IGCC燃用低热值燃料的燃气轮机运行性能优化

天津IGCC是中国第一座整体煤气化联合循环电站。系统中燃气轮机的燃料为气化炉产生的热值较低的合成气,作为国内第一台应用于IGCC技术的燃气轮机,在运行过程中存在着合成气热值与设计值偏差大、烧嘴过热、燃烧室偏烧等问题。针对存在的问题,首先介绍了IGCC电站燃用低热值燃料的燃气轮机与普通燃气轮机在燃料、燃烧方式、燃烧器结构等方面的区别;然后结合实际运行参数分析,重点对存在的问题提出性能优化方案及措施。对燃用低热值燃料的燃气轮机后续发展具有一定的借鉴意义。     

200MW级整体煤气化联合循环系统中燃气轮机的通流匹配特性

解决燃气轮机的通流问题,确定燃用中低热值合成气燃气轮机的最佳运行工况是研究整体煤气化联合循环（integrated gasification combined cycle,IGCC）系统的重点内容之一。该文对一台200 MW级IGCC机组进行研究,从系统的角度出发提出燃气轮机通流的3种调整方案,并分析方案变化对燃气轮机特性和IGCC系统性能的影响。结果表明,在一定范围内减小压气机入口空气流量或增大透平通流面积,有利于提高燃用中低热值合成气的燃气轮机特性与IGCC系统性能。合理搭配压气机抽气比例和氮气回注量可提高IGCC的系统效率。3种调节方案都存在最佳值,使燃气轮机和IGCC系统获得最大功率与最高效率。研究结果为燃用中低热值合成气燃气轮机的最佳运行工况的确定以及IGCC电站系统的设计和运行提供参考。     

解析整体煤气化联合循环发电中的燃气轮机问题

煤基合成气燃料IGCC发电的燃气轮机的运行环境与燃用天然气的燃气轮机有很多不同，介绍了与其相关的设计运行问题以及解决方略。     

IGCC电站燃气轮机启动燃料的替换研究

当整体煤气化联合循环(integratedgasification combined cycle,IGCC)电站低热值合成气燃气轮机的启动燃料为柴油时,启动成本高,污染物难以控制。为了解决该问题,一个较适用的方法是将燃气轮机的启动燃料由柴油替换为天然气。但由于2种燃料的燃烧特性的不同,需要对燃机在两种不同燃料下的动态特性进行深入的研究,从而提出相应的改造和运行策略。基于天津IGCC低热值燃气轮机的结构及实际运行数据,建立燃气轮机热力学计算模型,对比分析了燃气轮机启动过程中,柴油量、天然气量随燃气轮机负荷的变化情况;其次计算了燃烧器燃烧天然气时的火焰稳定速度范围和优化燃烧器当量直径的范围;并对该燃气轮机燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟研究。最后提出了燃烧器的改造方案和运行策略,在尽量小的范围内进行改造来实现对柴油的替代而且保证燃机的稳定、安全和清洁启动。     

IGCC燃机入口合成气温度低导致跳机问题分析及解决措施

天津IGCC示范电站的燃气轮机采用轻柴油和低热值的合成气为燃料。合成气由气化炉产生,先经过净化脱硫再通过混合加湿系统进入燃气轮机。在合成气切换过程中,经常会出现燃气轮机入口燃料温度波动、燃烧状况不稳定的问题,严重时可直接触发连锁跳机。对影响燃气轮机入口合成气温度的各种因素进行了分析,认为入口管路积水是导致入口合成气温度降低并触发跳机的主要原因。根据分析的结果,通过调整工艺条件、加设管道疏水设备、优化控制系统逻辑等多个方面解决了此类问题的再次发生。     

生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统仿真和实验研究

以利用生物质气的高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统为研究对象,建立了系统的仿真模型,利用模型分析了系统性能以及关键运行参数、合成气成分对系统性能的影响,对系统进行了实验研究。结果表明利用生物质合成气的高温燃料电池-燃气轮机混合动力系统的设计效率可达54.1%。适当提高压比、电堆工作温度将显著提高系统效率,合成气中燃料组分构成对系统性能有很大影响。实验结果验证了所建立的混合动力系统的可行性,燃用燃料电池阳极排气的催化燃烧室具有很高的燃烧效率。这表明生物质气燃料电池-燃气轮机混合动力系统是一种高效可行的生物质能利用方式。     

燃烧中低热值燃料时燃气轮机系统的应对方案及其性能分析

证明了燃料热值的降低,必将使燃料量增加;提出燃用中低热值燃料时燃气轮机系统工况点调整的理论依据,并给出5种调整方案,即:增加压气机的压比(方案1)、关小进口可调导叶(IGV)角度(方案2)、降低燃气轮机进口温度(方案3)、从压气机末级抽气(方案4)、增加燃气轮机的通流面积(方案5);计算了各调整方案对燃气轮机简单循环系统热经济性和安全性的影响。结果表明:对于焦炉煤气,方案1的热经济性最高,方案4的热经济性最低,各方案对燃气轮机的安全运行几乎没有影响;对于煤基合成气,方案5的热经济性最高,方案4的热经济性最低,方案1的安全性最差;综合考虑热经济性、安全性和可操作性,对于焦炉煤气,方案1是最佳方案,对于煤基合成气,方案2是最佳方案。     

低热值燃气轮机烧嘴烧损问题的数值计算模拟研究

整体煤气化联合循环的动力核心是低热值燃气轮机。针对其烧嘴烧损问题,结合低热值燃烧器的结构特点、低热值燃料的特性及低热值燃气轮机实际运行情况,采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了该低热值燃气轮机燃烧室和燃烧器的数值模型,分析了燃烧器烧嘴烧损的主要原因,发现是因为少量合成气从稳焰孔流出后,被空气挤压,在靠近烧嘴壁面的位置燃烧所造成的。为解决这一问题,提出在稳焰孔上方增加一圈遮焰环的解决方案,并用CFD模型进行校验。结果显示遮焰环方案烧嘴的最高壁面温度由原方案的1666 K降低至1076K,远低于烧嘴材料烧损的温度。     

燃用低热值合成气的燃气轮机透平排气温度分散度优化研究

建立了一个关于燃用低热值合成气的燃气轮机的工程热力学模型,利用燃气轮机实际运行数据对该模型进行了校验。利用经过验证的热力学模型分析了该燃气轮机透平出口排气温度不同测点之间分散度较大的原因在于燃气轮机压气机出口至左、右侧燃烧室的压缩空气流量不平衡。根据压气机出口至左、右侧燃烧室顶部环形空间差压以及透平出口排气温度周向差异,给出了一种快速计算分别进入燃气轮机左、右侧燃烧室合成气流量的方法,据此调节合成气流量可以减少透平出口排气温度分散度。计算结果表明,利用该方法调节分别进入左、右侧燃烧室的合成气流量后,燃气轮机左、右侧燃烧室排气经过透平后温度的相对偏差由实际运行的平均3.55%(相当于平均29.7℃)可以减少到平均0.14%(相当于平均1.2℃)。CFD模拟表明,该合成气流量调节方案基本不影响燃气轮机燃烧稳定性,同时会略降低NOx排放。     

适应整体煤气化联合循环燃气轮机改型方法分析

整体煤气化联合循环(IGCC)是多种设备、多种技术集成的一个复杂系统,整合了化工、发电等各方面技术为一体,包括了气化炉、空分系统、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等设备。通过分析煤气化合成气与天然气的差异以及煤气化合成气对燃气轮机的影响,展开燃用天然气燃气轮机改型设计为燃用合成气的方法探索,总结改型设计经验,为整体煤气化联合循环燃气轮机设计奠定基础。     

数值模拟在合成气燃气轮机燃烧室设计中的应用

采用数值模拟方法对设计燃料为天然气和柴油的某型号燃气轮机燃烧室进行了改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值的合成气。数值计算采用了涡团耗散湍流燃烧模型、可实现k-ε湍流模型和离散坐标系辐射模型,SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风插值格式。对原型燃烧室进行了数值模拟研究,分析了合成气燃料的性质,对比了燃烧天然气和合成气2种燃料时燃烧室入口参数,由此确定了燃烧室改造原则。依照改造原则对原型燃烧室进行了改造,并根据数值模拟的结果对改造方案进行了多次改进,最终得到了合适的改造方案。改造过程说明:对原先燃烧天然气的燃烧室改烧中热值合成气,基本可以不改变火焰筒的结构;燃料喷射孔的面积可以按照与原型喷嘴的燃料喷射速度相同的原则确定,但需要增加旋流器的旋流数。     

合成气燃气轮机燃烧室的试验研究

对某分管型燃气轮机燃烧室及其两个用于燃烧中热值合成气的改造方案在中压全尺寸试验台上进行了考核和实验研究。试验采用的等容积流率模化准则,即采用与真实燃烧室相同的尺寸、燃料、过量空气系数以及燃料和空气进口温度,而空气的总压和流量以及燃料的流量取为真实参数的1/6。试验结果表明2个改造方案的性能参数,包括燃烧效率、总压损失、出口温度分布、火焰筒壁面温度分布和火焰的稳定性(贫燃料熄火极限)都能够满足设计要求。此外,与原型燃烧室燃烧轻柴油的工况相比,2个改造方案在燃烧合成气时燃烧室主燃区的火焰筒壁面温度升高,而燃烧室的NOx排放大大降低,火焰的稳定性得到明显改善。因此保持火焰筒开孔规律不变,增大气体燃料喷射孔面积并增强旋流对燃烧室进行改造,使其能够高效洁净地燃烧中热值合成气,该方法是可行的。     

燃料气压缩机在微型燃气轮机的配套应用

简要讨论了燃料气压力对微型燃气轮机性能的影响,介绍了与微型燃气轮机配套使用的燃料气压缩机的发展状况.结合天然气输配系统中管道设计压力与用户端压力的实际情况,探讨了燃料气压缩机管道压力对微型燃气轮机项目决策的影响以及提出了配备燃料气压缩机的一些建议.     

IGCC电厂的合成气饱和器模拟分析研究

IGCC电厂合成气的组分及热值对燃气轮机和整个IGCC电厂的稳定运行至关重要,合成气热值调整由合成气饱和器及相关系统完成.简述了IGCC电厂的合成气饱和器类型及其它类型的合成气混合和热值调整装置及系统,并对水饱和器进行了模拟分析.总结了合成气水饱和器和蒸汽饱和器的特点及其出口参数的影响因素,并对这2种合成气饱和器进行了比较.结果表明,水饱和器的注水温度和流量影响出口合成气温度和组分,蒸汽饱和器入口合成气的温度和流量对出口合成气的温度和组分有较大影响.     

9F燃气轮机燃烧故障分析

介绍了9F燃气轮机机组的燃烧监测原理;分析了燃烧过程中燃料供给系统、燃烧部件和排气热电偶检测等问题;指出了9F燃气轮机排气温度场扭转规律;提出了加强9FA机组燃烧检测管理的建议。     

Modeling and control of distributed generation systems including PEM fuel cell and gas turbine

This paper concentrates on the modeling and control of distributed generation systems including fuel cell and gas turbine. The fuel cell is connected to the power system through a dc/ac converter, which is equipped with both voltage- and power-control loops. The gas turbine is also assumed to be equipped with both voltage-control and generation (or frequency)-control loops. Moreover the gas turbine is modeled using the d–q frame of reference. The interfacing of the gas turbine with the power system is achieved by transforming its equations from the d–q frame of reference to power system frame of reference. A multivariable supplementary fuzzy logic controller is proposed for improving the dynamics of the combined fuel cell and gas turbine system. This fuzzy logic controller is designed using the Matlab Fuzzy Logic Toolbox A distribution test system including a load, a fuel cell and a gas turbine, connected to a power grid is simulated using Matlab/Simulink software package. The dynamics of the combined distributed generation plant are analyzed for the cases of with and without controller. The accuracy of the presented model and the effectiveness of the proposed multivariable supplementary fuzzy controller are deduced from the simulation results.