摘 要: 本文介紹上海發(fā)電設備成套設計研究所在整體煤氣化燃氣－蒸汽聯合循環(huán)（IGCC）和第二代增壓流化床聯合循環(huán)（PFBC）關鍵技術方面的研究概況。
關鍵詞：潔凈煤技術 聯合循環(huán)發(fā)電 煤氣化 燃燒室 磨蝕 試驗
- 引言
- 低熱值煤氣燃氣輪機關鍵技術研究
- 常壓流化床聯合循環(huán)（AFBC）的技術研究
“煤的潔凈燃燒”技術是當前各工業(yè)發(fā)達國家都十分重視的研究領域，燃煤燃氣－蒸汽聯合循環(huán)由于能較大幅度提高火力發(fā)電廠的熱效率，并使污染問題獲得解決，因而成為最有發(fā)展前途的發(fā)電技術。我國是以燃煤為主的國家， 電力工業(yè)中燃煤發(fā)電廠的裝機容量占總裝機容量的70％以上。同時，燃煤發(fā)電廠又是嚴重的污染源，全國SO2總排放量的三分之一，NOX和粉塵總排放量的一半由燃煤發(fā)電廠產生。所以我國對“潔凈煤技術”也十分重視，七十年代末國家科委就開始部署“煤的潔凈燃燒”發(fā)電技術的研究工作。 上海發(fā)電設備成套設計研究所在“六五”到“八五”期間先后承擔了國家科委下達的燃煤燃氣－蒸汽聯合循環(huán)項目中的“低熱值煤氣燃氣輪機關鍵技術研究”、“常壓流化床空氣埋管傳熱試驗研究”、“第二代增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電關鍵技術研究”等科技攻關課題。在吸收國外先進技術的基礎上，成功地開展了對上述關鍵技術的攻關，取得了科研成果。本文將介紹這些科技攻關課題的研究概況。
整體煤氣化燃氣－蒸汽聯合循環(huán)（IGCC）是“煤的潔凈燃燒”發(fā)電技術的一個重要方式。在IGCC中的燃氣輪機必須可靠地燃燒氣化爐產生的中、低熱值煤氣，標準的燃氣輪機產品必須經過對燃燒系統改造方能滿足IGCC的要求。1981年國家科委布置了燃煤聯合循環(huán)發(fā)電的關鍵技術科研攻關工作，上海發(fā)電設備成套設計研究所承擔了“燃用低熱值煤氣的燃氣輪機技術研究”課題，研究內容包括“低熱值煤氣燃氣輪機燃燒室試驗研究”和“低熱值煤氣燃氣輪機燃料調節(jié)系統試驗研究”兩個方面。課題攻關于1990年10月完成，并通過了國家科委和機械工業(yè)部組織的專家鑒定，主要研究成果有：
2.1 建立了國內第一套使用配制組合壓縮氣體為燃料的氣體燃料燃燒室試驗臺 ，
可進行燃氣輪機燃燒室燃油、燃氣或油氣混燃的低壓模化試驗，配置了供油、供氣體燃料的燃料系統、空氣供應系統及燃燒室試驗控制系統。在試驗測量和數據處理方面配置了較先進儀器設備，常規(guī)參數測量采用美國惠普公司的計算機數據采集及處理系統，對燃燒室排氣采用日本進口的煙氣分析儀進行煙氣分析。
2.2 與美國GE公司燃氣輪機分部合作進行了“GE MS5001燃氣輪機低熱值煤氣燃燒系統研究”項目。
燃料氣為魯奇煤氣。低熱值煤氣燃燒室的基本結構形式為多管逆流式燃燒室，保留了標準燃燒室的大部分結構形式，主要變動是采用了大流量強旋流的煤氣噴燃器，加大煤氣和空氣的旋流速度。煤氣和空氣的旋轉方向相反，加強煤氣與空氣的摻混，并形成強烈的回流區(qū)，改善火焰的穩(wěn)定性。
圖1. GE的逆流式燃燒室（略）
GE MS5001低熱值煤氣燃燒室試驗在美國GE燃氣輪機發(fā)展試驗室（GT DL）的全壓全尺寸燃燒試驗臺上進行，先后進行了4個方案的試驗， 試驗結果表明最終結構方案除燃燒柴油時高負荷下冒黑煙外，低熱值煤氣燃燒室其他性能均滿足要求。
2.3 在分析“GE MS5001”低熱值煤氣燃燒室結構和試驗結果的基礎上，設計了用于國內某型燃氣輪機的燃燒室。
該燃燒室也采用逆流式結構，并根據國內的制造工藝條件將火焰筒魚鱗孔冷卻結構改為氣膜冷卻結構。
圖2.某型低熱值煤氣燃燒室（略）
燃燒室的基本參數為：
體積熱強度qv＝4.694×104MJ/m3·h·ata
面積熱強度qF＝3.575×104MJ/m2·h·ata
燃氣逗留時間t＝0.049s
參考速度Wref＝15.54m/s
火焰管直徑Dft＝192mm
火焰管長度L＝785mm
火焰管外殼直徑D＝255mm
燃氣過渡段收斂比3.79:1
試驗在上海發(fā)電設備成套設計研究所燃氣輪機燃燒室試驗臺上進行。試驗參數采用低壓?；椒ǎ褂脤嵨锶紵?，給定試驗燃燒室進口空氣壓力為104kPa， 按各工況下的?；囼瀰颠M行試驗。試驗
過程中燃燒室點火升負荷順利，燃燒柴油時未發(fā)現冒黑煙現象。燃燒煤氣試驗時，先用柴油點火，負荷升到1/4全負荷時，由油順利切換到煤氣。試驗結果表明，自行設計的燃燒室在模化條件下燃燒效率高，出口溫度場均勻，分布符合要求。壓損和火焰管壁溫都滿足要求，設計獲得了成功。
2.4 研究開發(fā)了大流量低熱值煤氣調節(jié)閥。
煤氣化聯合循環(huán)中， 低熱值煤氣調節(jié)閥是系統中的重要部件，必須滿足容積流量大，密封性能好，調節(jié)特性好，可快速開啟和關閉的要求。經過多種方案的分析比較，后確定采用多只單座閥并聯的設計方案來滿足煤氣大流量的要求，各單座閥可由同一執(zhí)行機構帶動，也可以每只閥分別由一個執(zhí)行機構帶動。設計的閥門由錐形閥蝶和拉伐爾縮放型閥座組成，并帶有一個預啟閥，以減小提升力和時間常數，具有很好的動態(tài)特性和快速關閉能力。
圖3. 低熱值煤氣調節(jié)閥（略）
通過對模型閥門的氣動性能吹風試驗，掌握了閥門通流能力和流阻特性數據，所設計的調節(jié)閥5只并聯，就可滿足MS5001機組的基本負荷要求。通過大量動態(tài)特性試驗，證明所設計的閥門快速開啟和關閉的性能良好，在1.28MPa表壓的控制油壓下，50mm的滿行程動作時間只需0.34秒。
通過對“燃用低熱值煤氣的燃氣輪機技術研究”的課題攻關，消化吸收了國外先進技術，自行設計和調試的低熱值煤氣燃燒室和調節(jié)閥主要性能指標良好，并且掌握了這些關鍵部件的母型和設計研究方法。上海發(fā)電設備成套設計研究所曾經成功地將低熱值煤氣燃燒技術和經驗用于國內某大型鋼鐵企業(yè)高爐煤氣燃氣輪機熱電裝置的調試技術服務。
燃煤常壓流化/燃氣－蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電裝置具有能源轉換效率高，煤種適應性廣，能燃用劣質煤且環(huán)境污染小的優(yōu)點，是一種可行的潔凈煤發(fā)電方式。
常壓流化床空氣熱交換技術是發(fā)展燃煤常壓流化床聯合循環(huán)所必須解決的關鍵技術。為此國家科委1981年組織“常壓流化床空氣換熱試驗研究”單項關鍵技術研究。我所承擔了建立單一學科研究的常壓流化床空氣傳熱試驗臺和單管及管束常壓沸騰爐傳熱試驗臺，進行試驗臺的調試工作并完成初步機理性試驗，提出單管傳熱試驗報告，常壓流化床聯合循環(huán)熱力系統分析報告和調節(jié)與控制系統分析報告。研究工作于1984年底完成并通過專家鑒定。
3.1 0.5m2常壓流化床空氣熱交換試驗臺
國內在燃煤常壓流化床技術方面進行了很多研究，取得了相當大的成績，積累了豐富的經驗。這些研究與發(fā)展均集中于燃煤常壓流化床蒸汽鍋爐技術。燃煤常壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電裝置中使用的燃煤常壓流化床空氣鍋爐技術在國內尚屬空白，而其中的“空氣埋管熱交換技術”是必須解決的關鍵技術。為此我所建立了一臺床面積為0.5m2的常壓流化床試驗裝置。試驗臺除了可供空氣埋管的熱交換試驗研究外，還可供流化床燃燒、流化、阻力、空氣埋管材料、結構，運行特性等多種試驗研究使用。已成為一個綜合性的燃煤常壓流化床試驗裝置。
沸騰床斷面為矩形風帽式布風結構，正壓螺旋給煤，水平空氣埋管，爐膛四周無冷卻管布置，主要參數下：
布風板面積 0.5m 2
床寬度 560mm
床深度 900mm
風帽縱向節(jié)距S1 122.6mm
風帽橫向節(jié)距S2 37mm
風帽個數 112個
下溢流口下沿距風帽頂 1060mm
上溢流口下沿距風帽頂 1960mm
空氣埋管為并聯布置的U形管，錯列布置。
為了適應多種試驗項目的要求共布置了溫度測點40個、壓力測點27個，流量測點14個，共81個測點。
試驗臺設備齊全，系統完善，配置了大型熱力參數數字顯示模擬屏，工業(yè)電視監(jiān)察裝置、計算機數據采集及處理等設施。
- 0.1m2常壓流化床單管及管束傳熱試驗研究
為了進行更多的機理性研究，建立了一個單管及管束傳熱試驗臺，對空氣埋管流化側換熱系數α、主要影響因素及流化床中的輻身換熱問題進行試驗研究。
試驗臺爐高3.5m，床面積0.4×0.25m2，床溫在常溫至900℃范圍內可調，用電、油聯合加熱流化空氣和流化床料，進行埋管的傳熱試驗研究。
試驗臺由爐本體，流化空氣供氣系統，測試管壓力空氣供氣系統，供油系統、排氣系統、測試系統及試驗控制臺組成。
熱態(tài)傳熱試驗前進行空床試驗，確定無料層時進氣室和布風板的阻力隨風速的變化情況；進行冷態(tài)試驗，試驗爐料使用上海吳淞化肥廠流化床鍋爐的灰渣，去除8mm以上的粒子，選用0－8mm直徑的“寬帶分”顆粒，觀察爐料流化的均勻性，冷態(tài)流化空氣壓降與流化速度之間的變化關系。測試管位于爐子的旺盛流化區(qū)中、進行熱態(tài)傳熱試驗。首批試驗參數范圍為：
粒子：種類吳淞化肥廠爐渣
粒子直徑分布：0－8mm
床溫：523－804℃
床壓：環(huán)境壓力
流化速度：2.86－4.86m/s
測試管直徑：32mm
測試管空氣壓力：314kPa
測試管空氣進口溫度：110－154℃
通過試驗得到換熱系數α、傳熱系數K隨床溫的變化關系；試驗段各截面床溫、壁溫和流化空氣溫度間的關系，試驗結果與國內外的一些常壓流化床埋管傳熱試驗的結果進行了定性和定量的比較。表明所選用的試驗方法是可行的，數據是可信的。
試驗數據的分析表明測試管內側的換熱系數小于外側的換熱系統，流化床空氣埋管傳熱的熱阻主要在內側流道。增強內側流道換熱強度或增大內側流道的換熱面積是流化床換熱的關鍵問題之一。
- 第二代增壓流化床聯合循環(huán)發(fā)電關鍵技術研究
第二代增壓流化床聯合循環(huán)（2G－PFBC－CC）也稱為補燃增壓流化床燃氣－蒸汽聯合循環(huán)，是在增壓流化床聯合循環(huán)（PFBC－CC）的基礎上增加一套炭化爐、煤氣除塵裝置及燃氣輪機補燃燃燒室。煤在炭化爐中裂解，產生低熱值煤氣和焦炭，焦炭被送到增壓流化床中燃燒，產生蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電。煤氣送入燃氣輪機燃燒室補燃，將增壓流化床送來的煙氣加熱至1000℃以上，送入透平做功。這種方案集中了IGCC和PFBC－CC的優(yōu)點，能使循環(huán)的總功率和熱效率都得到提高。“八五”期間，國家科委部署了第二代增壓循環(huán)流化床聯合循環(huán)關鍵技術的課題攻關任務。由上海發(fā)電設備成套設計研究所和北京煤化學研究所共同承擔。課題包括三大方面的研究內容：1.增壓循環(huán)流化床氣化技術研究；2.補燃燃燒室系統的研究；3.高溫煙氣對燃氣輪機葉片的磨蝕研究。課題攻關在九五年底全面完成，通過了由科技部、機械部、電力部組織的專家鑒定，并獲得了“八五攻關重大科技成果獎”。
4.1 建立了一套增壓流化床煤氣化技術試驗裝置系統，并成功地投入試驗運行。
試驗裝置的主要技術參數為：
流化床氣化爐：主反應段內徑300mm
擴大段內徑：450mm
高度：6010mm
設計壓力：2.5MPa
操作壓力：0.3－1.0MPa
操作溫度：900－1100℃
氣化劑：空氣、水蒸汽
氣化方式：部分氣化、完全氣化
煤處理能力：2.5－5噸/天
增壓流化床煤氣化技術試驗裝置建成后，進行了高溫冶金焦、伍德爐半焦、神木煤和大同煤等五種原料的試驗，試驗裝置實現了20小時的連續(xù)穩(wěn)定運行，累計運行510小時。氣化爐產生的煤氣供低熱值煤氣燃燒系統和葉片磨蝕系統進行試驗。
不同煤種、不同操作條件下獲得的排灰中含碳量范圍為11.1％－75.5％。基本掌握了煤灰粘聚及選擇排灰的操作技術。為了開展流化床床內脫硫研究，在流化床氣化爐上進行了五個不同含硫量的煤，兩種脫硫劑的床內脫硫試驗研究，獲得了最高達93.6％的脫硫率。這些基礎研究和試驗工作，為放大規(guī)模的增壓流化床煤氣化和床內脫硫技術做了充分準備（圖4）。
4.2 補燃燃燒系統技術研究中，選擇了520kW級容量的燃燒室進行試驗研究，
主要技術參數為：
空氣壓力：0.1059Mpa 空氣進口溫度：320℃ 煤氣溫度：200℃
PFBC爐煙氣溫度：850℃ 燃燒室排氣溫度：1100℃
PFBC中按煙氣進入補燃燃燒室的方式可分為后混和前混兩種方式，根據煤氣化爐的碳轉化率XC選定了XC＝50％后混、
XC＝70％后混和XC＝70％前混三個方案進行了試驗（略）
a.后混試驗方案（略）
試驗在上海發(fā)電設備成套設計研究所燃氣輪機燃燒室試驗臺上進行。試驗按低壓?；椒?，并模擬壓氣機排氣溫度和PFBC中排出的煙氣溫度。各方案的試驗工況按燃燒室的排氣溫度為1100℃、1000℃、900℃、800℃、700℃分成5點，根據設計數據和?；瘲l件分別得到各工況的試驗參數。
試驗時先用0號柴油點火，升負荷至排氣溫度為750℃時切換成由增壓流化床氣
化爐供給的低熱值煤氣。煤氣切換及其后的進一步升負荷均十分順利。對所選定的（略）
b. 前混試驗方案（略）
各方案順利進行了燃燒室燃燒低熱值煤氣試驗，取得了完整的數據。試驗結果表明：各工況下的燃燒效率基本在99.0％以上；出口溫度場滿足要求，溫度場系數隨負荷的增加而減小，火焰管壁溫分布符合設計要求。證明燃燒室的設計思想是正確的。所取得的研究成果可用于第二代增壓流化床聯合循環(huán)補燃燃燒系統的設備研制和調整試驗。
4.3 建立了高溫煙氣磨蝕試驗臺，
對PFBC中進入燃氣輪機的高溫煙氣中所含少量粉塵對葉片的磨蝕機理進行了研究，提出防磨措施。
葉片磨蝕試驗臺由高溫煙氣混合段，灰粒添加裝置、葉柵工作段、排氣噴水冷卻段及葉片冷卻空氣系統組成。高溫煙氣來自低熱熱值（圖6）煤氣燃燒室排氣?；伊Ｗ釉跓煔饣旌隙吻岸思尤?，在混合段中與煙氣均勻混合并加速到主氣流的速度。添加灰粒的目的是能夠在較短的試驗時間內觀察到含灰煙氣對葉片的磨蝕情況。
設計了三種不同結構形式的試驗件，第一種是實物透平葉片，第二種是半圓形空心試驗件，第三種為扁平形空心試件。三種試件壁面上都裝有熱電偶，用以測定試驗件表面溫度。試件材料選用FSX414鈷基合金，并分別選用AMDRY997，AMDRY997＋MET－CO204，碳化鉻三種不同涂層材料，用高溫等離子噴涂工藝將涂層粉末噴涂在試件表面上，以研究耐高溫耐磨蝕涂層對燃氣輪機葉片的保護作用。
試驗結果表明：三種涂層耐磨度對比分析看出，NiCoAlTaY涂層的抗腐蝕、抗高溫氧化及耐磨性能較強。真空等離子噴涂的涂層表面臻密光潔，氣孔少，具有更好的結合強度及耐高溫性能，能符合PFBC中燃氣輪機葉片防磨的技術要求。
五、結束語
國家科委自“六五”起連續(xù)部署燃煤燃氣－蒸汽聯合循環(huán)關鍵技術的課題攻關項目，使我國的科研機構和制造廠較好地跟蹤了國外“煤的潔凈燃燒”這一高新技術的發(fā)展，取得了很有價值的研究成果，為我國發(fā)展IGCC和PFBC聯合循環(huán)做好了技術準備。
低熱值煤氣燃燒系統研究中采用的與國外合作， 吸收國外先進技術， 結合國內產品自行設計和調試的研究方式十分有效。通過研究掌握了低熱值煤氣燃燒室的設計和調試方法。氣體調節(jié)閥的試驗研究為大流量煤氣調節(jié)閥的研制和調節(jié)系統的設計提供了依據。
第二代增壓流化床聯合循環(huán)關鍵技術研究中，在上海發(fā)電設備成套設計研究所建成了煤氣化、燃燒和葉片磨蝕為一體的試驗系統。
今后將充分發(fā)揮已有人才、設備及已獲得的研究成果的作用，更深入地研究IGCC和2G－PFBC－CC的關鍵技術，為發(fā)展我國的潔凈煤發(fā)電技術，為早日在我國建成燃煤聯合循環(huán)電站作更多的貢獻。
參考文獻
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