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第 2 5卷第 1期 2 0 1 2年 3月 燃气轮机技术 GAS TURBI NE TECHNoLoGY Vo l _ 25 No． 1 Ma r ．。2 01 2 I G C C多联产 系统 设备特点及 其运行 技术研究 杨天海 ， 黄素华， 祝建飞 华东电力试验研 究院有限公 司， 上海2 0 0 4 3 7 摘要 I G C C发电技术是基于清洁煤气化的高效联合循环发电技术， 本文通过对 目前国内外燃烧天然气和 I G C C发电技术的综合研究， 分析了I G C C发电技术的设备特点， 并结合类似 I G C C燃用中低热值的联合循环 机组试验研究结果 ， 开展了I G C C发电设备的经济运行技术研究， 对 I G C C及其多联产机组参与电网调峰运行 和掺烧备用天然气的运行技术提出了建议。 关键词 I G C C ； 多联产； 设备特点； 运行技术 中图分类号 T M 6 1 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 8 8 9 2 0 1 2 O 1 0 0 0 7 0 5 I G C C是一种高效 、 清 洁利用能源 的发 电技术 ， 它集煤气化 、 净化及燃气一 蒸 汽联合 循环发 电于一 体 ， 在效率、 环保方面优于常规燃煤发电技术 ， 堪称 “ 无污染火电技术 ” 。第一个成功进行 I G C C发电工 业性示范的是 1 9 8 4年投运 的美 国 C o o l Wa t e r电站 ， 近年来随着煤气化技术和燃气轮机技术的迅速发展， I G C C发电技术已经进入大型化和商业化试用阶段。 I G C C装置 自2 O世纪 7 0年代初期研发 ， 至今 已 有 4 O年左右历史⋯ ， 在 总体 技术上 取得 了重 大发 展 ， 目前该技术正 在 向多联 产、 C O 零 排放 方 向发 展_ l J 。到 目前为止 ， 世界上生产重型燃气 轮机 的 主要厂家有美国的 G E公 司、 德 国的 S i e me n s 公司、 日本 的三 菱公 司等 ， 这些公 司均有 燃气 轮机 用于 I G C C电厂 ， 表 1 列出了这些制造商生产的燃气轮机 在世界上 大 型 I G C C电厂 的投运应 用情 况。实 际 上 ， 随着各国对 I G C C发展的重视 ， 目前 已经有十多 个国家投运或建设了 I G C C电站。 表 1 世界上大型I G C C电厂使用的燃气轮机厂家、 型号和性能 我国 自2 0 0 6年 6月发改委召开“ I G C C发 电技 术研讨 会 ”以来 ， 各 大 型发 电集 团公 司纷纷 涉 足 I G C C及多联产行业 。到 目前为止 ， 已有 1 0多家公 司拟建十余座 I G C C电站 _ 2 J ， 包括烟 台 14 0 0 MW 级 I G C C示范项 目、 华能 1 2 5 0 MW 级绿色煤 电天 津项 目、 华 电 1 2 0 0 MW 级杭州半山项 目、 中电投 1 4 0 0 MW 级廊坊项 目、 大唐 1 4 0 0 M W 级深圳多 联产项 目等。据报道 ， 华能集团的天津 I G C C项 目 第一 阶段建造 2 5 0 M W 的 I G C C示范电厂已经进入 实施阶段 ， 示范电厂将 2 0 0 0 t ／ d煤转换成合成气用 于发 电， 下一阶段将建造 3 0 0 4 0 0 M W 的多联产 电 厂 ， 使用 3 0 0 0 t ／ d煤的气化炉 ， 目标是 于 2 0 2 0年前 完成 4 0 0 MW 电厂的工业示范。 化工产品生产与发电联产 的 I G C C系统是 目前 收 稿 日期 2 0 1 1 0 92 1 改稿 日期 2 0 1 1 1 1 1 0 基金项目 上海市科委科研课题 0 8 D Z 1 2 0 0 1 0 6 “ 结合多联产的 I G C C电站运行关键技术研究” 。 作者简介 杨天海 1 9 6 3 一 ， 男， 高级工程师， 长期从事大型汽轮机、 燃气轮机及其联合循环机组性能试验研究工作。 8 燃气轮机技术 第 2 5卷 I G C C的发展方 向之一 。对于 I G C C多联产方案 中的煤气化 、 联合循环发电、 化工产品的生产等各生 产过程已经有比较成熟的应用， 但作为一种新兴的 综合集成系统 ， 目前 国内外仅仅还处于实验 和示范 阶段 ， 因此如何有效地利用各生产过程的特点 ， 发挥 各 自的优 势 ， 保 证机组 安全 经济运 行是 多联产 及 I G C C示范工程建设应该研究 的关键 问题。本文在 I G C C技术特点、 I G C C经济运行 、 多联产 I G C C电网 调峰特性 ， 以及 I G C C掺烧 备用天然气运行方式几 个方面开展 了一些研究工作 ， 旨在为相关示 范机组 今后正常经济运行和参与电网调峰运行提供一些前 期技术支持。 1 I G C C发电设备特点 1 ． 1 I G C C中燃气轮机特点 从上个世纪 4 0年代燃机技术进入工业应用 以 来 ， 目前燃烧天然气 的常规燃气轮机技术发展 已经 相当成熟 ， 我国投产的 F级联合循环就 已经超过 5 0 套。相对于常规的汽轮机发电机组 ， 燃气一 蒸汽联合 循环机组具有以下特点 ’ ’ 。 J 机组效率高 燃机单机效率约 3 7 ％左右 ， 联合 循环 效 率 可 达 5 0 ％ 以上 ， 目前 最 新 技 术 可达 到 6 0 ％。投资少建设周期短 燃机设备小 ， 布置 紧凑 ， 一 般采用集装箱式 的设备组装结构发货到现场 ， 并 且系统简单， 机组安装调试时间短， 这使机组能够很 快地投入运行 。运行灵活性好 机组启动快 ， 自动化 程度高 ， 具有很好的调峰性能 。环保指标好 燃机属 于清洁的能源动力 ， 对 环境污染少 ， 机组排放 N O 一 般可小于 2 5 L ／ L 。 I G C C系统可分为煤气化 系统和发 电系统两大 部分 ， 其 中发 电系统中的燃气轮机等设备构成与常 规联合循环机组基本相 同， 但 由于燃料特性与系统 构成结构 的不 同， I G C C中的燃气轮机等设备除具有 燃烧天然气联合循环相应设备的技术特点外 ， 还具 有一些不同的技术特性 ， 以下是 I G C C中燃气轮机 的一些技术特点。 1 由于 I G C C 所用燃料为中低热值的合成煤 气， 主要成分为 C O 、 H ， 并且含有较多的N 、 C O 等 惰性气体 ， 不同于主要成分是 C H 且所含杂质很少 的天然气， 这使得着火点、 火焰传播速度以及燃烧产 物组成等燃烧特性发生变化 ， 从而要求 以燃烧 天然 气燃机为母型的 I G C C燃机需要重新设计或修改燃 烧器 ， 以保证点火迅速 、 燃烧稳定和高效率 。 2 合成煤气燃料热值 的减小 ， 在维持燃气透 平初温恒定不变的前提下 ， 导致燃料 的质量流率和 容积流率增加， 致使压气机喘振裕量减少， 甚至有可 能发生喘振现象。因此 ， 需要对压气机和燃气透平 等进行改造与调整 匹配 ， 例如单独修改 内部设计或 改变进 口导叶开启控制 ， 以使压气机 与燃气透平的 工质流量能够合理地匹配 ， 并使压气机 的工作点与 喘振边界之间留有足够的喘振裕量 _ 5 j 。 3 I G C C发电技术优势还有赖于系统的整体 化 。一般 I G C C系统 中除气化炉产生 的煤气进入燃 气轮机外 ， 空分单元分离 出来 的氮气可 以掺入饱和 蒸汽并加压后 回注到燃气轮机的燃烧室 。由于分离 出来的氮气有一定 的压力 ， 由此将它回注到燃气轮 机可以使这部分能量得到充分的利用 ； 另外 ， 氮气注 入燃烧室 可 以降低燃 烧 的温度 ， 从 而 降低 N O 的 生成。 4 由于煤气化 系统设备与燃气轮机不 同步 ， 以及煤气中的含氢量太高 要考虑安全问题 ， I G C C 中燃气轮机的启动或低负荷时运行需要燃用或混烧 天然气或轻柴油 ， 这就要求燃气轮机必须 采用双燃 料燃烧室。它既能单独燃烧 中低热值煤气 ， 又能单 独燃烧天然气或轻柴油， 也能使二种燃料同时混烧。 5 对于 I G C C发电， 为了降低燃烧过程中 N O 的排放量 ， 采用的措施是 向燃烧室注入水或注入氮 气。注入方式一般有两种 一种是在燃烧室的前方 设置煤气饱和器 ， 向洁净的煤气 喷入一定数量的除 盐水 ， 使煤气中的水蒸气含量达到饱和状态 ； 另一种 是把空分单元中分离得到的氮气 ， 通过原先 向燃烧 天然气的燃烧室喷注水蒸气 的管道 ， 供到燃烧室的 中心部位去。 1 ． 2 I G C C中汽轮机与余热锅炉特点 1 对于 I G C C系统 ， 用于产生汽轮机工质蒸 汽的热能不仅来 自燃气轮机排气 ， 而且还来 自高温 煤气废锅 的余热以及煤气净化系统或空分系统等余 热 ， 因此 系统设计 上更重 视多 种热 源 的综合优 化 利用 。 2 为了尽可能多地利用燃气轮机的排气余热 和系统中其他余热 ， I G C C中的汽轮机一般都采用补 汽设计 ， 从而使汽轮机多压进汽 以提高整体机组 出 力和联合循环效率。另外 ， 为了在联合循环机组 中 维持燃气轮机启动快这一优势 ， 配套的汽轮机一般 采用阀门全开状态随余热锅炉滑压运行 ， 汽轮机动 静部件 间 隙一般 也设 计 较 大 以适 应快 速 启停 的 一 壁 兰墨 竺 舞特 点 及 其 运 行技 术研 究 ． 为了尽量利用燃机排气等余热 ，汽轮机给 亨 要 余 热 锅 炉 中 完 成 ， 基 本 不 采 用 汽 轮 机 热 抽 汽 系 统 。另外 ， 在联合循环 中汽轮机采用补 三十 无 抽 汽 回 热 后 ， 汽 轮 机 排 汽 量 将 大 ．享 差 苎 ， ．因 也要求在较小的汽轮机排汽部位设计具 ⋯。 ． 4 整 个 余 热 锅 炉 多 压 设 计 系 统 应 具 有 较 低 的 登 譬 以使余热锅炉能够适应燃气轮机快 速加减负荷的动态特性要求 。并且余热锅 具有一定的在无水情况下“ 干烧’’ 能力 。 ． 5 余热锅炉提供的蒸汽参数不会较大幅度地 妻 负 荷 工 况 下 的 设 定 值 ， 在 技 术 经 济 条 各 下 ，尽可能多回收热能， 即提高余热锅炉的当 l - 3 I G C C中气化炉特点 ．， G c c电站采用的气化炉有气流床 、流化 床 、移动床三种气化炉， 后两种由于单炉容量小 ．二 般仅用于 1 0 0 MW 左右 的电站 ，目前 2 5 0 MW 及以 上的大型 I G C C电站都采用气流床气化炉 2 化工部门的煤气化炉多采用高压 ，而 I GC C 化炉参数因要与燃气轮机匹配运行多采用中压 孝 数 ， 且 宜 采 用 大 容 量 ， 以 便 与 燃 气 轮 机 相 匹 配 ， 以 ． 由于用途不同， I G C C发电侧更注重合成煤 气的热值， 而煤化工侧则更注重合成气中 C O 、H 蕃 含 量 及 其 比 例 。 例 如 ， 气 体 中 c H 4 等 高 热 值 毛 拿 量 较 高 对 I G C C有利， 而对煤化工则可能不利 另外， 由于工艺流程不同的有机整合 ，I G C C联 产 系 统常常不需要煤化工 中设计的变换工序 s 一 4 I G C C的气化炉更注重全热回收效率 ，即所 的热煤气效率， 该效率高才能使得发电煤 。 ， G c c 整体机组经济、 节能的效果 ； 而煤化工的 对全热回收效率并不是很关注 ，更关 注的是 冷 2 I G C C运行 技术研 究 ． 燃用中低热值煤气的联合循环运行特性参比 预测 。 一 ⋯ I G C C技术 目前在 我国还仅仅处 于示 范研发 阶 曼 以 下 以 类 似 I G C C 技 术 的 燃 烧 中 低 热 值 煤 气 的 某 钢 厂 联 合 循 环机组具体试验结果为例， 分析 I G 9 图 1 机组循环效率与负荷率的关系 1 O 燃气轮机技术 第 2 5卷 小于原先的变化率。同样 道理 ， 当机组到达负荷低 限时存在类似的负荷变化特性 。 电网频率是评价电能质量 的重要指标。投入机 组的一次调频功能可提高电网负荷变化时的频率响 应能力， 保持系统频率在允许范围之内， 确保高质量 的电力供应 。对于联合循环机组 ， 其汽轮机一般 处于压力控制模式 ， 汽机调 门全开滑压运行 ， 不具备 快速响应电网频率变化 的能力 ， 故一次调频功能 主 要由燃机来承担。图 2为 G E公 司燃 机的一次调频 工作原理示意图。 图 2 G E公 司燃机一次调频工作原理框 图 从 图中可知， 当燃机实际转速 ， 即电网频率降低 8 2 3 1 k J ／ m 标准状况下 ， 联合循环机组通过在煤 时 ， 意味着电网中发 电量不足 ， 此时燃机 F S R 燃料 气导人系统掺入氮气 ， 将 C O R E X煤气热值调低至 冲程参考 会增大 ， 从而致使燃机负荷上升 ， 有利于 7 4 9 7 k J ／ m 标准状况下 ， 以符合 G E燃 机对燃料 维持电网频率稳定； 相反， 当电网频率升高时， 意味 的要求。在合成气中掺人氮气只能使合成气的热值 着电网中发 电量过剩 ， 此 时燃机 F S R会减少 ， 致使 降低 ， 而对于合成气热值偏低 、 需要调高的情况可考 燃机负荷下降， 有利于维持电网频率稳定。 虑在合成气中掺入高热值 的天然气 ， 从而将合成气 2 ． 3 多联产 I G C C负 荷控 制 和掺 烧 备用 天然 气 的热值调高 ， 使其符合燃机对燃料的要求 。 研 究 燃气一 蒸汽联合循环机组具有 良好的负荷控制 性能 ， 变负荷速率快 ， 响应延迟短 ， 负荷变化范围大 ， 非常适宜于电网调峰 。另外 ， 联合循环机组的一次 调频特性也 比较优异 ， 当电网频率变化超过死区时 ， 燃机负荷能立即做 出响应 ， 以维持 电网频率稳定。 这些功能的实现 ， 都是基于燃料供应能够及时改变 ， 通过改变进入燃机 的燃料量来实现机组负荷变化。 而对于多联 产 I G C C机组 ， 由于化工产 品的生产量 一 般不能频繁变动 ， 要想依靠化工产 品量快速变化 来实现发 电机组 A G C 自动负荷控制 和一次调频 功能几乎不可能 ， 除非在气化炉出 口到燃气轮机入 口之间增加缓冲环节 ， 即储气罐 ， 这样才能兼顾化工 产品的恒定产量和发 电负荷变动的电网调峰要求 。 其实 ， 常规联合循环机组也有类似的燃料储存环节， 如燃油机组中的储油罐 、 天然气管 网中的天然气储 存设备 等。因此 ， 对于多联产 I G C C机组可 以适 当 增加合成气 的储气罐 ， 由此实施 多联产 I G C C系统 的发 电负荷并 网调峰的需求 。 类似于燃煤机组的动力配煤和炉内掺烧， I G C C 燃机也存在合成气配气 以及与天然气或燃油的混烧 情况 。为 了控制合成气热值符合燃烧器要求 ， 可 以 在合成气 中掺入氮气 或天然气 ， 从而改变合 成气 的 热值。某 钢厂 C O R E X炉产 生煤气 的设 计 热值为 因此， 当 I G C C运行工况发生变化 ， 造成合成气 的产量发生变化时， 通过常规燃料与合成气 的混烧 ， 增加或减少常规燃料的输入就可 以保持 I G C C机组 的出力不变。相应地 ， 在混烧模式时 ， 也可以通过增 加或减少常规燃料的输入 ， 来保持合成气流量不变 ， 从而达到 I G C C燃机参与 电网调峰的 目的。因此 ， I G C C燃机可以通过采用混烧模式来增强其参 与电 网调峰的能力。 3 小结及建议 1 目前国内已经投产运行的 F级燃烧天然气 的联合循环机组有 5 0多套 ， 对联合循环系统的制造 和运行积累了一定 的经验 ， 为 国内 I G C C的发 展提 供了强有力的支撑。 2 I G C C中联合循环机组 的运行性能对机组 负荷率更加敏感 ， 当负荷 降低 时， 其性能迅速变差。 因此 ， 从经济性 的角度 ， I G C C联合循环机组不适合 进行大幅度的负荷调节。 3 发电机组 A G C 自动负荷控 制 和一次调 频功能的实现都离不开燃料量的及时变化， 故建议 在 I G C C系统中增加合成气燃料 的储存 环节 ， 以兼 顾化工产品的恒定产量和发电系统负荷变动的调峰 要求。另外 ， 对于 I G C C多联产也可以通 过采用混 烧天然气模式来增强其参与电网调峰的能力。 第 1期 I G C C多联产 系统 设备特点及其运行技术研 究 l 1 4 目前我国 I G C C发电技术 ， 特别是结合多 联产的 I G C C技术才刚刚起步， 建议在具体示范工 程策划和建设前期 ， 针对实际工程系统设备情况 ， 及 早开展 I G C C多联产 系统 的运 行监测 、 性 能优化方 面的研究工作 ， 以保证工程建成后 的顺利投产和经 济运行。 参考文献 [ 1 ] 焦树建．整体煤气化燃气一 蒸汽联合循环 I G C C [ M] ．北京 中国电力 出版社 ，1 9 9 6 ． [ 2 ] 冯静 ， 倪维斗 ， 等．多联 产配 置是推 进我 国 I G C C系统 发展 的 重要途径 [ J ] ．燃气轮机技术 ， 2 0 0 7 1 2 ，1 5 ． [ 3 ] 林 汝谋 ， 徐玉杰 ， 徐 钢 ， 等． 新 型 I GC C系统的开拓 与集 成技术 [ J ] ． 燃气轮机技术 ， 2 0 0 5， l 71 5 ． 沈又幸 ， 李硕平．I GC C电厂设 备与 系统优化部 分关键 点的探 讨 [ J ] ．燃气 轮机技术 ， 2 0 0 8， 9 1 11 4 ． 李纪 财 ， 曾成碧 ， 肖利．I G C C发 电技 术及 主要设备分 析 [ J ] ． 四川 电力技术 ， 2 0 0 8 ， 4 7 57 7 ． 金红光， 林汝谋．能的综合梯级利用与燃气轮机总能系统 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 8 ． 周大坤， 等．I G C C气化炉气化法分类及比较[ J ] ． 发电设备， 2 01 0， 32 2 4 2 2 7． 史本天， 郭新生， 等．I G C C发电系统 中煤气化工艺的选择 [ J ] ．燃气轮机技术 ， 2 0 0 6， 1 2 l一 2 5 ． 刘维烈 ， 等． 电力系统调频与 自动 发 电控 制 [ M] ．中国电力 出 版社 ， 2 0 0 6 ． Cha r a c t e r i s t i c Re s e a r c h o f Eq ui p m e n t a n d Op e r a t i o n f o r Po l y g e ne r a t i o n I GCC YANG T i a n h a i ，HUANG S u - h u a ，Z HU J i a n f e i E a s t C h i n a E l e c t ri c P o w e r T e s t ＆ R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 ， C h i n a Ab s t r a c t I G C C i s t h e n e w p o w e r g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y b a s e o n t h e h i g h e ffic i e n c y a n d c l e a n i n g c o m b i n e d c y c l e C Cw i t h g a s i fi c a t i o n ．I n t h i s p a p e r ，t h e c h a r a c t e ris t i c o f e q u i p me n t f o r I GC C h a s b e a n a l y s e d b y wa y o f s u mma riz a t i o n o f t h e c u r r e n t t e c h n o l o gy r e l a t e d t o C C p o w e r p l a n t wi t h n a t u r a l g a s ． Mo r e o v e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i c o f o p e r a t i o n for p o l y g e n e r a t i o n I GC C h a s b e r e s e a r c h e d i n a s s o c i a t i o n wi t h t h e t e s t c alc u l a t i o n r e s u l t o f t h e u n i t i n CC p o we r p l a n t fi r e d g a s w i t h mi d d l e a n d l o w h e a t v alu e ．B e s i d e s s o me s u g g e s t i o n h a v e b e p u t f o r wa r d a b o u t t h e u n i t o p e r a t i o n t y p e i n t h e l o a d r e g u l a t i o n o f p o we r g rid a n d t h e mi x fi r e o f n a t u r a l g a s a n d c o al g a s f o r p o l y g e n e r a t i o n I GCC． Ke y wor ds I GCC； p o l y g e n e r a t i o n； e q ui p me n t c h a r a c t e ris t i c； o pe r a t i o n t e c h no l o gy 首批天然气发 电调 峰项 目江苏启动 江苏省发 改委 日前称 ， 国家能源局发文同意江苏省华电扬州燃机项 目 2 4 0万千瓦级 、 华电戚墅堰燃 机扩建项 目 2 4 0万千瓦级 、 东亚电力无锡燃机项 目 2 4 0万千瓦级 三个项目开展前期工作。 据悉， 该批项 目是 国家首批启动的“ 十 二五” 天然气发 电调 峰项 目， 也是 国家能源局确定 的重型燃机 自 主招标项 目。国家能源局首批启动的“ 十二五” 天然气发电调峰项 目共5个， 其中江苏省有 3 个。江苏省发 改委称 ， 该项 目对于江苏电源结构优化调整、 保 障“ 十二五” 电力供给、 优化 电力运行方式、 促进节能减排等 具有重要意义。 根据此前江苏发布的数据显示， 到 2 0 1 5年 ， 江苏省天然气供应总量将达到 2 7 0亿方， 其中用于天然气电 厂的天然气气量8 1亿方， 天然气发 电总装机达到 1 5 0 0万千瓦， 占全省装机 含 区外来 电 比重提高到 1 3 ． 6 ％ 以上。 中国能源网 2 0 1 2 0 2 0 9 ] j 1 j
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