燃氣輪機改燒焦?fàn)t煤氣的適應(yīng)性研究

李 濤，張哲巔，雷福林

(1. 中國航發(fā)燃氣輪機有限公司，沈陽 110179；2. 中國科學(xué)院先進能源動力重點實驗室(工程熱物理研究所)，北京 100190；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

焦炭在冶金工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，我國是世界最大的焦炭生產(chǎn)國[1]。焦?fàn)t煤氣是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品，是指由幾種煙煤配制成的煉焦用煤在煉焦?fàn)t中經(jīng)過高溫干餾后在產(chǎn)出焦炭產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的一種可燃性氣體。焦?fàn)t煤氣產(chǎn)率和組成因煉焦用煤質(zhì)量和焦化過程條件不同而有所差別，其主要成分為H2(55%～60%)和CH4(23%～27%)。焦?fàn)t煤氣熱值較高，富含H2，具有燃燒速度快、火焰短、爆炸范圍大等特點。按1 t干煤生產(chǎn)0.75 t焦炭和250 m3焦?fàn)t煤氣估算[1]，年產(chǎn)240萬t的焦化廠一年可以產(chǎn)生約8億m3焦?fàn)t煤氣。

焦?fàn)t煤氣綜合利用途徑包括發(fā)電、制甲醇、合成氨、制天然氣、制氫等[2]。使用焦?fàn)t煤氣發(fā)電，可以滿足煉焦企業(yè)的用電需求，降低焦炭成本，提高資源利用率，減少環(huán)境污染。燃氣輪機逐步取代蒸汽輪機成為焦?fàn)t煤氣發(fā)電的主要方式。目前，焦化廠使用進口的燃氣輪機發(fā)電機組[3]，以焦?fàn)t煤氣作主燃料，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。但是，進口機組的價格較高，特別是后續(xù)運維費用和檢修費用很高[4]，增加了機組的運行成本和不固定支出，嚴重影響經(jīng)濟效益，成為焦化廠發(fā)電用戶共同面臨的困境。

國產(chǎn)AGT-25燃氣輪機以天然氣為燃料，運行穩(wěn)定，性能良好，具備改燒焦?fàn)t煤氣的技術(shù)條件，同時功率等級滿足焦化廠的需求，具有改燒焦?fàn)t煤氣的市場前景。焦?fàn)t煤氣與天然氣相比，其較低的熱值和較高的H2含量將會給燃燒室的設(shè)計帶來較大的挑戰(zhàn)[5]。國內(nèi)外學(xué)者針對燒中低熱值燃料燃氣輪機燃燒室的性能和NOx排放開展了大量試驗和數(shù)值模擬研究[6-13]，結(jié)果表明須要綜合考慮燃料組分變化對燃燒穩(wěn)定性、回火特性以及污染物排放等各個方面的影響。楊強等人開展了天然氣組分變化對雙燃料燃燒室性能影響試驗研究[14]，分析了雙燃料低排放燃燒室技術(shù)特點，指出雙燃料燃燒室設(shè)計難點主要在噴嘴設(shè)計、燃料切換、混合燃燒等方面[15]。穆延非等人開展了燃氣輪機啟動燃料的替換研究，表明采用天然氣替代柴油作為啟動燃料能夠節(jié)省費用以及降低污染物排放[16]。

1 改燒焦?fàn)t煤氣的研究思路

1.1 喘振裕度分析

與天然氣相比，焦?fàn)t煤氣的熱值低，相同工況下流經(jīng)火焰筒和透平的燃氣流量相應(yīng)增加，引起透平前壓力增加，可能導(dǎo)致壓氣機喘振。

喘振是氣流沿軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。壓氣機喘振會導(dǎo)致強烈的機械振動和熱端超溫，在極短的時間內(nèi)造成燃氣輪機部件的嚴重損壞。燃氣輪機改燒焦?fàn)t煤氣必須有足夠的喘振裕度。

喘振裕度的計算方法為：

(1)

式中：y為壓氣機喘振裕度；q0為壓氣機喘振邊界處的空氣流量；π0為壓氣機喘振邊界線處的壓比；q1為壓氣機工作時的實際空氣流量；π1為壓氣機工作時的實際壓比。

最小的穩(wěn)定喘振裕度要求取決于發(fā)動機構(gòu)型與應(yīng)用需求。最大負荷下所需喘振裕度變化很大，取決于加速和減速時間要求、發(fā)動機構(gòu)型、是采用離心式還是軸流式壓氣機、是否在部分負荷時使用放氣閥或VSV等，不同用途發(fā)動機大致的喘振裕度要求水平見表1[17]。

表1 喘振裕度要求

AGT-25燃氣輪機的壓氣機特性線見圖1，壓氣機5 000 r/min等轉(zhuǎn)速線與喘振邊界線交點的空氣流量取40.9 kg/s，壓比取2.54。0.1工況時的喘振裕度最小，1.0工況時的喘振裕度約28%，遠大于發(fā)電行業(yè)要求的20%。為保證安全，《AGT-25燃氣輪機試驗大綱》中要求壓氣機轉(zhuǎn)速5 000 r/min(對應(yīng)0.1工況)時的喘振裕度不低于10%。

圖1 壓氣機特性線

燃氣輪機性能分析的基本原理是利用熱力學(xué)公式搭建壓氣機、燃燒室、渦輪的計算模型，各部件之間參數(shù)平衡時得到的工況點就是燃氣輪機的平衡運行點。燃氣輪機在某個工況穩(wěn)定運行時，必須滿足功率平衡、流量平衡、壓力平衡、轉(zhuǎn)速平衡和燃燒室的熱平衡。利用燃氣輪機性能分析軟件，模擬得到燃氣輪機以天然氣為燃料，壓氣機轉(zhuǎn)速5 000 r/min時的空氣流量42.725 kg/s、壓比2.335，代入式(1)計算出相應(yīng)的喘振裕度13.63%；改為焦?fàn)t煤氣為燃料，壓氣機轉(zhuǎn)速5 000 r/min時的空氣流量42.844 kg/s、壓比2.356，代入式(1)計算出相應(yīng)的喘振裕度12.93%。結(jié)果表明，燃氣輪機改燒焦?fàn)t煤氣，喘振裕度降低了0.7%，滿足喘振裕度大于10%的要求。

1.2 火焰筒流量分析

燃氣輪機在額定負荷下，單個火焰筒空氣流量為3.457 m3/s，天然氣流量為0.128 m3/s。天然氣成分為CH4，熱值取33.8 MJ/m3，燃燒過程為：

(2)

化學(xué)反應(yīng)式(2)表明，以天然氣為燃料，火焰筒內(nèi)燃燒前后的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)體積不變，產(chǎn)生的燃氣流量為3.585 m3/s。

以焦?fàn)t煤氣為燃料，單個火焰筒的空氣流量不變，按等熱值法計算出對應(yīng)的焦?fàn)t煤氣流量為0.264 m3/s。焦?fàn)t煤氣的成分見表2，熱值取16.4 MJ/m3，燃燒過程為：

(3)

(4)

(5)

化學(xué)反應(yīng)式(3)、(4)、(5)表明，焦?fàn)t煤氣中的CH4、CO、H2都參與了燃燒過程，產(chǎn)生燃氣的質(zhì)量等于焦?fàn)t煤氣與空氣的質(zhì)量和，標(biāo)準(zhǔn)體積減少了CO和H2體積和的1/3，為3.668 m3/s。

表2 焦?fàn)t煤氣成分體積百分比

燃氣輪機額定負荷下使用焦?fàn)t煤氣和天然氣相比，單個火焰筒內(nèi)部的燃氣流量增加了0.083 m3/s，約為2.32%。這表明在不改變火焰筒結(jié)構(gòu)的情況下，使用焦?fàn)t煤氣的額定負荷要低于天然氣?？紤]到燃氣流量的增量較小，暫不改變火焰筒結(jié)構(gòu)，整機試驗時確定以焦?fàn)t煤氣為燃料的最大負荷。

1.3 研究內(nèi)容

焦?fàn)t煤氣富含H2，燃燒速度快，火焰前移，容易出現(xiàn)燒蝕噴嘴的現(xiàn)象。在天然氣燃料噴嘴的基礎(chǔ)上改進設(shè)計，主要通過適當(dāng)增大燃料噴射孔面積，解決噴嘴燒蝕的問題。

焦?fàn)t煤氣受煤種與工藝影響變化較大，所含成分復(fù)雜，火焰穩(wěn)定性差，導(dǎo)致點火和聯(lián)焰不可靠。為了保證燃氣輪機的可靠點火和聯(lián)焰，使用天然氣燃料啟動，在中低工況穩(wěn)定運行時切換至焦?fàn)t煤氣。

綜上所述，AGT-25燃氣輪機的適應(yīng)性研究內(nèi)容定位在焦?fàn)t煤氣噴嘴、雙燃料系統(tǒng)和燃料切換。

2 焦?fàn)t煤氣噴嘴改進

2.1 焦?fàn)t煤氣噴嘴結(jié)構(gòu)

在天然氣噴嘴的基礎(chǔ)上，依據(jù)焦?fàn)t煤氣的燃燒特點，提出了四種噴嘴結(jié)構(gòu)。噴嘴A結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，在頭部中心位置開有一燃料孔，燃料孔徑為3.9 mm，以防止近噴嘴處的回流和燒蝕。噴嘴B結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，在頭部噴嘴中心位置無燃料孔，僅保留了周向均布的 12 個燃料孔。噴嘴 C在噴嘴A基礎(chǔ)上減小10%燃料孔徑，燃料孔徑為3.5 mm；噴嘴D在噴嘴A基礎(chǔ)上增大10%燃料孔徑，燃料孔徑為4.3 mm。

(a) 有中心孔噴嘴

使用計算流體力學(xué)模擬軟件，對四種改進噴嘴分別進行了數(shù)值仿真[18]，0.8工況的計算結(jié)果匯總在表3中。結(jié)果表明：燃氣輪機以焦?fàn)t煤氣為燃料時，噴嘴C、A、D的燃料孔徑從3.5 mm增大到4.3 mm，燃燒室出口溫度周向分布系數(shù)OTDF和徑向分布系數(shù)RTDF有減小的趨勢，但是燃料孔徑增大時，高溫火焰區(qū)會更貼近火焰筒壁面，有可能導(dǎo)致壁面局部溫度過高。將噴嘴A的中心噴孔堵住得到噴嘴B，可以降低火焰筒出口最高溫度，具有更好的溫度場。因此，部件燃燒試驗中選擇噴嘴A和B進行比較，確定較好的噴嘴方案。

表3 噴嘴的燃燒室模擬結(jié)果

2.2 部件燃燒試驗

部件燃燒試驗在中國科學(xué)院的多燃料全溫全壓全尺寸燃氣輪機燃燒室試驗臺上開展。試驗臺由空壓機組、空氣預(yù)熱器、燃料調(diào)配系統(tǒng)、試驗段、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。

試驗段采用全尺寸單管燃燒室和焦?fàn)t煤氣噴嘴試驗件，現(xiàn)場布置見圖3。在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮后確定加工兩組焦?fàn)t煤氣噴嘴試驗件，分別為有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴，其噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2?？紤]到燃料孔徑較大時火焰離噴嘴較近，為避免燒蝕噴嘴，將燃料孔徑調(diào)整為3.8 mm。

分別對有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴進行部件燃燒試驗，氣動熱力參數(shù)采用壓力?；椒ǎ紫缺ＷC空氣進出口溫度不變，其次將空氣流量按照壓力進行折算保持體積流量不變，從而保證燃燒室的速度不變，試驗測試結(jié)果見表4。

表4 部件燃料試驗的測試結(jié)果

有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴完成部件燃燒試驗后的實物狀態(tài)見圖4，檢查結(jié)果為狀態(tài)良好，無燒蝕現(xiàn)象，均有輕微積炭。結(jié)合試驗條件分析，噴嘴出現(xiàn)積炭的原因是試驗所用的焦?fàn)t煤氣未進行凈化處理，而工程實際使用的焦?fàn)t煤氣經(jīng)過過濾，潔凈度高，一般不會出現(xiàn)導(dǎo)致影響燃氣輪機運行的積炭現(xiàn)象。

(a) 有中心孔噴嘴

通過部件燃燒試驗可以看出，有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴均可穩(wěn)定燃燒，火焰筒和噴嘴均無過熱過燒現(xiàn)象。但是無中心孔噴嘴的出口中心溫度和出口邊緣溫度的差值較小，表明出口溫度場相對比較均勻，這也和數(shù)值模擬的結(jié)果一致，因此確定使用無中心孔噴嘴作為裝機方案。無中心孔噴嘴作為焦?fàn)t煤氣噴嘴，與天然氣噴嘴相比，取消了中心孔，孔徑由2.65 mm改為3.8 mm。

3 燃氣輪機系統(tǒng)改造

3.1 雙燃料系統(tǒng)

雙燃料系統(tǒng)為兩路輸入和一路輸出。兩路輸入分別是天然氣供應(yīng)輸入和焦?fàn)t煤氣供應(yīng)輸入，天然氣供應(yīng)壓力2.0～2.5 MPa、溫度50～80 ℃，焦?fàn)t煤氣供應(yīng)壓力3.0～3.5 MPa、溫度60～90 ℃。一路輸出為向燃氣輪機點火氣路和工作氣路輸出燃料。天然氣與焦?fàn)t煤氣共用一套輸出管道、點火氣路管道、工作氣路管道、點火裝置和工作噴嘴，可以實現(xiàn)天然氣點火、焦?fàn)t煤氣點火、天然氣單獨供應(yīng)、焦?fàn)t煤氣單獨供應(yīng)、天然氣焦?fàn)t煤氣切換、天然氣焦?fàn)t煤氣任意比例混合供應(yīng)等，滿足燃氣輪機對燃料供應(yīng)的要求。

考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平，為了保證燃氣輪機的可靠點火和安全起動，暫不驗證和使用焦?fàn)t煤氣點火，雙燃料系統(tǒng)的工作模式確定為：燃氣輪機使用天然氣點火，發(fā)電功率升到約6 000 kW時將天然氣切換為焦?fàn)t煤氣，之后以焦?fàn)t煤氣為燃料在任意工況運行和停機。

雙燃料系統(tǒng)的三維模型見圖5，主要有流量計、防爆熱電阻、快速切斷閥、防爆壓力變送器、點火氣路壓力變送器、燃料調(diào)節(jié)閥、單動氣動球閥、電磁閥、減壓閥、放空閥等，滿足燃氣輪機從起動點火到并網(wǎng)滿負荷運行的天然氣/焦?fàn)t煤氣燃料供應(yīng)要求。

圖5 雙燃料系統(tǒng)的三維模型

3.2 燃料切換

為了保持發(fā)電功率的穩(wěn)定，減少對電網(wǎng)的影響，燃料切換采用等功率切換控制方法。燃氣輪機在發(fā)電功率6 000 kW穩(wěn)定運行5 min后，開始減小天然氣供應(yīng)量直至完全關(guān)閉，程序自動閉環(huán)控制，焦?fàn)t煤氣隨動打開，維持目標(biāo)熱量等于初始狀態(tài)。

發(fā)電功率處于5 500～6 500 kW區(qū)間時，收到燃料切換指令且無相關(guān)限制性故障時，開始燃料切換：

(1) 開始切換計時；

(2) 打開焦?fàn)t煤氣切斷閥，關(guān)閉焦?fàn)t煤氣放空閥；

(3) 通過功率閉環(huán)控制，得到維持目標(biāo)功率所需的熱量Q，把Q分配給天然氣和焦?fàn)t煤氣：Q=Qn(天然氣熱量)+Qc(焦?fàn)t煤氣熱量)；

(4) 記錄切換開始時的Q記為Q1，0～100s所需天然氣熱量Qn由Q1線性減小到0；

(5) 0～100 s，焦?fàn)t煤氣承擔(dān)剩余熱量：Qc=Q-Qn；

(6) 100 s后，關(guān)閉天然氣切斷閥，打開天然氣放空閥，完成切換。

3.3 燃氣輪機運行試驗

燃氣輪機根據(jù)焦?fàn)t煤氣噴嘴、雙燃料系統(tǒng)和燃料切換控制程序方案完成改裝。改裝后的機組見圖6，具備開展以焦?fàn)t煤氣為主燃料的發(fā)電運行試驗。

圖6 改裝后的機組

目前，改裝后的機組已在焦化廠完成2 000 h發(fā)電運行試驗。試驗過程中，燃氣輪機以天然氣為燃料起動，在5 500～6 500 kW切換為焦?fàn)t煤氣，能夠按電網(wǎng)要求調(diào)控和穩(wěn)定運行，主要運行工況為發(fā)電功率19 MW，最大運行工況為發(fā)電功率24 MW，0.1工況處的喘振裕度為12%～14%。

4 結(jié)論

通過開展適應(yīng)性研究，更換焦?fàn)t煤氣噴嘴和雙燃料系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中增加燃料切換控制程序，實現(xiàn)了AGT-25燃氣輪機以焦?fàn)t煤氣為主燃料的工作能力。

改裝后的機組完成了2 000 h發(fā)電運行試驗，標(biāo)志著AGT-25燃氣輪機在焦?fàn)t煤氣應(yīng)用領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，拓寬了燃料使用范圍和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。