气的燃烧特性有很大差别，造成i g c c 系统中所使用的燃气轮机 燃烧系统与常规燃气轮机之间也有很大的差别。常规燃气轮机的燃烧系统必须经过 改造才能在i g c c 发电系统中使用。 1 2 3 中热值煤气燃烧问题 以氧气为气化剂的i g c c 电站中，气化炉产生的合成气，热值在1 0 4 7 1 2 5 6 m j n m 3 ( 2 5 0 0 , - , 3 0 0 0 k c a l n m 3 ) 范围内，属中热值合成煤气。在i g c c 系统的燃气轮 机中可按下述形式来组织中热值合成煤气的燃烧。 1 ) 在燃气轮机燃烧室中直接燃烧中热值合成煤气。这种燃烧过程比较容易组 织，燃烧室的改造工作量最少，只需要改变燃烧室和喷嘴即可，但是燃烧产物中的 n o ；会超标。为了解决这个问题，可以像燃烧天然气的情况那样，向燃烧室中喷射 一定数量的水蒸汽；或者是在合成煤气进入燃烧室之前，向中热值合成气喷以水， 使其被水蒸汽饱和。也可以向燃烧室喷射回注n 2 气，同样有降低n o 。的效果，为 了进一步降低n o x 的排放量，可使合成气和回注的n 2 气预先用水蒸汽使其饱和， 或者只是使回注n 2 气用水蒸汽饱和。 2 ) 使中热值合成煤气和回注n 2 气预先混合成为低热值合成煤气，并使之饱和 以水蒸汽，然后进到燃气轮机燃烧室中去燃烧。这样可更有效地降低燃烧产物中的 n o 。，但这种燃烧过程比较难于组织，而且容易发生振荡燃烧现象， 1 2 4 低热值煤气燃烧室 当i g c c 中的气化炉采用空气为气化剂时，气化炉将向燃气轮机燃烧室提供热 值低于6 2 8 k j n m 3 ( 15 0 0 k c a l n m 3 ) 的低热值合成煤气。由于低热值合成煤气的燃烧 性能比较差，因而燃气轮机的燃烧室必须进行重大的改造后，才能使用。 分管型和环管型燃烧室尺寸小，热容强度高，改烧低热值合成气时往往要作较 大的改造，除了燃烧器必须重新设计外，燃烧室的尺寸也可能有所变动。为了延长 燃烧速度低的合成气在燃烧室内停留的时间，可适当增加火焰管的长度和直径；为 了适应低热值合成气燃烧时需要的理论空气量及防止火焰管局部过热，一、二次空 气的分配也要重新调整。西屋公司、g e 公司生产的具有环管型、分管型燃烧室的 燃气轮机，都有在i g c c 中运行的实绩。 在i g c c 系统中，不论燃烧低热值合成煤气还是中热值合成煤气，燃气轮机燃 烧室既能单独燃烧低热值合成煤气( 或中热值合成煤气) ，又能单独燃烧天然气，也 上海发电设备成套设计研究院硕士学位论文 能使两种燃料混烧。这是由于在i g c c 启动过程中，首先必须用天然气启动燃气轮 机。特别是对于气化炉所用的气化剂部分或全部取之于燃气轮机压气机的情况，只 有把燃气轮机启动起来后，才能向空分系统提供压缩空气，继而才能使煤的气化炉 进入启动状态。 1 2 5 燃气轮机通流部分的改造 由于合成煤气的发热量低，燃烧天然气的燃气轮机改烧合成煤气时，在维持透 平前燃气初温不变的情况下，燃料的质量流量将要增大，从而流经透平的燃气质量 流量会有相当程度的增加。通常，在燃烧天然气时，供入燃气轮机的天然气的质量 流量仅为进入压气的空气流量的2 左右；而改烧低热值合成煤气时，燃料的质量 流量大约为进入压气机的空气流量的2 l 左右；改烧中热值煤气时，中热值煤气 的质量流量大约是进入压气机空气流量的1 0 左右。这样除了要对燃烧室进行彻 底改造，增大煤气系统的尺寸，改造调节系统外，还可以对燃气轮机的通流部分进 行改造，解决机组的流量平衡问题，以免因透平质量流量的增大，通流能力的不够 而造成压气机喘振。为此，必须根据具体情况改造燃气轮机的通流部分，制定合理 的运行参数，来解决上述各种原因所引起的流量不平衡问题。 改变燃气透平与压气机通流能力，以满足燃烧低热值合成气要求的主要方法 有： 1 ) 调节压气机进口可调导叶( 可调静叶) ：关小进口导叶可以有效减小压气机 的进口空气流量，若压气机具有多级可调静叶，同时关小进口导叶和三级静叶安装 角时，可使空气流量减少3 0 。 2 ) 改变叶片高度：增加透平各级叶片高度，可以有效地增大透平通流能力， 而同时保持透平内效率基本不变。同样地，用项切或模化等方法修改压气机通流部 分以减小压气机通流面积与空气流量也十分有效。但是，用改变叶片高度的办法改 变燃气轮机通流能力的工作量很大，一般情况下不采用此方法。 3 ) 降低透平进i ；3 燃气温度巧：根据弗留格尔公式在透平膨胀比不变时，降低 透平前燃气温度可以提高透平的通流能力。r 的降低还可以减少燃料量，降低燃气 流量。但透平前燃气温度下降将导致燃气轮机热效率的下降，因此该方法只能酌情 而用。 4 1 提高系统的整体化率：一般来说，倘若整体化空分系统所需的压缩空气 1 0 0 地从燃气轮机的压气机中抽取，空分所得的n 2 气又全部回注燃气轮机的话， 流经燃气透平的燃气的质量流量，相对于燃烧天然气的情况而言，仅相对增加2 4 而已，燃气轮机的功率则会相对增加4 5 左右。在这种情况下( 整体化率为10 0 ) ， 原先燃烧天然气的燃气轮机，除了燃烧室、燃烧系统以及调节控制系统之外，压气 机和燃气透平都无需进行改造设计，就能满足在i g c c 电站中改烧低热值合成煤气 4 第一章绪论 的需要。但是整体化率为10 0 的i g c c 电站之调节控制方式却是最为复杂的。 显然，对于采用完全独立空分系统，而n 2 气又全部回注燃气轮机的方案( 其整 体率为零) 来说，相对于燃烧天然气的情况而言，流经燃气透平的燃气质量流量的 相对增量将为最大( 大约相对增大2 6 左右) ，燃气轮机的功率将相对增大3 0 3 5 左右。在这种情况下，燃气透平的通流部分必须加大，轴系的机械强度也必须 增强，否则压气机就会喘振，轴系将会断裂。显然燃气轮机的改造设计工作量将会 最大，当然燃气轮机功率的增加程度则是最多的。 1 3 燃用合成煤气燃气轮机的变工况特性 1 3 1 燃气轮机的变工况性能的重要性 无论是在常规的燃气蒸汽联合循环电站中还是在整体煤气化联合循环( i g c c ) 电站中，燃气轮机都是最主要的设备。燃气轮机本身性能的优劣直接关系到全厂的 发电经济性。由于受到各种因素的影响，例如大气环境的变化，负荷的变化等，使 得燃气轮机基本上都工作在非设计工况下，所以我们评价一台燃气轮机的性能好坏 不能仅仅关注它在设计工况下的参数指标，更要关注它在变工况下的性能指标，如 输出功率、燃气透平初温、压比、空气流量、转速、燃料流量和机组的效率等。特 别是对于一些调峰电站，燃气轮机变工况下的性能指标更为重要。 1 3 2 研究燃用合成煤气燃气轮机变工况特性的重要性 燃用合成煤气的燃气轮机有两个主要特点：1 、由于燃料差异导致燃气轮机偏 离原设计点，燃气轮机在变工况条件下工作。原型燃气轮机是按照燃用天然气设计 开发的，而气化炉产生的合成煤气热值远低于天然气的热值，仅有天然气热值的四 分之一，本文中选用的p r e n e f l o 气化技术的气化炉生成的合成煤气的热值只有天然 气热值的十分之一。当原设计为燃烧天然气的燃气轮机改烧这些中、低热值的合成 气燃料时，在维持燃气透平的初温f 不变的前提下，燃料的质量流量和容积流量都 会有相当程度的增加，例如在燃用天然气时，对于9 f a 机组，额定负荷下燃料量 约占压气机进口空气量的2 ，维持相同的进口流量和相同的燃气透平初温巧不变 时，所需要低热值燃料的量约占进口空气量的9 1 2 ，如此大的燃料流量必然会导 致压气机和透平工作点变化，甚至有可能使压气机发生喘振现象。2 、在实际的运 行中，燃气轮机往往不再是作为独立系统运行。在不同的集成度方案中，压气机出 口相当量的空气不是通往燃气轮机燃烧室，而是通往空气系统制氧。此时，燃气轮 机在i g c c 系统中被拆分成为若干部件分别在系统中单人不同的作用，而不是单循 环时以串联的方式联接的整体。这不仅会导致各个部件的运行工况偏离原设计点， 部件之间的流量匹配关系也会发生变化。这两个主要特点都意味着在i g c c 中，研 上海发电设备成套设计研究院硕士学位论文 究燃气轮机燃用合成煤气变工况特性是十分重要的。 1 4分析燃气轮机变工况的方法口1 为了准确分析燃气轮机的变工况性能，就必须知道压气机、燃烧室和透平的特 性，并在各个部件变工况特性的基础上，计算出燃气轮机变工况时的参数，这只有 通过对机组的变工况计算才能得到。因此对燃气轮机的变工况计算，就成了分析燃 气轮机变工况性能的重要依据。 燃气轮机在偏离设计工况下运行包括两种情况。一种是平衡工况，即机组参数 按各组成部件相互平衡的内在规律在该工况下保持不变的稳态工况；另一种是不平 衡工况，是从一种平衡工况向另一种平衡工况的过渡工况，即非稳态工况。 本文所要讨论的燃用合成煤气燃气轮机的变工况特性主要是指用于5 0 h z 发电 机组的单轴燃气轮机在达到额定转速3 0 0 0 r p mi e i 功率稳定的平衡工况下，机组参数 随机组功率变化的情况。本文研究的工况均是在i s o 状态，额定转速3 0 0 0 r p m 下进 行的。 1 5 本文选用的燃气轮机 经过综合考虑，本文选用g e 公司的p g 9 3 5 1 f a 型燃气轮机作为本次变工况特 性计算的机型，p g 9 3 5 1 f a 型燃气轮机是当今世界f 级先进燃气轮机的主要代表型 机组，是g e 公司自2 0 世纪8 0 年代中期以来经过不断改进、升级后的新型燃气轮 机。其性能优越，有丰富的燃烧中、低热值合成煤气的经验并有着较高的可用率。 有较大的喘振裕度( 约1 2 0 ) ，在不改变通流部分基本尺寸的情况下，改烧合成煤 气，并将空分系统得到的氮气全部回注，只需适当降低燃气轮机初温或调节静叶安 装角，就能使增大的1 6 1 8 的燃气流量通过燃气轮机透平而不发生喘振，过载 能力达到2 0 的特剧引。下面是g e 公司p g 9 3 5 1 f a 型燃气轮机的基本情况。 1 6p g 9 3 5 1 f a 型燃气轮机简述旧1 g e 公司p g 9 3 5 1 f a 型燃气轮机是g e 公司与g e c a l s t o m 公司联合开发的机组， 第一台机组于1 9 9 1 年制造成功并投入商业运行，1 9 9 6 年最终定型为p g 9 3 5 1 f a 机 组。g e 公司在f 级燃气轮机的开发过程中，投入了大量资金进行开发研究，将其 飞机发动机的先进技术和部件移植到工业和发电用的燃气轮机上，使燃气轮机性能 大幅度提高。p g 9 3 5 1 f a 机组的燃气初温高达1 3 1 8 左右。该机组是当今世界“f ” 级先进燃气轮机的主要代表性机组。 p g 9 3 5 1 f a 燃机本体由压气机、燃烧室、透平、控制系统和其它基本的辅助设 6 第一章绪论 备组成。在单轴联合循环中，p g 9 3 5 1f a 燃气轮机在压气机端或称“冷端”输出功率。 这样的布置可以提供轴向排气，简化余热锅炉的最优化布局。同时又便于发电机的 转子抽芯。图1 1 和图1 2 为p g 9 3 5 1 f a 燃气轮机纵剖面图和转子吊装图。 在国际标准( i s o ) 条件下的燃气轮机性能 制造商美国g e 公司 型号pg9351fa 燃料天然气 运行方式基本负荷预选负荷 压气机入口温度 1 5 4 c 输出功率 2 5 5 6 m w 热效率 3 6 9 进气流量 6 3 9 8 k g s 压比1